復雜問題解決：算法學習的價值追求
——以《花朵繽紛》一課為例

黃榮 江蘇省南京市立賢小學

●背景

算法是小學信息科技學習的重要內(nèi)容，是在問題解決過程中涉及的一系列綜合性的思維活動。它是一個抽象的概念，如果在教學中泛泛而談，則很難培養(yǎng)學生的算法思維能力，而復雜問題解決的能力對學生的算法學習是非常重要的。因此在教學中，筆者嘗試將復雜的算法問題分解為多個子問題，使學生掌握復雜問題的分解策略。下面，以《花朵繽紛》一課為例進行說明。

●教學實踐

《花朵繽紛》一課屬于“算法與程序設計”模塊，涉及的問題主要有兩個：一是如何在圖形化編程軟件中把一片花瓣變成一朵花；二是如何把一朵花變成花朵繽紛的特效。

1.引入：復雜問題解決的來源

①欣賞“一片花瓣變成一朵花”現(xiàn)象。

師：視頻中的一片花瓣變成了什么？讓我們從編程的角度研究“一片花瓣變成一朵花”問題。

②欣賞“花朵特效”現(xiàn)象并揭示課題。

學生繼續(xù)欣賞視頻。

師：視頻中的花朵又出現(xiàn)了什么特效？今天這節(jié)課，我們重點研究花朵繽紛。

生：花朵繽紛效果是由“一片花瓣變成一朵花”現(xiàn)象和“花朵特效”現(xiàn)象組成。

2.展開：復雜問題解決的主場

片段一：一片花瓣變成一朵花

師：各位同學動手操作，嘗試將一片花瓣旋轉變成一朵花（以五片花瓣為例），如圖1所示。

圖1

教師出示研究要求：①轉一轉：一片花瓣如何旋轉變成一朵花？②說一說：小組內(nèi)交流一下一片花瓣變成一朵花的過程。

學生小組活動。

師：哪位同學愿意將你們小組的研究成果向全班同學展示并交流？

生1：我要把這片花瓣依次進行旋轉。

一位學生提出問題：旋轉過后還是只有一片花瓣，但是花朵有五片花瓣？

生2：花瓣每次旋轉過后，還要對這片花瓣進行復制，然后再依次進行旋轉復制五次，這樣就有五片花瓣了。

師：根據(jù)大家的回答，我們來梳理一下一片花瓣變成一朵花的具體操作步驟。第一步是要有一片花瓣，第二步是什么呢？

生：第二步是旋轉，并且要確定旋轉角度。

師：旋轉的時候要注意什么？（出示課件）為什么有的花瓣會出現(xiàn)雜亂無章的情況？

生：在旋轉之前，要設置好花瓣的旋轉中心點。

師：因為旋轉前就要設置好中心點，所以第二步是確定中心點，第三步是旋轉，第四步是什么呢？

生：旋轉后就要對花瓣進行復制。

師：這樣就結束了嗎？

生：沒有，還要重復執(zhí)行旋轉復制這個過程，印好其余花瓣。

結合學生的回答，教師呈現(xiàn)一片花瓣變成一朵花的具體過程，如圖2所示。

圖2

學生根據(jù)算法過程在圖形化編程工具里編寫腳本進行驗證，并展示成果。

片段二：花朵特效

師：一朵花完成了，接下來完成花朵特效。我們來研究一下花朵有哪些變化，如圖3所示。

圖3

隨著學生的討論、交流，教師提煉，進行板書：①位置不定；②出現(xiàn)多個花朵；③顏色各異；④大小不同。

師：根據(jù)同學們的回答，可以把花朵特效抽象成四個子問題，這樣就降低了難度。首先來看位置不定的效果是怎么實現(xiàn)的。如何改變花朵出現(xiàn)的位置呢？

生：需要用到運動模塊里的坐標控件，通過改變坐標里的數(shù)值去改變位置。

師：每次改變位置都要改變坐標，很麻煩，怎么辦呢？能不能讓計算機隨機設定數(shù)值呢？它在運算模塊里，你們能找到嗎？找到了以后研究一下隨機數(shù)的范圍怎么設置呢？

