面向計(jì)算思維的高中python程序項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐研究

摘要：計(jì)算思維是普通高中信息技術(shù)學(xué)科四個(gè)核心素養(yǎng)之一，而項(xiàng)目學(xué)習(xí)是培養(yǎng)計(jì)算思維的有效途徑。以學(xué)生熟悉的“剪刀石頭布”項(xiàng)目為例，項(xiàng)目情景體驗(yàn)、項(xiàng)目分析、項(xiàng)目支持、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目?jī)?yōu)化、項(xiàng)目遷移這一系列過程可以幫助學(xué)生體驗(yàn)計(jì)算機(jī)編程解決問題的過程，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，進(jìn)而使學(xué)生能夠運(yùn)用python程序解決生活中的實(shí)際問題。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維" 項(xiàng)目學(xué)習(xí)" python程序

隨著智能時(shí)代的到來，具備計(jì)算思維、利用計(jì)算思維的過程與方法來理解并解決復(fù)雜問題，已成為當(dāng)今社會(huì)優(yōu)秀人才必須具備的素養(yǎng)。培養(yǎng)學(xué)生面向未來的計(jì)算思維能力是全球化發(fā)展的必然趨勢(shì)，深刻影響著我國(guó)未來的科技競(jìng)爭(zhēng)力與創(chuàng)新力。計(jì)算思維是普通高中信息技術(shù)學(xué)科四個(gè)核心素養(yǎng)之一，是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的根基，具有基礎(chǔ)性。計(jì)算思維如此重要，因而我們需要明確計(jì)算思維的內(nèi)涵并探索如何在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。

一、計(jì)算思維的界定[HTSS]

不同的專家與學(xué)者對(duì)計(jì)算思維有不同的界定。計(jì)算思維的概念最早是由周以真教授提出來的，他認(rèn)為計(jì)算思維是一種包含計(jì)算抽象與自動(dòng)化等的思維過程，計(jì)算思維面向所有人，無處不在。美國(guó)學(xué)者Brennan和Resnick認(rèn)為計(jì)算思維有三個(gè)維度：計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐與計(jì)算觀念。英國(guó)學(xué)者Selby、Woollard提出計(jì)算思維具有五大特征：抽象、分解、算法思維、評(píng)估和概括。2017年版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)計(jì)算思維的定義是：能夠采用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)科方法界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)；通過判定、分析和綜合各種信息資源、運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案；總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題中。

不同國(guó)家的學(xué)者和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)從多個(gè)角度對(duì)計(jì)算思維做了界定和描述，從中可以看出計(jì)算思維的過程是：分析問題—設(shè)計(jì)算法—調(diào)試優(yōu)化—遷移應(yīng)用。了解了計(jì)算思維的具體內(nèi)容，教師在教學(xué)實(shí)踐中就能有的放矢地發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維。

二、項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐發(fā)展計(jì)算思維的途徑[HTSS]

新課標(biāo)倡導(dǎo)項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以任務(wù)為主線，通過探究、實(shí)踐完成任務(wù)，習(xí)得知識(shí)，學(xué)會(huì)技能，形成素養(yǎng)。教師要圍繞信息技術(shù)核心素養(yǎng)，把項(xiàng)目整合到課堂教學(xué)中，重構(gòu)教學(xué)組織方式。現(xiàn)以“剪刀石頭布”項(xiàng)目為例，介紹如何基于項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)。

