閱讀與實驗：基于“法”“碼”平衡的計算思維學習探索

焦晨瀟 王愛勝

在信息科技新課程的推進中，進行一線教學資源的構建將會促進多維度課程建設與教學研究的深入開展，對建設豐富的課程生態具有積極的意義。因此，本期解碼我們將探討師生創作與利用課程資源對課程生態的重要意義。

摘要：本文以通過探索信息科技新課程中“算法”邏輯主線的課程學習以達成“計算思維”學習目標的資源創新與創作為例，分析重“法”輕“碼”認知產生的學習瓶頸，采用類比閱讀與數據實驗的創新方式，嘗試探索貼近學生年齡特點的故事化“跨學科閱讀”與“不插電閱讀”的系統化設計，以“法”“碼”平衡為信息科技課程的“計算思維”探索趣味化的深度學習資源，助力豐富的課程生態建設。

關鍵詞：計算思維；類比閱讀；數據實驗

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）01-0025-04

隨著《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的頒布，“計算思維”成為信息科技課程培養學生核心素養的重要內容，而“算法”這一邏輯主線將貫穿中小學信息科技課程。因此，如何更好地轉向以算法為邏輯線索的計算思維教育，共建中小學一體化的信息科技課程新形態變得十分重要。鑒于“計算思維”與“算法”在中小學信科技課程中的重要地位，筆者基于“法（算法）”“碼（代碼）”平衡的視角，嘗試系統探索程序、算法學習與計算思維培養融合的閱讀設計與數據實驗。

“法”與“碼”平衡的課程生態分析

由于新課標重視“算法”認知，在一定程度上弱化了“代碼”編程，而更傾向于用“碼”驗“法”的算法驗證，因此，如何通過技術實驗、數據驗證來學習算法成為新的研究方向。另外，受中考、學考及高考等的影響，對以代碼（C++、Python）編程為載體的程序、算法、計算思維的考查仍因極具“可操作性”而難以摒棄，要在短期內弱化“代碼”的“支撐”作用，還存在很多困難。算法設計如果用“紙質的形式化推演”來代替編程，會在算法深刻體悟、效率直觀認知及知識局限等方面發生“歧變”，單純的課堂學習也易走上“務虛”的說教式形式主義，更多教師會讓也不得不讓學生通過補學“代碼”來打基礎，這樣就會增加學生的課業負擔。因此，筆者基于計算思維的構成要素，提煉基礎算法思想，濃縮中小學生必備程序知識，運用學生喜聞樂見的武俠故事設置學習情境，架構類比閱讀的學習資源，從易到難，環環相扣，形成“閱讀學算法，不插電學編程”的新思路，讓學生在一個個精彩的故事中學習計算思維與算法，提高對算法與程序設計的整體認知。這種追求生動的課外閱讀活動，以故事類比閱讀幫助學生輕松了解、掌握算法思想與程序設計，培養了學生的計算思維、算法思想與工程思維，助推了信息科技課程系統、有機的“法”“碼”平衡學習生態建設。

閱讀設計：對程序、算法與計算思維進行擬人故事化處理

筆者在創作《編程江湖》一書時，以擬人化的系統故事情境及虛擬的武俠小說對“算法”“計算思維”與“程序”進行融合學習設計。全書分三卷、九章、三十六回，在尋劍、弩攻、爭鋒的故事場景中，把各種計算語言作為江湖門派，生動有趣，以程序實例和人物性格展現算法與語言的特點，用劍術、劍法、劍道類比程序知識、算法思想和計算思維，以盤龍陣、飛花令、套娃、擊劍比賽、劍法擂臺賽及算術動物園、派森英雄榜等趣味程序項目實踐來降低認知難度，提高學習效益。

故事情境、人物語言與行為具有親和力和形象感是閱讀設計的效度要素。例如，人物的知識與技術融合中國功夫、兵家陣法等文化元素，以提高對編程技術與算法的理解力和應用性；程序范例結合古今中外的經典案例與優秀算法，以提高算法學習的典型性與可操作性。故事中的人物相對獨立，但在學習中會將他們作為一個“程序、算法與計算思維的編程能力”整體來對待。例如，派森恩喜“劍術”，是Python編程知識的形象類比；韓青鋒會“劍法”，是算法思想的形象類比；姬思木懂“劍道”，是計算思維的形象類比。眾所周知，計算思維、算法與程序設計常需要融合學習，在閱讀中，讀者自然吸取各人之長，視他們為一個團隊，或同一個“真實人”的多項能力。讀者在學習之外，會逐步兼具三人優秀品質，規避如姬思木體質柔弱、派森恩話多語碎、韓青鋒沉默寡言等“暗喻”的缺陷。整個故事的發展，也正是三人相互促進、揚長避短、克服缺點的成長過程，如姬思木“健康”了（暗喻計算思維強化實踐），韓青鋒“愛笑”了（暗喻算法生動有趣），派森恩“務實”了（暗喻程序知識學以致用）等，對讀者極具不斷成長的教育意義。

