基于計(jì)算思維的項(xiàng)目化教學(xué)與反思

呂寬武 浙江省龍游中學(xué)

●緣由與思路

筆者所在區(qū)域舉行的高中信息技術(shù)課堂教學(xué)評(píng)比活動(dòng)由上課和說(shuō)課兩部分組成。此次活動(dòng)是為了交流各縣信息技術(shù)教學(xué)的新思路，因此采取同題異構(gòu)的教學(xué)方式。但是筆者在接到《編程處理數(shù)據(jù)》這個(gè)課題之后，遇到了兩個(gè)難題：其一，基于新教材的備課資料“一窮二白”；其二，時(shí)間緊（9天）、要求高（項(xiàng)目化學(xué)習(xí)），備課難度大。

浙教版高中信息技術(shù)教材將本課內(nèi)容分為三塊：①利用pandas模塊處理數(shù)據(jù)，主要內(nèi)容有Series和DataFrame兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及它們的常用屬性和常用函數(shù)；②利用matplotlib模塊繪圖，主要內(nèi)容是學(xué)習(xí)常用繪圖函數(shù)；③利用Python分析數(shù)據(jù)實(shí)踐。教師用書上建議先講授pandas的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Series和DataFrame，然后引導(dǎo)學(xué)生參照教材例題進(jìn)行實(shí)踐探究，但這種教法作為比賽課會(huì)不會(huì)太常規(guī)而提不起學(xué)生的興趣呢？

在此前市教研員開展的相關(guān)培訓(xùn)中，筆者受到了啟發(fā)：通過(guò)創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)情境項(xiàng)目，再組織學(xué)生扮演特定的角色，一邊開展學(xué)習(xí)一邊完成項(xiàng)目。針對(duì)筆者這個(gè)想法，縣教研員提出了修改建議：不僅要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)情境開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，還要落實(shí)計(jì)算思維的培養(yǎng)。因此，筆者明確了本節(jié)課的教學(xué)主題“編程統(tǒng)計(jì)衢州五校的百家姓”，該項(xiàng)目需要三個(gè)課時(shí)完成，以下是第一課時(shí)的內(nèi)容。

●過(guò)程與實(shí)踐

1.呈現(xiàn)情境脈絡(luò)，提出學(xué)習(xí)項(xiàng)目

課前教師播放歌曲《百家姓》和視頻介紹。

師：百家姓是對(duì)姓氏人數(shù)的一種統(tǒng)計(jì)及排名，不同朝代有不同的百家姓，今天我們一起來(lái)統(tǒng)計(jì)身邊的百家姓。如果要統(tǒng)計(jì)班級(jí)中哪種姓氏的人數(shù)最多，應(yīng)如何進(jìn)行統(tǒng)計(jì)？

生：在班級(jí)名單上數(shù)一數(shù)（人工）。

師：如果我們要統(tǒng)計(jì)整個(gè)年級(jí)姓氏人數(shù)前五名，又需要怎么統(tǒng)計(jì)？

生：使用表格處理軟件，如Excel。

師：如果要統(tǒng)計(jì)衢州五校的百家姓，又需要怎么統(tǒng)計(jì)？

學(xué)生思考、產(chǎn)生疑問(wèn)。

師：要統(tǒng)計(jì)衢州五校所有學(xué)生的姓氏情況，數(shù)據(jù)量較大，如果還是使用表格處理軟件處理數(shù)據(jù)就會(huì)比較慢，為了提升效率，選擇使用編程軟件處理數(shù)據(jù)會(huì)比較合適，如Python。接下來(lái)，我們一起來(lái)統(tǒng)計(jì)衢州五校的百家姓。

設(shè)計(jì)意圖：首先以音樂(lè)、視頻導(dǎo)入新課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；然后提出處理數(shù)據(jù)量由小到大的三個(gè)問(wèn)題，逐步引出項(xiàng)目“編程統(tǒng)計(jì)衢州五校的百家姓”。

2.理清算法步驟，驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目分解

師：假如你是百家姓統(tǒng)計(jì)小隊(duì)成員，并已經(jīng)拿到學(xué)生名單，請(qǐng)通過(guò)編程讓計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的一般步驟，首先需要設(shè)計(jì)算法。