（一）項(xiàng)目背景

“運(yùn)用選擇結(jié)構(gòu)描述問題求解過程”是程序設(shè)計(jì)單元第三節(jié)的內(nèi)容，教材是以“設(shè)計(jì)網(wǎng)購(gòu)最佳方案”這個(gè)項(xiàng)目為主線的，但是學(xué)生對(duì)此項(xiàng)目不感興趣，積極性不高，求知欲難以激發(fā)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)：學(xué)生在中學(xué)階段未接觸過程序設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)非常薄弱。教師在日常教學(xué)中通過觀察得知，學(xué)生喜歡在微機(jī)室玩人機(jī)游戲，部分學(xué)生還有開發(fā)小游戲的動(dòng)機(jī)。于是“剪刀石頭布”這個(gè)項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。教師旨在通過學(xué)生喜歡的人機(jī)游戲“剪刀石頭布”激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)python程序的興趣，讓學(xué)生通過真實(shí)的項(xiàng)目體驗(yàn)、分析、實(shí)施、優(yōu)化、遷移，實(shí)現(xiàn)思維的發(fā)散與碰撞，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，使其更好地接受知識(shí)，將所學(xué)的學(xué)科知識(shí)運(yùn)用到生活中去。

（二）項(xiàng)目情景體驗(yàn)

情景體驗(yàn)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲、探索欲，喚醒學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)能夠利用學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)，使其在情景中思考問題。

【教學(xué)片段1】

師：“剪刀石頭布”這個(gè)小游戲大家都玩過，就是猜拳。平時(shí)都是人與人之間玩，大家和計(jì)算機(jī)玩過猜拳嗎？

現(xiàn)在同學(xué)們看一下自己桌面上的猜拳游戲軟件，這是我用python程序做的，請(qǐng)同學(xué)們打開它，輸入“剪刀”或者“石頭”或者“布”，看看結(jié)果，誰贏了呢？

“剪刀石頭布”這個(gè)小游戲?qū)W生都很喜歡，因此學(xué)生參與度極高，并能詳細(xì)描述游戲規(guī)則。這個(gè)項(xiàng)目環(huán)節(jié)以學(xué)生喜歡的人機(jī)游戲引入，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)了學(xué)生的探索欲，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

（三）項(xiàng)目分析，設(shè)計(jì)算法

算法是在有限步驟內(nèi)求解某一問題所使用的一組定義明確的規(guī)則。通俗地說，算法就是用計(jì)算機(jī)求解某一問題的方法。教師圍繞“剪刀石頭布”游戲，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，讓學(xué)生以小組為單位思考計(jì)算機(jī)是如何執(zhí)行命令的并分析人機(jī)猜拳的所有可能性。小組展開頭腦風(fēng)暴，有的小組用自然語言描述計(jì)算機(jī)執(zhí)行過程，有的小組用流程圖分析。教師借此拋出問題：如何利用自然語言描述“剪刀石頭布”游戲過程？

1.用自然語言描述游戲過程

用自然語言描述算法，就是用人們?nèi)粘Ｋ玫恼Z言，如漢語、英語等來描述算法。教師引導(dǎo)學(xué)生將猜拳游戲分解成幾個(gè)小步驟，有助于算法的實(shí)現(xiàn)，也鍛煉了學(xué)生分析問題的能力。

【教學(xué)片段2】

師：好玩吧？想一想猜拳的過程和判斷勝負(fù)的規(guī)則。哪組同學(xué)說一說拆解的步驟？

生：（1）玩家輸入要出的拳。（2）亮拳。（3）如果玩家與電腦出拳相同，輸出“平局”，游戲結(jié)束；否則，根據(jù)雙方出拳判斷勝負(fù)，要么玩家贏，要么電腦贏。（5）游戲結(jié)束。

師：這位同學(xué)總結(jié)得很好，這其實(shí)就是幾種情況？對(duì)，三種情況，即平局、玩家贏或者電腦贏。這是咱們用自然語言描述的，能不能使用流程圖來描述呢？

自然語言雖然比較容易掌握，但也存在明顯缺點(diǎn)。例如，當(dāng)算法中分支操作較多時(shí)，使用自然語言很難將其清晰地表示出來。于是引導(dǎo)學(xué)生思考：可不可以用更加直觀、形象的算法描述形式呢？

2.分析玩家“贏”的情況，繪制流程圖

自然語言把游戲的執(zhí)行過程描述得很清楚，但是分支太多，容易讓人迷惑。這時(shí)候我們就想到了算法的第二種表現(xiàn)形式——流程圖。流程圖描述算法相比于自然語言更直觀、形象，思路清晰，容易理解，特別是結(jié)果存在多種情況時(shí)。

