挖掘教材，構(gòu)建計(jì)算思維培養(yǎng)模型

程書志

(太湖縣師訓(xùn)科教中心 安徽安慶 246400)

計(jì)算思維是當(dāng)前信息技術(shù)教育教學(xué)中十分關(guān)注的主題，但大多數(shù)研究集中在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程中。隨著《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的推出，計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科四大核心素養(yǎng)之一，成為信息技術(shù)教師的高頻話題，在信息技術(shù)教學(xué)中也要注意如何落實(shí)學(xué)生計(jì)算思維素養(yǎng)。程序設(shè)計(jì)知識(shí)作為初中教材的重要內(nèi)容且銜接高中教材，備受師生關(guān)注。從邏輯上講，一個(gè)程序是對(duì)許多計(jì)算示例的簡(jiǎn)明而有限的描述，每個(gè)程序都包含一個(gè)可能的無(wú)限過程。而計(jì)算思維可將一個(gè)復(fù)雜問題通過轉(zhuǎn)化、化簡(jiǎn)等方法簡(jiǎn)述成一個(gè)易于解決、快速理解的問題，可看出，在程序設(shè)計(jì)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維培養(yǎng)是有捷徑可走的。本文試以研讀八年級(jí)下冊(cè)第二單元程序編寫初體驗(yàn)中的活動(dòng)3“出租車計(jì)費(fèi)程序”來探索培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的方法。

一、研讀教材，探索計(jì)算思維本質(zhì)

安徽省初中階段使用的信息技術(shù)教材是安徽省教科院編著的義務(wù)教育階段新課程實(shí)驗(yàn)教科書(非零起點(diǎn))，教材是項(xiàng)目式結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)實(shí)生活中的問題開始引發(fā)學(xué)生思考如何解決問題，一個(gè)單元可作為一個(gè)項(xiàng)目來解決，在解決問題的過程中學(xué)習(xí)新知識(shí)、構(gòu)建新的知識(shí)體系。要想在課堂教學(xué)中落實(shí)學(xué)生計(jì)算思維素養(yǎng)，離不開教材，因此教師要研讀教材，發(fā)掘哪些知識(shí)點(diǎn)可以用于計(jì)算思維培養(yǎng)。

圖1 算法流程圖

“計(jì)算思維”由周以真教授在2006年首次提出并進(jìn)行定義，較為公認(rèn)的計(jì)算思維最具本質(zhì)的特征是抽象和自動(dòng)化。教學(xué)中，為了體現(xiàn)計(jì)算思維這種抽象特性和自動(dòng)化本質(zhì)，就需要教師對(duì)教材進(jìn)行一定的彌補(bǔ)和轉(zhuǎn)化。計(jì)算思維的抽象性表現(xiàn)在先將具體問題進(jìn)行分析、提煉、構(gòu)建，然后構(gòu)造解決問題的算法，再采用符號(hào)化的形式抽象出來。例如，在“出租車計(jì)費(fèi)程序”這個(gè)活動(dòng)中，教材給的問題情境是“某市出租車的起步價(jià)為2.5公里以內(nèi)8元，超過2.5公里的路程，按每公里1.5元計(jì)價(jià)。”在這個(gè)問題上，教師可以繼續(xù)追問：如果你是司機(jī)，是不是希望自己只要輸入乘客行駛的路程，馬上就能顯示乘客要支付的費(fèi)用？我們?nèi)绾沃苯拥贸鼋Y(jié)果？這時(shí)教師帶領(lǐng)學(xué)生一起分析，發(fā)現(xiàn)此問題可抽象成2個(gè)小問題，即出租車行駛了2.5公里以內(nèi)，直接就可以得出8元的結(jié)果；如果超過2.5公里，則要進(jìn)行計(jì)算求解。這個(gè)過程使用自然語(yǔ)言來描述就是：輸入公里數(shù)，如果0<≤25,則=8，否則=8+(-25)×15，輸出應(yīng)付費(fèi)用。然后進(jìn)一步構(gòu)造解決問題的算法，用程序語(yǔ)言中的選擇結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)二選一的問題，再將問題及其解法用流程圖的形式表現(xiàn)出來(如圖1)。

這個(gè)問題求解過程就是計(jì)算思維抽象性的本質(zhì)。教師通過追問問題到分析問題的過程、抽象解法到流程圖描述算法等一系列步驟的呈現(xiàn)，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了分析問題，計(jì)算思維能力也得到了提升。