學(xué)生設(shè)計(jì)算法。

師：編程統(tǒng)計(jì)衢州五校百家姓的算法是怎樣的呢？在這里，老師給出了具體步驟，但是這些步驟是無(wú)序的（如圖1），需要同學(xué)們自行排序。

圖1

學(xué)生思考、總結(jié)、回答。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生置身情境當(dāng)中，主動(dòng)思考算法步驟，驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目分解。

3.借力單元項(xiàng)目，發(fā)展計(jì)算思維

師：算法中的每一個(gè)步驟都是一個(gè)子項(xiàng)目，“編程統(tǒng)計(jì)衢州五校百家姓”這個(gè)總項(xiàng)目分成了六個(gè)子項(xiàng)目，接著，我們來(lái)實(shí)現(xiàn)第一個(gè)子項(xiàng)目“讀取數(shù)據(jù)”。

探究問(wèn)題1：如何從外部文件中讀取數(shù)據(jù)？

學(xué)生根據(jù)導(dǎo)學(xué)案中探究1進(jìn)行思考、總結(jié)、展示（如圖2）。

圖2

教師利用多媒體投影展示、評(píng)價(jià)、改正。

師：接下來(lái)，我們利用Python編寫以上程序并調(diào)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)從外部文件讀取數(shù)據(jù)。

學(xué)生編寫程序、調(diào)試運(yùn)行。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)探究問(wèn)題1的開展，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)課本內(nèi)容；通過(guò)多媒體投影展示，得以及時(shí)評(píng)價(jià)鞏固；通過(guò)編寫程序、調(diào)試運(yùn)行的過(guò)程，體驗(yàn)成功的樂(lè)趣。

師：“編程統(tǒng)計(jì)衢州五校百家姓”中的第一個(gè)子項(xiàng)目“讀取數(shù)據(jù)”我們已經(jīng)完成了，接下來(lái)，我們要實(shí)現(xiàn)第二個(gè)子項(xiàng)目“取出姓氏”。

探究問(wèn)題2：如何提取姓名中的姓氏？

學(xué)生思考、總結(jié)、回答。

師：同學(xué)們說(shuō)出了通常的做法，現(xiàn)在要用計(jì)算機(jī)編程解決這個(gè)問(wèn)題，首先要考慮在這個(gè)過(guò)程中會(huì)涉及哪些變量？

生：姓名、姓。

師：“姓名”可以用一個(gè)變量來(lái)存儲(chǔ)，如name；“姓”可以用另一個(gè)變量存儲(chǔ)，如“x”。這個(gè)過(guò)程稱作什么？

生：抽象。

師：經(jīng)過(guò)抽象后，這個(gè)問(wèn)題變成了從name中取出x的問(wèn)題（如下頁(yè)圖3），那么是怎樣從name中取出x的呢？

圖3

學(xué)生思考、總結(jié)、回答。

師：同學(xué)們知道根據(jù)name的情況來(lái)取出x，老師總結(jié)了大家的做法并推導(dǎo)出這個(gè)計(jì)算模型的過(guò)程（如下頁(yè)圖4），我們可以將其稱為什么？

圖4

生：建模。

師：在用計(jì)算機(jī)編程解決問(wèn)題的過(guò)程中，首先是抽象，然后是建模，接下來(lái)是什么呢？

生：設(shè)計(jì)算法。

師：取出姓氏的自然語(yǔ)言描述的算法為：①獲取姓名存入name中；②name是否復(fù)姓？如果是，取前面2個(gè)字符，如果否，取前面1個(gè)字符。請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)上述算法，在導(dǎo)學(xué)案探究2中完成“取出姓氏”的流程圖設(shè)計(jì)。

