指向計算思維培養(yǎng)的初中Python遞進(jìn)式教學(xué)

侯賀中

［摘 要］編程對于發(fā)展學(xué)生的計算思維、提升學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要的促進(jìn)作用。Python簡單易學(xué)，但在初中教學(xué)中存在一些問題。文章分析了初中Python教學(xué)中存在的困境，基于培養(yǎng)計算思維的角度，通過確定問題解決的思路與方法、規(guī)劃學(xué)習(xí)目標(biāo)、設(shè)計遞進(jìn)式問題等過程，將遞進(jìn)式教學(xué)運用于“循環(huán)結(jié)構(gòu)——while循環(huán)”一課，以期為初中Python教學(xué)提供思路。

［關(guān)鍵詞］計算思維；遞進(jìn)式教學(xué)；初中Python

［中圖分類號］ G633.67 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］? A ［文章編號］ 1674-6058（2023）26-0084-04

在科技快速發(fā)展、社會日益進(jìn)步的信息化時代，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，讓學(xué)生具備能適應(yīng)社會發(fā)展的能力就顯得尤為重要。2022年，教育部公布了《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》，新課標(biāo)的出臺將信息科技的核心素養(yǎng)提升到前所未有的高度，這也意味著未來的信息科技課程將從技能的傳授轉(zhuǎn)向能力的培養(yǎng)。對一線教師來說，如何根據(jù)新課標(biāo)的要求做出改變就成為亟待解決的問題。

一、核心素養(yǎng)中的計算思維

核心素養(yǎng)是人應(yīng)具備的素養(yǎng)中最關(guān)鍵、最必要的共同素養(yǎng)，是一種跨學(xué)科素養(yǎng)，是知識、技能和態(tài)度等的綜合表現(xiàn)，核心素養(yǎng)在注重學(xué)生基礎(chǔ)知識、基本技能掌握的基礎(chǔ)上，還強調(diào)學(xué)生文化基礎(chǔ)、自我管理、勇于探究、協(xié)作交流、創(chuàng)新創(chuàng)造等能力的養(yǎng)成，從而使學(xué)生能夠適應(yīng)未來社會的發(fā)展?！读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，信息科技課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)主要包括信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任。這四個方面是學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代信息社會、提升數(shù)字素養(yǎng)和技能、掌握相關(guān)能力的基本要求。根據(jù)皮亞杰認(rèn)知發(fā)展階段理論可知，初中學(xué)生正處于形式運算階段，這一階段的學(xué)生能夠利用邏輯推理、歸納或演繹的方式解決問題，能夠理解符號的意義，具備系統(tǒng)思維能力，因此初中是訓(xùn)練學(xué)生計算思維的重要階段。

計算思維這一概念最早由美國卡耐基梅隆大學(xué)的周以真教授提出，它是通過運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念解決問題、設(shè)計系統(tǒng)、理解人類行為等一系列思維活動。有學(xué)者認(rèn)為，計算思維是由意識、方法和能力三個層次的內(nèi)容所組成的復(fù)合思維，是一種獨特的解決問題的過程， 是一種可以幫助人們更好地理解和分析復(fù)雜問題的思想方法， 從而形成具有形式化、模塊化、自動化、系統(tǒng)化等特征的問題解決方案。因此，具備計算思維的學(xué)生能夠?qū)⒕唧w問題抽象化，把一個大問題分解成若干個小問題，通過建立模型、設(shè)計算法形成問題的解決方案，然后通過動畫模擬、程序仿真等方法來驗證問題解決方案的可行性，最后反思、優(yōu)化問題的解決方案，并能夠?qū)⑦@種方式應(yīng)用于其他問題。有人將計算思維的相關(guān)特征點歸結(jié)為問題分析、抽象、算法與程序和自動化四個方面，（如表1），因此可以看出計算思維的核心就是“問題解決”。

二、 初中Python教學(xué)困境

Python于2020年進(jìn)入浙教版初中信息技術(shù)教材，作為一種高級編程語言，它具有語法簡單、簡單易懂等特點，因此比較適合初中學(xué)生學(xué)習(xí)。但是在初中Python教學(xué)中存在一些問題，主要體現(xiàn)在以下三點：