通過算法的代碼實(shí)現(xiàn)以及在機(jī)器上運(yùn)行求解實(shí)現(xiàn)是計(jì)算思維中的自動(dòng)化展現(xiàn)。教材是通過VB編程語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)出租車計(jì)費(fèi)程序，學(xué)生使用選擇語(yǔ)句來完成問題中二選一的問題，再通過調(diào)試程序檢驗(yàn)是否可以正確運(yùn)行，能否按照之前的算法完成任務(wù)并得到正確的結(jié)果。學(xué)生使用VB編程完成這種抽象的解釋和程序的自動(dòng)運(yùn)行，能較深刻地體會(huì)到計(jì)算思維的自動(dòng)化本質(zhì)。

二、教材重構(gòu)，構(gòu)建計(jì)算思維活動(dòng)模型

圖2 計(jì)算思維活動(dòng)模型圖

計(jì)算的目的在于問題解決，而思維的目的在于問題解決和創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，所以計(jì)算思維的目的也在于問題解決，它是運(yùn)用計(jì)算的方法進(jìn)行一般問題的求解、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和人類行為的理解。“問題解決說”也因此獲得眾多學(xué)者和機(jī)構(gòu)的認(rèn)同。2011年，國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)ISTE分會(huì)和CSTA計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)共同制定了中小學(xué)計(jì)算思維課程框架，明確將計(jì)算思維定義為解決問題的一種過程，這一過程包括問題確定、數(shù)據(jù)分析、抽象表示、算法設(shè)計(jì)、方案評(píng)估、概括遷移等六個(gè)環(huán)節(jié)。人們用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的方式來告訴計(jì)算機(jī)做什么以及如何做，這就使得問題的解決變?yōu)榱怂惴ǖ拿枋龊统绦虻木帉憽Ｓ?jì)算思維是基于計(jì)算模型(環(huán)境)和約束來解決問題，在問題求解的過程中所使用的方法思路和步驟就是算法。無(wú)論是用自然語(yǔ)言、流程圖，還是用其他方式來描述算法，最終目的都是將算法變成能在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行的程序，算法厘清了解決這些問題的思路，學(xué)生就可以通過自己編寫相關(guān)程序來實(shí)現(xiàn)算法。

結(jié)合計(jì)算思維的定義以及參考費(fèi)海明《中小學(xué)生計(jì)算思維培育的路徑與策略》一文中的算法構(gòu)建式教學(xué)方法，即讓學(xué)生對(duì)任務(wù)實(shí)踐中的技術(shù)進(jìn)行抽象，從個(gè)別到一般構(gòu)建算法、再?gòu)囊话愕絺€(gè)別檢驗(yàn)算法，在此過程中培育計(jì)算思維。對(duì)程序設(shè)計(jì)教材內(nèi)容進(jìn)行分析，將計(jì)算思維方法滲透于教學(xué)活動(dòng)過程，構(gòu)建計(jì)算思維活動(dòng)模型(如圖2)，通過這樣六步活動(dòng)來解決問題。下面就以“出租車計(jì)費(fèi)程序”這個(gè)小程序?yàn)槔瑏砜催@些教學(xué)活動(dòng)在課堂教學(xué)中的實(shí)施步驟。第一步：將問題呈現(xiàn)給學(xué)生；第二步：通過分析問題，將問題抽象成可用變量表示的兩段公式；第三步：設(shè)計(jì)算法流程圖，對(duì)于初學(xué)者可先將問題用自然語(yǔ)言進(jìn)行描述，再轉(zhuǎn)化成算法流程圖，更易于學(xué)生理解；第四步：編寫程序，在學(xué)生初學(xué)程序設(shè)計(jì)內(nèi)容時(shí)，計(jì)算思維的培養(yǎng)重點(diǎn)應(yīng)強(qiáng)調(diào)理解(和能夠有效執(zhí)行)計(jì)算的過程，為了讓學(xué)生更好地理解計(jì)算思維的思想，可給出部分代碼；第五步：調(diào)試程序，在調(diào)試過程中學(xué)生需要體會(huì)選擇結(jié)構(gòu)中條件的作用，了解程序執(zhí)行的有窮性、正確性、有效性，將教材“知識(shí)庫(kù)”中關(guān)于算法及其特性的內(nèi)容在此環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生介紹，并讓學(xué)生上機(jī)體會(huì)，學(xué)生計(jì)算思維能力得到發(fā)展，更有利于后續(xù)的概括遷移；第六步：概括遷移，可利用 “創(chuàng)新園”中的練習(xí)2修改出租車計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，按照前五步的教學(xué)活動(dòng)模式來重新設(shè)計(jì)程序，還可將課堂所學(xué)知識(shí)點(diǎn)遷移到單元活動(dòng)2中“圓面積計(jì)算程序”，增加一個(gè)判斷輸入半徑為負(fù)數(shù)的功能，并給出提示信息。在此過程中，學(xué)生進(jìn)一步理解了選擇結(jié)構(gòu)的算法思想，也進(jìn)一步體會(huì)到了在問題求解過程中計(jì)算思維的自動(dòng)化特征。

