初中信息科技算法設計思維培養策略探析

王孝龍

（福鼎市第六中學，福建 福鼎 355200）

隨著《義務教育信息科技課程標準（2022 年版）》（以下簡稱“新課標”）［1］的公布，信息科技正式從綜合實踐活動獨立出來成為一門國家課程。新課標明確指出計算思維作為學科核心素養的核心因素，是培養學生初步具備解決問題能力的關鍵，算法設計是問題解決過程中的重要計算思維活動。面對一個復雜問題，設計算法形成解決方案是學生具備計算思維的顯著特征。因此，算法設計的本質是基于計算思維的活動［2］。但是，在初中信息科技教學中，往往把算法設計作為程序設計教學的一部分，認為只有程序設計才用到算法，算法設計就是教學生畫流程圖、調試程序，忽視了算法設計培養的實質意義是發展學生的計算思維。為此，筆者以初中信息科技課堂活動設計為抓手，通過探討算法設計思維在課堂活動中的培養策略，以期探索一條發展學生計算思維的理想路徑。

一、基于計算思維的算法設計

Cynthia Selby 和John Woollard 兩人在《計算思維：發展中的定義》一文中將計算思維劃分為五個維度：抽象、分解、算法設計、評估和概括，并認為它是一種解決問題的方法，包含了以上五個方面的思維過程［3］。其中，抽象是計算思維的基礎，作為一個科學概念，抽象被定義為一種思維過程，指“對具體事物的本質屬性進行概括，而舍棄非本質的”。在計算機處理任務時，抽象是對復雜的任務建立系統模型；在解決大型問題時，分解是必需的，它是計算思維的核心，將復雜的系統轉化為多個子任務，或者對方案進行分解，可以解決很多復雜問題；算法設計是最重要的計算思維，在計算機中算法是表示一組有序的清晰的指令，算法設計是按照定義好的明確的步驟來求解問題的思想；評估是對解決問題的方法進行評估以求得最佳方法；概括是提取解決問題的方法，形成經驗或者對原有的方法進行改造，用于解決下一個問題。按照Selby 和Woollard 博士關于計算思維內涵的界定，計算思維的五個維度既是解決問題的整體思維，又可以理解為某一方面具體的思維活動。因此，文中提及的算法設計是計算思維的一個維度，是運用計算思維解決問題必須經歷的思維活動，培養學生的算法設計思維目的是發展學生的計算思維。

二、算法設計在課堂活動中的培養策略

新課標提出信息科技學科核心素養的不同學段特征，初中學生通過信息科技活動應能提取問題的基本特征，制訂解決問題的方案。在設計課堂活動時，教師可以將課堂教學內容與計算思維的算法設計培養有機結合，關鍵是教師要充分挖掘與算法設計相關的教學內容，培養學生解決問題的能力，發展學生的計算思維。在初中信息科技課堂教學算法設計思維培養中，教師可結合教學內容設計課堂活動中的某個環節，也可結合教學內容設計一堂完整的課堂活動。本文以福建省義務教育教材《信息技術》（初中版2020 年修訂）為例，對培養學生算法設計思維的課堂活動設計進行探討。

（一）在課堂活動某個環節培養算法設計思維

計算思維的五個維度，既是整體的思維活動，也是某一方面具體的思維活動。教師在初中信息科技課堂某一活動環節教學中，可以結合教學內容的需要，基于對學生算法設計思維的培養進行設計。

例如，如何引導學生理解二分查找算法呢？教師可以在“猜價游戲”編程環節中設計一個游戲活動環節，首先教師應為學生設置一個情境問題，然后讓學生分組來猜展品的定價，每組都有10 次機會，猜對定價有獎勵。