（一）不會用流程圖表示算法

用流程圖表示算法是一種極好的思路方法，盡管學(xué)生在七年級下冊詳細(xì)學(xué)習(xí)過流程圖，但是面對一些復(fù)雜的算法結(jié)構(gòu)時，大部分學(xué)生仍然不知道通過流程圖厘清思路。

（二）被算術(shù)思維所束縛

學(xué)生從小接受的數(shù)學(xué)教育對他們的思維方式產(chǎn)生了根深蒂固的影響。當(dāng)面對一道計算題時，他們首先想到的是歸納出公式或方法，而不是結(jié)合計算機工作特性，運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想、原理與方法去思考問題，因此在解決問題時可能會毫無頭緒。

（三）不理解程序運行的邏輯

與C、C++、Java等高級語言相比，Python雖然語法簡單、簡單易懂，但不能很方便地設(shè)置斷點進(jìn)行debug，這就造成學(xué)生很難通過程序的運行理解循環(huán)語句等較復(fù)雜的語法。再加上有些學(xué)校的學(xué)生在小學(xué)階段很少接觸信息技術(shù)課程，沒有完整地學(xué)習(xí)過scratch語言，所以他們感覺編程很難學(xué)，邏輯難以理解。

三、指向計算思維培養(yǎng)的初中Python遞進(jìn)式教學(xué)

針對上面存在的困境，筆者以新課標(biāo)中的核心素養(yǎng)為指導(dǎo)，以問題解決為目標(biāo)，基于計算思維的培養(yǎng)，在初中Python教學(xué)中采用了目標(biāo)導(dǎo)向的遞進(jìn)式教學(xué)。下面以“循環(huán)結(jié)構(gòu)——while循環(huán)”為例展開探討。

（一）解決問題的思路與方法

目標(biāo)導(dǎo)向的遞進(jìn)式教學(xué)的目標(biāo)是解決一個具體問題，在本課中是“計算1+3+5+7+…+93+97+99的值”，要想解決這個問題必須首先確定解決問題的思路和方法。“計算1+3+5+7+…+93+97+99的值”是一個典型的循環(huán)問題，但與普通的循環(huán)不同的是，從1加到93后接下來加的不是95而是97，也就是說這個問題計算的是從1到100的奇數(shù)和再減去95。由于本課的主題是“循環(huán)結(jié)構(gòu)——while循環(huán)”，因此解決這個問題可以僅使用while循環(huán)計算從1到100的奇數(shù)和再減去95，也可以在while循環(huán)中嵌套分支結(jié)構(gòu)，使用continue語句來控制循環(huán)計算該問題。

（二）學(xué)習(xí)目標(biāo)的規(guī)劃

本課涉及while循環(huán)結(jié)構(gòu)和循環(huán)控制語句兩個關(guān)鍵知識，基于學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)與學(xué)習(xí)特點，本課學(xué)習(xí)目標(biāo)的設(shè)定由易到難，即通過學(xué)習(xí)先掌握while循環(huán)結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容，再理解學(xué)習(xí)循環(huán)控制語句，因此學(xué)習(xí)目標(biāo)分為普通和進(jìn)階兩部分，具體見表2。

（三）遞進(jìn)式問題的設(shè)計

根據(jù)確定的學(xué)習(xí)目標(biāo)和目標(biāo)問題，本課需要設(shè)計5個遞進(jìn)式的問題來達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)、解決目標(biāo)問題。第一個問題是最簡單的累加問題，幫助學(xué)生理解while循環(huán)的格式和執(zhí)行流程，如“計算1+2+3+4+5的值”；第二個問題將累加的數(shù)字增加，使用while循環(huán)計算1到99的和；第三個問題要求學(xué)生使用while循環(huán)解決目標(biāo)問題；第四個問題是在while循環(huán)中嵌套if語句，通過continue語句控制程序的輸出，計算1+2+3+5的值；第五個問題是在第四個問題的基礎(chǔ)上做出修改，解決目標(biāo)問題。

（四）遞進(jìn)式教學(xué)的實施

盡管學(xué)生已經(jīng)在上一課時學(xué)習(xí)過for循環(huán)，但while循環(huán)的基本結(jié)構(gòu)與for循環(huán)完全不同，因此需要從while循環(huán)的基本結(jié)構(gòu)講起，教學(xué)活動的設(shè)計如下。

