新課標視域下基于算法思維的初中Python教學實踐探索

趙劍曉

摘要：2022年4月《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》發布，提出將“算法”作為信息科技課程的六條邏輯主線之一。所謂算法本質上是一種問題解決的思維模式。本文以算法思維解決問題的思維模式為基礎，建構出基于算法思維的初中Python教學模式，并以“猜數游戲”為例展開具體教學實踐，得出了在初中Python教學中要關注思維過程而非知識技能，要關注問題解決方法而非結果。

關鍵詞：信息科技課程標準；計算思維；算法思維；Python教學

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）11-0044-04

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確了義務教育階段信息科技課程的六條邏輯主線，分別是數據、算法、網絡、信息處理、信息安全以及人工智能。新課標同時提出信息科技課程的四大核心素養，其中，培養計算思維的本質是培養學生抽象、分解、建模以及算法等一系列思維活動。[1]可以說，“算法”是新版義務教育課程標準中的一個關鍵詞。王榮良教授認為，算法本質上是能將一個問題分解成小問題并簡化解決問題的一種思維方式。[2]所以，在一定程度上可以認為算法思維是一種問題求解思維，而對序列、分解、轉換、條件、循環等計算機基本概念的學習是算法思維以及問題解決能力培養的基礎環節。[3]因此，算法思維是值得教師在教學中借鑒的一種思維模式，通過對情境的創建，使學生能從全局上對問題情境進行預設，挖掘問題的本質和邏輯，分解算法從而分步解決問題，以此來提高學生的思維能力和問題解決能力，最終促進學生計算思維等核心素養的培養。

模式構建

新課標提出讓學生初步具備解決問題的能力，發展計算思維。可見，在目前的信息科技教學中，讓學生學習程序設計的主要目的是培養其思維。算法思維是計算思維的一個重要組成部分，其本質上是一個分步求解問題的思維。因此，結合算法思維的思維模式，綜合本節課教學特點，筆者構建了適合初中Python教學的教學模式（如下頁圖1）。此模式從教師活動、教學流程以及學生活動三個維度互相對照展示了基于算法思維的初中Python教學模式。通過“創設情境、提出問題；分解問題、逐一突破；可視化表征、梳理問題；自主學習、解決問題”這一系列環節，最終指向學生的思維培養與問題解決能力的提升。

教學實踐

本次教學實踐以“猜數游戲”為總任務，讓學生通過編寫“猜數游戲”的程序代碼，掌握while循環的使用，同時掌握while循環嵌套選擇結構。借助算法思維解決問題的相關思維模式，引導學生循序漸進地解決每一個小任務，最終完成達成目標。通過這些環節，培養學生的信息科技核心素養，讓學生自主探究學習，運用合理的編程算法編寫程序，體驗程序設計流程，感受算法的效率，掌握程序調試和運行的方法，提升計算思維水平。同時，善于借助學習平臺完成探究，體驗數字化學習過程，適應數字化學習環境，養成數字化學習能力。

1.創設真實情境，體驗問題

教學中的情境往往是由教師依據具體的教學內容，結合具體的現實教學條件設計的，具有真實性。創設情境往往伴隨問題，教師從具體情境出發，以教學內容為基礎，讓學生根據具體情境來解決某些問題。[4]

課堂伊始，筆者選擇一位學生作為游戲主持人，主持人心里想1～20之間的一個數（整數），玩家（學生）猜測主持人心里想的數字，主持人只需要回答比心里想的數大了還是小了（讓學生沉浸游戲，真實體驗猜數游戲）。學生猜測幾輪，猜中正確答案的得到獎勵。在游戲結束后，教師引導學生嘗試用5句話來總結猜數游戲步驟并精煉語句（如圖2），同時引出課題：用Python來玩猜數游戲。

利用真實游戲場景讓學生有興趣地進入教學主題“猜數游戲”，并且引導學生分解“猜數游戲”，使學生建立分解意識與思維，讓學生在接下來的環節中可以自主自覺使用分解思維來分析問題與解決問題。

2.結構化分解，簡化問題

算法是Python教學中必不可少的內容，但在Python教學中，大多數教師更加關注學生對不同算法的知識技能的掌握，而對算法思維的培養有所欠缺。[5]利用算法思維解決問題，第一步是分解問題，即將問題按算法進行結構化分解，具體來說就是面對一個復雜問題，將其分解為可以逐個解決的子問題，這些子問題互相具有一定的聯系，解決上一個子問題是下一個子問題解決的必要條件，但是它們又彼此獨立。分解問題使得問題簡單化。

學生通過體驗猜數游戲各環節，基本都可以用5個步驟總結猜數游戲的具體過程。要將現實中猜數游戲與Python編程進行聯結，還需要指導學生完成與5個步驟對應的Python編程步驟，實現從現實游戲向Python編程的過渡，并且將利用Python編寫猜數游戲這一個問題分解成5個編程子問題，逐一解決。在具體教學實踐過程中，筆者要求學生登錄易加學院自主學習平臺，完成兩個猜數游戲的對照填空，總結出Python編寫猜數游戲的5個步驟。

讓學生將“1.玩家猜數”

“2.if…else選擇結構判斷大小”

“3.Python隨機產生一個數”

“4.若不一致，則重復B和C兩個步驟”