學(xué)生思考、繪制流程圖。教師展示學(xué)生的流程圖和標(biāo)準(zhǔn)的流程圖并點(diǎn)評(píng)。

師：取出1個(gè)姓名中姓氏的流程圖算法成功了，要取出多個(gè)姓名中姓氏的流程圖又怎么實(shí)現(xiàn)呢？

生：可以進(jìn)行多次循環(huán)。

師：算法設(shè)計(jì)好之后，就要編寫程序，有了流程圖表示的算法，編寫程序就變得有章可循，只需按照步驟對(duì)應(yīng)過(guò)來(lái)（如圖5）。現(xiàn)在，請(qǐng)大家利用Python合作編寫以上程序并調(diào)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)從所有姓名中取出姓氏。

圖5

學(xué)生相互合作編寫程序、調(diào)試運(yùn)行。

設(shè)計(jì)意圖：幫助學(xué)生理清用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程，落實(shí)培養(yǎng)計(jì)算思維的目標(biāo)；通過(guò)合作編寫程序，既能增強(qiáng)學(xué)生的獲得感，又能提升學(xué)生的反思意識(shí)。

4.回顧關(guān)聯(lián)知識(shí)，期待項(xiàng)目成果

師：本節(jié)課我們創(chuàng)設(shè)了一個(gè)總的項(xiàng)目“編程統(tǒng)計(jì)衢州五校的百家姓”，然后通過(guò)算法的設(shè)計(jì)，將其分成了六個(gè)子項(xiàng)目。通過(guò)第一個(gè)子項(xiàng)目“讀取數(shù)據(jù)”，我們學(xué)習(xí)了pandas模塊、Series和DataFrame兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、read_excel()函數(shù)；通過(guò)第二個(gè)子項(xiàng)目“取出姓氏”，我們回顧了用計(jì)算機(jī)編程解決問(wèn)題的一般過(guò)程，學(xué)習(xí)了兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的常用屬性index和常用函數(shù)append。后面的課程我們將繼續(xù)學(xué)習(xí)其余四個(gè)子項(xiàng)目以及統(tǒng)計(jì)“大眾化名字”等拓展項(xiàng)目，讓我們一起期待項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)吧。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)課堂總結(jié)，幫助學(xué)生整理學(xué)科知識(shí)并調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)后期項(xiàng)目學(xué)習(xí)的積極性。

●反思與困惑

1.項(xiàng)目化學(xué)習(xí)開展

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)這五個(gè)字看似簡(jiǎn)單，但要真正執(zhí)行起來(lái)，真正讓課堂有效起來(lái)，是要付出很多努力的。創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目要真實(shí)有趣，合作探究要涵蓋所學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生的能力在完成項(xiàng)目的過(guò)程中得以提升。可見，項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要教師用整體的思想去設(shè)計(jì)教學(xué)，用分步的思想去開展項(xiàng)目。

在將知識(shí)融入項(xiàng)目的過(guò)程中，學(xué)生為實(shí)現(xiàn)真實(shí)有趣的項(xiàng)目并滿足自己的成就感，對(duì)項(xiàng)目中所要學(xué)習(xí)的知識(shí)是十分渴望的，因此，在探究“如何從外部文件中讀取數(shù)據(jù)”的過(guò)程中，學(xué)生積極且高效地開展自主學(xué)習(xí)，并取得了優(yōu)異的成果。

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)解決了真實(shí)問(wèn)題，培養(yǎng)了核心素養(yǎng)，但其所涵蓋的知識(shí)是有限和特定的，在平時(shí)的教學(xué)中還需要采用多元化的教學(xué)方式。

2.計(jì)算思維落實(shí)

筆者一直在思考什么是落實(shí)計(jì)算思維的信息技術(shù)教學(xué)。在“如何取出姓氏”的探究中，以往課堂教學(xué)的重心都會(huì)放在程序的編寫上，那是因?yàn)閷W(xué)生沒(méi)有理解計(jì)算機(jī)是如何進(jìn)行處理的。在本課中，筆者通過(guò)抽象建模、設(shè)計(jì)算法、編寫程序、調(diào)試運(yùn)行，鍛煉學(xué)生形成自主解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生能夠采用計(jì)算機(jī)來(lái)界定問(wèn)題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)，從而能夠真正地通過(guò)計(jì)算機(jī)編程的方式解決問(wèn)題。