【教師講解】結(jié)合while循環(huán)的流程圖講解while循環(huán)的基本結(jié)構(gòu)和執(zhí)行流程。

【問題1】使用while循環(huán)計算1+2+3+4+5的值。

代碼：

i = 1

s = 0

while i <= 5：

s = s + i

i = i + 1

print（s）

【教師講解】講解問題1的執(zhí)行流程（如圖1）。

通過表格展示問題1每次循環(huán)時i和s的值

【分析】設(shè)置問題1的目的是幫助學(xué)生鞏固while循環(huán)的基本結(jié)構(gòu)和執(zhí)行流程。問題1提出后，教師讓學(xué)生思考1分鐘，然后直接給出答案，以問題1為實例講解該問題的每一步，鞏固while循環(huán)的執(zhí)行流程。

【問題2】使用while循環(huán)計算1+2+3+4+5+…+97+98+99的值。

代碼：

i = 1

s = 0

while i <= 99：

s = s + i

i = i + 1

print（s）

【學(xué)生解決問題】學(xué)生畫出問題2的流程圖，根據(jù)問題1來思考問題2的算法及程序。

【分析】學(xué)生能理解掌握問題1，問題2就變得非常簡單，只需要將條件i<=5改為i<=99即可。學(xué)生完成問題2后，教師可以對問題2的代碼做出兩次修改，第一次是將i<=99改為i<99，第二次保持i<=99不變，將i=i+1這句代碼刪掉。第一次修改的變化顯而易見，當(dāng)?shù)?8次循環(huán)結(jié)束時，i的值是99，此時已不滿足i<99，所以第99次循環(huán)不會執(zhí)行，得到的結(jié)果為1到98的和，學(xué)生也可以在IDLE中輸入代碼，比較修改前后結(jié)果的不同得到結(jié)論。第二次修改代碼后，無法改變i的值，將代碼輸入到IDLE中運行，學(xué)生能很直觀地看到結(jié)果得出結(jié)論。

【問題3】使用while循環(huán)計算1+3+5+…+93+97+99的值。

代碼：

i = 1

s = 0

while i <= 99：

s = s + i

i = i + 2

s = s - 95

print（s）

【學(xué)生解決問題】學(xué)生畫出問題3的流程圖，思考問題2的算法及程序。

【教師點評】分析前三個問題中的易錯點，指出學(xué)生學(xué)習(xí)和操作過程中的錯誤。

【分析】問題3是本課達(dá)成普通學(xué)習(xí)目標(biāo)需要解決的目標(biāo)問題，前兩個問題解決的都是連續(xù)整數(shù)相加問題，這個問題是奇數(shù)相加再減去一個數(shù)，i=i+1在循環(huán)中的作用是每循環(huán)一次將i加1，從而得到連續(xù)整數(shù)，要想得到連續(xù)奇數(shù)i每次加的數(shù)應(yīng)該是2，循環(huán)結(jié)束后再減去95就可得到最終結(jié)果。在這個問題中，教師可以讓學(xué)生嘗試把s=s-95放入循環(huán)體中，在IDLE中觀察輸出結(jié)果是怎樣的，并思考原因。

【問題4】使用while循環(huán)和continue語句計算1+2+3+5的值。

代碼：

i = 0

s = 0

while i < 5：

i = i + 1

if i == 4：

continue

s = s + i

print（s）

【學(xué)生自主學(xué)習(xí)】解決問題4前，教師引導(dǎo)學(xué)生自己上網(wǎng)搜索循環(huán)控制語句的相關(guān)學(xué)習(xí)資料，學(xué)生自學(xué)后畫出流程圖，嘗試解決該問題。

【教師點評并講解】點評學(xué)生自主學(xué)習(xí)的成果，講解問題4的執(zhí)行流程，展示問題4每次循環(huán)時i和s的值（見表4）。

【分析】設(shè)置問題4的目的是學(xué)習(xí)循環(huán)控制語句的含義以及如何在while循環(huán)中嵌套if語句。當(dāng)?shù)谒拇窝h(huán)開始時i由3變?yōu)?，此時滿足if語句的判斷條件，執(zhí)行continue語句，本次循環(huán)結(jié)束，不執(zhí)行s=s+i這一句，所以第四次循環(huán)并沒有進(jìn)行累加。在這個問題中，將i=i+1這句放在if語句前和放在if語句后有不同的結(jié)果，學(xué)生可以自主探究并思考其中的原因。