生：可以把隨機數(shù)的范圍設置成舞臺的X坐標范圍和Y坐標范圍。分別是-240～240，-180～180兩組數(shù)值。

師：繼續(xù)運行一下腳本，就會在舞臺的隨機位置出現(xiàn)一朵花。那如果要連續(xù)不斷地出現(xiàn)在舞臺不同位置（也就是出現(xiàn)多個朵花），怎么辦呢？

學生嘗試操作，試著用重復控件完成位置不定和出現(xiàn)多個花朵的效果。

師：花朵開滿畫面后，可以使用特效類控件實現(xiàn)花朵的顏色特效和大小變化，這兩個特效類控件在哪里呢？

學生快速找到顏色特效和大小特效控件，嘗試搭建腳本并運行。

3.練習：復雜問題解決的延伸

制作“雪花漫天飛”效果。

教師要求學生觀察圖4中的效果，思考以下問題：①一片雪花是由什么角色旋轉而成的？②需要利用循環(huán)控件重復旋轉復制幾次？③仔細觀察，雪花有哪些變化？④“雪花漫天飛”與“花朵繽紛”效果有什么聯(lián)系？

圖4

●教學思考

1.動手操作，情境中感知算法

活動是學生認知的基礎，智慧從動作開始。學生通過看一看、動手操作、說一說、上機編程等豐富的實踐探索活動，經(jīng)歷了動手、動口、動腦的過程，充分調(diào)動了各種感官參與學習，對一片花瓣變成一朵花的過程由感性認識上升到了理性認識。學生能深刻地理解一片花瓣變成一朵花的算法過程，并用圖形化工具進行腳本編寫。

在上面的教學片段中，學生不是簡單的“操作工”，而是“研究者”，目標指引操作，問題驅動操作。因此，學生學習算法過程的熱情是高漲的。

2.分解問題，過程中感悟算法

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》指出，在進行編程學習時，需要將算法學習貫穿于問題求解的過程中，而問題可以分為簡單問題和復雜問題，簡單問題不需要分解，復雜問題可以分解為若干子問題，然后根據(jù)功能求解出解決子問題的具體操作步驟，形成求解方案。

在本節(jié)課中，學生首先要明確具體的任務，即如何在圖形化編程工具中實現(xiàn)花朵繽紛的效果。其次，抽象問題的關鍵特征，明確問題求解的輸入和輸出。再次，分解問題，將復雜的花朵繽紛問題分解為兩個簡單的問題，即一片花瓣變成一朵花和花朵的特效兩個子問題，再由子問題分析出具體操作步驟，形成科學的算法。這樣先整體后部分、先抽象后具體的方法，有利于培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力。

分解問題的環(huán)節(jié)，是學生自主探究的主要環(huán)節(jié)，在片段一中，有學生的肯定，有學生的補充，也有學生的質疑。學生不但探索到一片花瓣變成一朵花的過程，同時也抽象出了其中的具體步驟。在片段二中，師生一問一答，教師的有效提問帶領全班學生經(jīng)歷了重難點的突破，使學生對花朵特效腳本的編寫從模糊到清晰，進一步地感悟了算法。從實踐效果來看，無論是片段一還是片段二，學生均能在教師的引導下抽象出問題的基本特征，并將問題分解為具體操作步驟，這一過程有效地激發(fā)了學生的探究欲望，發(fā)展了學生的計算思維。

3.知識遷移，拓展中明晰算法

學習遷移是指一種學習對另一種學習的影響，也是將學得的經(jīng)驗有變化地運用于另一情境的能力。在練習環(huán)節(jié)，筆者設置了題目：如何在圖形化編程工具中實現(xiàn)“雪花漫天飛”的效果？在教學中，教師是引導者，通過三個問題引導學生明確“雪花漫天飛”的學習任務，并對“花朵繽紛”與“雪花漫天飛”進行對比、辨別與聯(lián)系，再主動地將解決“花朵繽紛”問題的學習經(jīng)驗遷移到“雪花漫天飛”的情境中去。這樣，學生能通過經(jīng)驗的遷移、重組，主動構建、完善新的知識，從而提升學習效率。

總之，學生親歷了分析問題、抽象特征、分解問題、設計算法、實踐操作等過程之后，能真正理解和掌握基本的知識與技能，更重要的是掌握了相應的解決復雜問題的算法，知道如何分析問題，如何找到解決復雜問題的路徑，進而了解解決復雜問題的基本范式。