類比演繹：把程序知識通俗融入算法與計算思維

類比式演繹知識與實踐，是對較難理解的技術、原理有效“破壁”的策略之一，為教師“闡釋”和學生“理解”提供橋梁作用。在《編程江湖》一書中，筆者不僅發揮了常規類比的作用，還以故事來演繹類比，讓過程更具可讀性。

第一，程序知識的類比演繹。例如，以基本功類比“交互式”程序命令，將“套路”演繹程序作為指令整體的“算法”流程意義。將輸入、運算、輸出類比為“吸氣”“運氣”“呼氣”的基本過程，將int（）、round（）函數類比成“斷舍離”劍術，將字符串的切片類比成“斬蜂群”，將列表和復合列表類比成“盤龍陣”和“群龍陣”，以及將自定義函數和調用類比成“戰隊”與“指揮”，在故事演繹中用各種生動、形象、貼切的類比讓學習更有趣、理解更有效。

第二，算法設計的類比演繹。通過在行軍中對順序、判斷和循環的類比演繹，不斷發展到在戰斗中“弩攻”時循環發射及死循環、中斷等類比演繹，扣人心弦又直觀有趣。對難度較大的“遞歸”算法，以套娃類比演繹，以“劍法”演繹遞歸過程，準確把握遞歸結構與特點。在對數據搜索算法闡述時，以“尋箭”演繹，對照草地上的矩陣劃分，讓算法可懂又可用。對“排序”等算法，更是用大量篇幅進行劍法類比演繹，如在擂臺賽時把標準函數類比為“一劍封喉”的劍法，將“桶排序”類比為挑水舞蹈，將“冒泡排序”類比成冒泡劍法，將“插入排序”類比成插撲克牌游戲等，通過類比對基礎算法的描述、特征、應用、功能進行演繹，讓算法變得好玩、好懂、好用。

第三，計算思維的類比演繹。一方面，筆者將計算思維的分解、抽象、模式、算法進行故事演繹。例如，用“各個擊破”分解猴群，用“化繁為簡”的簡筆畫探查敵情，用“照貓畫虎”識別背單詞的詞序模式。另一方面，通過有一定規模的作品設計，如“飛花令”“口算游戲”“剪刀石頭布”“派森英雄榜”等，融合計算思維與工程思維進行作品創作，讓學生系統體驗需求分析、問題分解、模塊化設計、抽象建模、技術迭代與產品泛化的計算思維綜合應用，培養了學生的數字素養與技能。

數據實驗：用數據測試、觀察、分析、揭示算法的過程與功能

為直觀地體驗、理解算法，筆者設計了“數據實驗”開展各種方式的數據觀察，不僅提供如字符串、列表、數據類型等程序設計知識進行“程序執行過程的數據觀察實驗”，更以“武功秘笈”的形式提供數據實驗“模板”，以“簡約高效”的實驗策略進行數據觀測與分析。例如，用“運行時間差異實驗”直觀對比不同算法的運行效率，實驗過程如圖1所示。

測試數據要具有可實驗的樣本效益，要么現場采集數據，要么提前準備數據文件，還可以隨機生成數據等。現場采集的風險非常大，因為采集失敗或數據質量對后期教學影響是巨大的。提前準備數據文件，文件形式可以是文本文件或電子表格等。因電子表格讀取需要安裝并引入pandas庫，且數據存儲、讀取要符合規范，所以使用時須謹慎。文本文件相對容易操作，但文本文件讀取時有不同的格式。

為此，筆者在實驗中引導觀察，使用“容錯”方法改進實驗，既體現了計算思維的技術細節“迭代”思維，又滲透了算法通用化的“泛化”思維。例如，對不同文本文件格式的容錯測試可用try/except來適應多種數據提供模式，代碼如圖2所示。

綜上所述，筆者通過通俗閱讀算法故事，類比演繹算法基本思想和計算思維基本要素，降低認知難度，即通過數字素養與技能培育為信息科技課程的實施助力，通過構建豐富的課程資源為“法”“碼”平衡的課程生態大廈添磚加瓦。

參考文獻：

[1]王愛勝.編程江湖[M].北京：清華大學出版社，2023.

[2]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.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.