【問題5】使用while循環(huán)和continue語句計算1+3+5+…+93+97+99的值。

代碼：

i = 1

s = 0

while i < 99：

i = i + 2

if i == 95：

continue

s = s + i

s = s + 1

print（s）

【學(xué)生解決目標(biāo)問題】參考前面四個問題的解決思路，首先畫出流程圖，然后在IDLE中編寫程序解決問題5。

【教師點評】點評學(xué)生提交的程序，指出問題5的易錯點。

【分析】問題5是本課達(dá)成進(jìn)階學(xué)習(xí)目標(biāo)需要解決的目標(biāo)問題，總的來說，問題5對于初中學(xué)生具有一定的難度，主要體現(xiàn)在i的初始值的確定。如果仿照問題4的程序來編寫問題5的程序，i的初始值為0，這樣第一次循環(huán)開始后i的值變?yōu)?，之后每次循環(huán)i的值都是加2，最終得到的結(jié)果不是奇數(shù)相加的和；如果i的初始值為1，第一次循環(huán)開始后i的值變?yōu)?，之后每次循環(huán)i的值都是加2，最終得到的結(jié)果少了1，所以程序應(yīng)該在循環(huán)結(jié)束后將s加1，或者把i的初始值設(shè)為-1，才能得到正確結(jié)果。有了問題3的結(jié)果作為參考，學(xué)生在解決問題5時能知道自己的程序是否正確，及時思考程序錯在哪里，進(jìn)而實現(xiàn)本課的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

四、 初中Python遞進(jìn)式教學(xué)的成效與不足

（一）教學(xué)成效

1. 問題由易到難，提升學(xué)生信心

計算思維強調(diào)將復(fù)雜的問題分解為一個個小問題，通過抽象、建模、設(shè)計算法等過程解決問題。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，本課的遞進(jìn)式教學(xué)由易到難設(shè)置了5個問題，幫助學(xué)生建立分析問題、化簡問題的思路。簡單問題的設(shè)置增強了學(xué)生解決問題的信心，使學(xué)生敢于挑戰(zhàn)新的問題。

2. 學(xué)生自主探究，培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力

新頒布的義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)更加注重能力的培養(yǎng)。本課通過流程圖繪制、教師講解、資料查詢等方式培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和問題解決能力，課后練習(xí)的結(jié)果也表明學(xué)生對while循環(huán)的理解和應(yīng)用整體較好。

3. 教學(xué)及時反饋，學(xué)生感受深刻

Python的IDLE能夠在程序運行后及時給出反饋，提示學(xué)生找出程序中的問題。此外，除問題1外，學(xué)生完成其他4個問題的解答后，教師都會點評學(xué)生的程序，分析每個問題的易錯點，促使學(xué)生深入思考，從而實現(xiàn)了從感性體驗到理性認(rèn)識的提升。

（二）發(fā)現(xiàn)的問題

盡管遞進(jìn)式教學(xué)取得了一定的成效，但在實際實施中同樣發(fā)現(xiàn)一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾點。

1. 課程內(nèi)容較多

本課設(shè)置5個問題，主要由學(xué)生自主探究解決，總體來說內(nèi)容較多，無法在1個課時內(nèi)完成，要想讓學(xué)生較好地掌握知識，至少需要兩到三個課時。

2. 評價方式不夠多樣

本課遞進(jìn)式教學(xué)中涉及的評價方式主要是教師點評，缺少學(xué)生自評、小組互評等其他評價方式。

3. 學(xué)生代碼編寫習(xí)慣不好

大部分學(xué)生剛接觸代碼編程，對Python的語言邏輯和語法規(guī)則不夠熟悉，沒有養(yǎng)成良好的代碼編寫習(xí)慣，容易出現(xiàn)忘記冒號和括號、缺少縮進(jìn)等格式上的問題。

綜上所述，在核心素養(yǎng)的視角下，將目標(biāo)導(dǎo)向的遞進(jìn)式教學(xué)應(yīng)用于初中Python教學(xué)中，通過設(shè)計5個由易到難的問題，完成課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。實踐表明，這種教學(xué)可以較好地幫助學(xué)生掌握知識、提高能力，但仍有些許不足，在后面的教學(xué)中需要改進(jìn)和完善。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

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