初中生算法思維培養的困境、致因與對策

公彥利

摘要：本文針對目前初中生算法思維能力存在的諸多困境，提出應通過程序設計教學、單元整體教學和學科整合教學等策略突破，來提升學生算法思維培養的效度，提高學生未來邏輯處事能力。

關鍵詞：計算思維;算法思維;單元設計;課程整合

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2022）13-0096-03

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》指出，高中信息技術核心素養主要包含信息意識、計算思維、數字化學習與創新和信息社會責任。而計算思維主要是由算法思維、分解、抽象和概括四個方面構成，其中算法思維是核心。初中階段是為高中階段夯實基礎的關鍵期，也是落實抽象邏輯思維培養的黃金期，對算法思維的培育和形成至關重要。

● 算法思維培養的困境及致因

從教學實施情況來看，初中生算法思維的培養主要存在以下問題：

①教學方法不當。學科雖然強調用信息技術工具解決實際問題，但學習內容多為各類應用軟件，缺乏對計算機自身處理信息方式的認識和理解，缺乏對算法教學的整體設計，導致算法思維的培養找不到根基，缺乏有效的載體。

②專業引領不強。部分教師片面地將其歸類為抽象的概念，認為超出學生的認知范圍，從而忽略了對學生解決問題的思維能力的培養。

③學科滲透不足。算法思維僅在編程教學中有所體現，但也只是向學生灌輸算法思維的學習內容，導致其體驗不到解決問題的過程。

算法思維培養在初中階段實踐層面遇到困境，其原因是綜合性的，需要整體分析論證。

①思想認識不到位。很多一線教師對課程標準的理解不夠，注重知識傳授、忽視學科核心素養培養的教學現象比較普遍。

②專業指導不到位。各級教育部門認可算法思維對提高學生問題解決能力的積極作用，但缺少針對中小學的具體實施策略，缺少對教師的專業引導培訓。

③課程統整不到位。從現狀來看，大多數學校缺乏課程整合意識、課程整合能力和課程整合機制，導致學科素養培育流于形式，學科核心素養培育低效甚至無效。

● 算法思維培養困境的出路

初中信息技術課程強調基于問題，選擇合適的技術，進行有效的信息處理，從而使問題得到解決，這個過程和算法思維的培育過程高度契合。因此，參與信息技術學習的過程，就是形成算法思維的重要過程。

1.從理解算法本身培育算法思維

算法學習是很好的思維訓練工具，能有效提升學生算法思維水平。程序設計是幫助學生獲得解決問題經驗的一種快速、明確的途徑，其一般過程為：提出問題—分析問題—設計算法—編寫程序—調試運行—檢測結果。以程序設計為載體，學生可以掌握一些常用的算法思想，如通過雞兔同籠問題了解窮舉法、通過楊輝三角問題了解遞推法、通過走迷宮問題了解回溯法、通過漢諾塔問題了解遞歸法等。

（1）巧用示例將算法概念形象化

算法是非常抽象的，教學中可適當設計一些游戲，幫助學生快速理解算法及相關概念。例如，在學習“算法思想初探”時，設計“神算小諸葛”游戲讓學生對算法初步形成認知。教師任意選取1到20之間的某個數字，猜到的學生即為“神算小諸葛”。每個學生都有一次機會問“是*嗎？”，教師回答“是”或“否”。第一輪，學生隨機猜測。第二輪，學生按順序進行猜測，如“是6嗎？”“是7嗎？”，學生可以多次猜測，這就是“順序查找”。第三輪，教師首先向學生透露數字的大體范圍，學生減半詢問，如“是小于10嗎？”，再問“是小于5嗎？”，這就是“二分查找”。通過游戲，學生親自體驗解決問題的過程和方法，更有利于對抽象概念的理解，從而達到教學目標。

（2）使用流程圖描述算法加深理解

使用流程圖不僅可以讓學生清晰地了解解決問題的一般過程，而且還能使其理解計算機解決問題的核心思想。

（3）培養算法選擇與優化的意識與能力

在程序教學中，教師可以引導學生針對同一問題設計多樣化的算法，通過討論比較，選擇其中最優的算法，培養學生算法選擇與優化的意識和能力。例如，求100以內的偶數和，可比較下列三種算法：