“5.while循環語句”這五句話序號對應填寫在上表中。

通過平臺的數據反饋，筆者發現大部分學生的答題正確率僅為60%（如圖3），大部分學生對Python猜數游戲編寫過程中是先用while循環還是先用if…else選擇結構不清楚。針對此問題，如果用上表來講解，可能大部分學生能理解，但這其實是教師在解決問題。而信息技術課堂要體現學生的主體地位，教師只應是主導者，負責給學生提供問題解決的腳手架。所以，筆者沒有給學生講解錯誤的問題，而是讓學生帶著錯誤問題完成下面一個任務：繪制猜數游戲的流程圖。這樣做旨在讓學生通過對流程圖的繪制來完成邏輯梳理，從而理解到底是先用while循環，還是先用if選擇結構。

3.可視化表征，梳理問題

知識可視化就是用圖解手段來構建和傳遞復雜知識。可視化表征包括利用流程圖、思維導圖等輔助手段，幫助學生將Python編程過程中隱形的思維過程呈現出來，對思維加工過程進行理解和認知。[3]Python編程教學的大部分內容可以借助流程圖的繪制來幫助學生梳理邏輯。但如果讓學生從無到有繪制流程圖一方面會浪費大量的教學時間，另一方面可能會讓學生無從下手從而產生畏難情緒。對Python猜數游戲的流程圖繪制，可給學生提供繪制了一半流程圖的學案（如圖4），讓學生將合適的語句填寫到流程圖中對應的空格內，從而幫助學生梳理邏輯。

在學生梳理邏輯后，教師引導其回到上一個結構分解環節，解決while循環和if選擇結構的前后問題，并對本次教學內容的難點以及while循環的重點進行突破，為接下來的Python編程做鋪墊。在突破教學重難點的過程中，在學生思考m和n相等還是不等這一循環問題時，筆者借助圖4所示的循環圖讓學生直觀感受。在可視化狀態下，學生可以理解圖4右邊的部分循環，就此可以引導學生理解循環是在m和n不相等的時候才發生的，因為while循環是滿足條件時才執行循環的。至此，上一個環節中未解決的問題——到底是先用while循環還是先用if選擇結構，得以解決。

4.自主探究，解決問題

在前兩個環節中，學生將猜數游戲的大任務已經分解成一個個的小任務并且利用流程圖進行了邏輯梳理。在具體的編程實踐中，筆者在易加學院自主學習平臺中準備random模塊導入的資料和半成品程序以及注釋學案，供學生自主學習，幫助學生完成程序的編寫。學生自主探究random模塊的導入，并展示與講解自己的導入結果，同時根據教師提供的學案，完成Python猜數游戲的程序代碼編寫。最后，讓進度快的學生展示自己的程序代碼，并測試與講解，教師根據學生的編程結果進行總結與錯誤反饋。

5.完善算法，拓展問題

算法思維雖然具有一定的程序性，但卻不是單一的思維，而是具有創造性的。因此，筆者采用了分層教學，要求學生思考兩個問題：

①在猜數游戲中為何要用while循環不用for循環；②在導入環節的游戲中猜了幾輪猜到了正確答案？如果想讓Python輸出猜中了幾次，應該如何操作？第一個問題幾乎所有學生都可以思考得出答案，因為猜數游戲并不能提前知道具體可以猜中幾次，因此選擇while循環，而不是for（計數）循環。第二個問題則是讓部分完成度較快較好的學生能進一步思考與完善算法。

實踐反思

1.關注思維過程，而非知識技能

新課標提出需要學生了解算法在問題解決過程中的作用，領會算法價值。何為算法的價值？在大部分Python教學常態化課堂上，多數教師對于if選擇結構、while循環的教學是先講解這些算法是什么，然后利用習題幫助學生理解。因此，這些算法的學習對于學生而言并不是一種思維模式的訓練，而是一種知識技能學習。而新課標關注的是對學生思維的培養，因此，教師應通過對各種算法的講授，將算法知識與其他知識體系進行聯結，讓學生可以根據實際情況選擇算法、描述算法、執行算法，從而最終獲得解決問題的策略或方法。

2.關注問題解決方法，而非結果

熊璋教授說，信息科技課程不應該局限于讓學生對現有程序設計語言的掌握，而應讓學生學習使用計算機解決問題的思維和實踐方法。[6]因此，對于程序設計語言課程的教學，更應該關注在教學過程中學生是否掌握了具體的問題解決方法。在教學設計過程中，教師應將課堂交給學生，借助各類腳手架，如現實問題與計算機問題對照、問題分解、可視化表征問題等，幫助學生解決問題，教師更多的是教授學生解決問題的方法，而不是關注學生是否掌握了該語言的某些語法規則等。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]王榮良.信息技術課程中算法學習的價值探索[J].中國電化教育，2008（08）：79-86.

[3]孫立會.聚焦思維素養的兒童編程教育：概念、理路與目標[J].中國電化教育，2019，390（07）：22-30.

[4]黃淑燕.指向信息技術學科核心素養的情境題設計[J].中小學數字化教學，2021，39（03）：58-61.

[5]李曉曉，謝忠新.指向算法思維培養的學習支架設計策略[J].中國信息技術教育，2022，384（09）：33-36.

[6]熊璋，趙健，陸海豐，等.義務教育階段信息科技課程的時代性與科學性——《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》解讀[J].教師教育學報，2022，52（04）：63-69.