計(jì)算思維培育需要合適的資源、有效的實(shí)踐活動(dòng)、教學(xué)策略與教學(xué)方法的創(chuàng)新和應(yīng)用。按照六步教學(xué)活動(dòng)構(gòu)建課堂，學(xué)生從具體的問題到抽象的問題然后到算法的設(shè)計(jì)，再?gòu)木帉懗绦虻秸{(diào)試程序，最終通過概念遷移回歸問題，可以較為自然地構(gòu)建計(jì)算思維。

三、當(dāng)堂評(píng)價(jià)，檢測(cè)學(xué)生計(jì)算思維能力

計(jì)算思維首先來自計(jì)算機(jī)科學(xué)，它兼具計(jì)算和思維的特質(zhì)，經(jīng)過近十幾年的研究與發(fā)展，已經(jīng)成為人類所應(yīng)具備的基本思維，與理論思維、實(shí)驗(yàn)思維并稱為世界三大科學(xué)思維。隨著計(jì)算機(jī)的普及，計(jì)算機(jī)能解決的問題越來越多，計(jì)算機(jī)變成了人類思維的執(zhí)行者，人類思維的內(nèi)容和方式也發(fā)生了變化。

那么，教師在課堂教學(xué)中如何去評(píng)價(jià)和檢測(cè)學(xué)生的計(jì)算思維能力呢？我們?cè)噺挠?jì)算思維定義出發(fā)，一是從計(jì)算和問題求解的角度來評(píng)價(jià)，它可以脫離編程對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種評(píng)價(jià)強(qiáng)調(diào)學(xué)生成為計(jì)算思考者，思考如何在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律、如何將問題抽象處理甚至可以建立模型。二是從計(jì)算機(jī)科學(xué)和編程的角度來評(píng)價(jià)，計(jì)算思維是通過約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化以及仿真的方法來解決問題，是一種遞歸思維，其中包含了變量、循環(huán)、程序編寫與調(diào)試、算法優(yōu)化等編程概念和方法。學(xué)生用程序來解決問題，就可以用其編程表現(xiàn)去評(píng)價(jià)他們的計(jì)算思維。下面是以“出租車計(jì)費(fèi)程序”一課為例設(shè)計(jì)出的計(jì)算思維評(píng)價(jià)表，表1是計(jì)算和問題求解角度評(píng)價(jià)表，表2是計(jì)算機(jī)科學(xué)和編程角度評(píng)價(jià)表。

表1 計(jì)算和問題求解角度學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)表

表2 計(jì)算機(jī)科學(xué)和編寫程序角度學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)表

兩個(gè)表格中的評(píng)價(jià)內(nèi)容隨著課堂內(nèi)容不同而作了不同的設(shè)計(jì)，但要點(diǎn)是將學(xué)習(xí)內(nèi)容分兩個(gè)角度去呈現(xiàn)，這樣學(xué)生對(duì)自己的學(xué)習(xí)行為和能力有所了解，教師也可以通過表格看出學(xué)生計(jì)算思維能力得到了怎樣的發(fā)展和提升。兩個(gè)表格也向?qū)W生展示了計(jì)算思維的構(gòu)建過程，讓學(xué)生明白提高計(jì)算思維素養(yǎng)比單純操作計(jì)算機(jī)更為重要。

結(jié)語(yǔ)

培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，是為了讓學(xué)生能像計(jì)算機(jī)學(xué)科專家一樣形成用計(jì)算機(jī)求解問題的特有思維習(xí)慣及思維方式。雖然計(jì)算思維能力的培養(yǎng)非一日之功，但信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)尤其是程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容能更好地培養(yǎng)學(xué)生從生活中的問題求解過渡到學(xué)會(huì)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行問題求解。本文主要通過具體的課堂教學(xué)案例，探索利用信息技術(shù)教材發(fā)現(xiàn)計(jì)算思維本質(zhì)，探討如何將計(jì)算思維融入程序設(shè)計(jì)課堂教學(xué)中的方法。