算法一  For i=1 to 100

If i mod 2=0 Then s=s+i

Next i

算法二 For i=1 to 50

S=s+i*2

Next i

算法三 s=（2+100）*50/2

2.單元整體教學融入算法思維

教師可以聚焦問題解決，通過單元整體設計重構教學內容，每節課讓學生通過“發現問題、提出問題、解決問題”這一步驟完成學習任務，利用每個單元有意識地培養學生解決問題的能力，使學生逐步形成算法思維。

（1）使用任務驅動等模式組織教學

讓學生每節課都體驗問題解決的過程。例如，用WPS文字制作電子板報，首先讓學生思考：如何制作電子板報？制作電子板報需要哪些過程？第一步，確定主題。如何讓主題更明確？第二步，確定內容。應該搜集哪些素材？第三步，搜集素材。搜集的素材能不能直接使用？第四步，處理素材。怎樣將素材填充到版面中？……以制作電子板報為任務，學生切身體會到條理化地分析解決問題的過程，既培養了創新和協作意識，又提高了信息加工與表達能力，提升了信息綜合素養。

（2）開展單元整體教學

單元整體教學強調單元目標的整體性、課時目標的階梯性，有助于學科體系的構建，對學科素養的養成特別是算法思維的培育有著不可替代的作用。例如，《數據統計與分析》單元的教學目標有三個：一是了解圖表的特點，熟練制作圖表;二是掌握對數據及圖表的分析方法;三是根據圖表，形成結論。教師首先對本單元進行整體設計，將單元主題確立為“對學校午餐的滿意度調查及提出改進意見”，將數據統計與分析分各種方法滲透其中，引發學生共鳴。調查問卷的設計需要縝密的思維，問卷的發放、回收需要團結合作，觀點的闡述需要良好的語言表達，整個任務的完成就是“發現問題—分析問題—解決問題”這一算法思維形成的過程。這種整體設計，使學生對調查研究的過程、方法和步驟有了系統的了解、認識和積累，在調查的過程中掌握了知識，提升了思維能力。

3.跨學科統整滲透算法思維

開展跨學科統整能為學生提供更為復雜的情境，讓他們有機會整合和運用不同學科的觀念、方法和工具，生成可遷移的知識和技能，有利于學生核心素養培育的整體化、深度化、具體化實施，有助于學生充分體驗跨學科方式解決問題的過程。

（1）信息技術與學科深度融合

以信息技術與學科教學深度融合為切入口，實現多學科課程的統整。例如，由歷史、道德與法治、信息技術等學科共同參與的“數字化沂蒙精神”課程，整合了語文課中的革命傳統文化教育、歷史課上的愛國主義教育、道德與法制課上的核心價值觀教育，綜合運用信息技術手段多方式呈現。有的學生用演示文稿等多媒體手段講紅色故事，有的學生用圖形化編程體驗紅色活動，有的學生選擇用開源硬件或3D打印創作紅色實景，有的學生用VR技術展示紅色場館。風采各異的融合背后，體現的是學生“發現問題—分析問題—尋求解決辦法”的思維過程，這正是學科教學的價值所在。

（2）跨學科“項目化學習”

通過讓學生體驗項目化學習的全過程，培養學生的算法思維。例如，在學習WPS文字時，創設“我是設計師”項目，要求與其他學科學習內容相結合，創作體現不同文化內涵的郵票作品，有的學生結合品德與社會的學習內容，設計了《百年公交》系列郵票，展示了從老式公交車、有軌電車、磁懸浮列車、新能源公交車演變的過程，在學習使用軟件的同時，滲透了愛國主義教育。

（3）與生活體驗無縫銜接

算法思維不僅存在于計算機程序中、學科教學中，而且存在于生活中的方方面面。例如，使用者在瀏覽網頁后，會發現網站經常給推送“你感興趣的頁面”“你喜歡的圖書”“你熱衷的八卦”等，這就是經典的“推薦算法”。又如，教學《條件語句》這一課時，教師可以結合生活中的垃圾分類設計學習項目“智能垃圾桶”。通過設計算法、編寫程序，讓垃圾桶實現智能識別和智能分類存放的功能，解決生活中的難題。

學生算法思維的培養不是一蹴而就的，用算法思維解決問題的能力也需長期培養。所以，教師在落實算法思維培養的過程中，應針對不同學段，按照由易到難、螺旋上升的原則進行布局，既立足信息技術課程，又兼顧其他學科滲透，最后還要與生活高度融合。

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本文為山東省十三五教育科學規劃課題“勝任力視角下人工智能教師專業成長路徑研究”（編號：2020ZC199）階段研究成果，臨沂市初中信息技術名師工作室成果。