第一組猜價的規則是：沒有任何提示，學生隨意猜定價，猜到10 次論輸贏。第二組猜價的規則是：學生隨意猜測定價，每次，主持人都會根據猜測價格和定價的比較來提示是“高”還是“低”。第三組猜價的規則是：主持人給出展品的定價區間，如100 元到10000 元之間（沒有小數），請學生猜一個定價如10000 元，根據猜價與定價的比較，主持人宣布“高了”，這時學生以減半（或加倍）的方法繼續猜下一個定價，直到猜對為止。游戲結束，引導學生討論哪一組規則更容易猜對價格，得出第三組規則的優勢，引出二分查找的算法，最后引導學生用算法來描述游戲的活動方案，從而形成解決問題的方案。

從這個案例可以看出，即使是設計課堂活動的某一環節培養學生計算思維的算法設計維度，也要遵循計算思維培養的一般規律。計算思維是學生在解決問題過程中運用計算機科學的思想形成問題解決方案的思維活動［1］，算法設計是運用計算思維解決問題表征出來的一種思維活動，離開了計算思維培養的一般規律，算法設計僅僅是程序設計教學環節中的一個步驟，而非思維培養。

（二）在整堂課活動設計中培養算法設計思維

教師可以基于算法設計結合教學內容設計一節完整的課堂活動，這不僅能培養學生的算法設計思維，而且能培養學生計算思維的多個維度。在編程模塊教學中，基于對學生計算思維算法設計的培養，結合編程教學的特點，一節完整的課堂活動設計可以包含五個步驟：第一步是分析問題，學生能從編程任務中識別問題的特征，建立問題模型，并能對問題進行分解，養成主動思考問題的習慣，從整體上把握需要解決的問題。第二步是設計算法，學生能把問題以具體的步驟呈現，并能用自然語言進行描述或畫出流程圖。第三步是編寫調試程序，學生能夠在具備解決問題思想的基礎上進行實踐應用，使用計算機來解決問題，是對問題分析和算法設計的大膽驗證。第四步是測試優化，對自己的程序進行測試和評估，對作品作進一步的優化處理，以求得對編程作品有最佳的答案。第五步是展示交流，學生在相互展示作品的基礎上，相互吸納對方的建議，對解決問題方法有了更深刻理解，形成自己的經驗。

下面以《信息技術》七（下）“設計一個小游戲”的課堂活動設計（見表1）為例來分析如何基于對學生算法設計思維的培養，達到培養學生計算思維的五個維度。

表1 “設計一個小游戲”課堂活動設計與說明

（續表）

上述案例“設計游戲程序”是一項綜合活動，建議安排2 個學時，以編寫游戲程序為活動主題，綜合運用三種結構程序設計，引導學生從制訂“猜價游戲”的活動規則出發，讓學生體驗用C 語言設計程序并通過計算機實現游戲功能的全過程，從而學習“根據實際需求，設計方案和用電腦解決問題”的方法。在開展本活動之前，學生已經具備初步的計算思維，對計算機解決問題的步驟有一定了解，能畫出流程圖，基本掌握程序設計的三種基本結構，能熟練使用Dev-C++編譯環境，能編寫簡單的程序，但學生對編寫像猜價游戲這樣綜合性較強的程序還是有一定難度的。通過本次課堂活動，學生的計算思維目標能達到對特定的游戲項目任務進行分析，確定問題，設計問題解決方案，畫出流程圖，以C 編程實現。從本案例的實施效果可以發現，計算思維的五個維度在解決復雜問題過程中是一個整體?；趯W生計算思維算法設計的課堂活動，不僅可以提升信息科技課堂的教學效果，而且能更好地培養學生具備計算思維解決問題的能力。

三、結束語

算法設計思維是計算思維的重要維度，培養學生的算法設計思維必須遵循運用計算思維解決問題的一般規律。在初中信息科技課堂教學中，教師可以結合教學內容，基于算法設計思維的培養來設計課堂活動的某一環節或整堂課活動，這不僅可以提高教學效果，而且能培養學生具備計算思維解決問題的能力，發展學生的計算思維。