【教學(xué)片段3】

師：我們利用自然語言描述了游戲的執(zhí)行過程，但是并沒有說清楚什么情況下自己能贏，有哪位同學(xué)愿意分享一下自己在什么情況下戰(zhàn)勝電腦？

生：我出“剪刀”，電腦出“布”，結(jié)果是玩家贏。

師：其他同學(xué)還有贏的嗎？現(xiàn)在請(qǐng)各小組把玩家能贏的情況列出來：

師：從表中我們可以看到共有三種情況。大家能不能試著在紙上畫出流程圖？請(qǐng)利用幾分鐘時(shí)間，小組討論并繪制。

通過流程圖（圖1）可以很直觀地看到需要判斷的情況很多。上節(jié)課學(xué)習(xí)的雙分支語句無法實(shí)現(xiàn)，于是引出新課——多分支語句if……elif……else。

通過流程圖的繪制，學(xué)生對(duì)“剪刀石頭布”游戲的執(zhí)行過程有了更清晰的認(rèn)識(shí)，能更好地從流程圖轉(zhuǎn)換到程序的編寫。從游戲體驗(yàn)、分析問題、設(shè)計(jì)算法再到編寫程序，這是一個(gè)思維訓(xùn)練的過程，是從結(jié)構(gòu)化思維到邏輯思維的提升。

（四）項(xiàng)目支持

用流程圖描述算法雖然清晰簡(jiǎn)潔，但是所占篇幅較大，于是想到了計(jì)算機(jī)編程。對(duì)于猜拳項(xiàng)目，學(xué)生目前掌握的python編程知識(shí)與技能是很難實(shí)現(xiàn)的。

1.如何讓電腦隨機(jī)出牌

使用隨機(jī)函數(shù)，引入random，可以幫助我們隨機(jī)從列表中選出一個(gè)。教師演示代碼并簡(jiǎn)單解釋，學(xué)生運(yùn)行測(cè)試，觀察效果。代碼如下：

import random

a=random.choice（[\"剪刀\"，\"石頭\"，\"布\"]）

b=input（\"玩家出牌：\"）

print（\"電腦\"，a，\"玩家\"，b）

2.python中如何編寫分支結(jié)構(gòu)

按照我們?cè)O(shè)計(jì)的算法，下面該進(jìn)行判斷。先做一個(gè)簡(jiǎn)單判斷：電腦出“布”，玩家輸入，如果相同則輸出“平局”，如果不同則是其他情況，從而說明分支結(jié)構(gòu)是單分支和雙分支。學(xué)生嘗試編寫，運(yùn)行并察看效果。

if a==b：

print（\"平局\"）

else：

print（\"其他情況\"）

從代碼來看，單分支或者多分支只能判斷平局情況，其他情況怎么辦呢？根據(jù)我們的算法設(shè)計(jì)，需要判斷三種情況，這就需要用到多分支結(jié)構(gòu)。多分支結(jié)構(gòu)這部分內(nèi)容需要教師在黑板上畫算法并進(jìn)行描述。

（五）項(xiàng)目實(shí)施

學(xué)生自己構(gòu)思算法、編寫程序，并完成編程與調(diào)試，程序的寫法可能不同。老師加強(qiáng)巡視指導(dǎo)。針對(duì)學(xué)生出現(xiàn)的問題，如運(yùn)行結(jié)果顯示錯(cuò)誤，學(xué)生先自查，經(jīng)過一番思考討論無果后，師生再共同解決。

學(xué)生在探究的過程中會(huì)遇到哪些問題？經(jīng)過討論和歸納，問題如下：怎么輸出結(jié)果？玩家出“剪刀”“石頭”或者“布”怎么表示？

解決“怎么輸出結(jié)果”這個(gè)問題，需要教師引導(dǎo)學(xué)生回顧輸出函數(shù)print（）的用法，提醒學(xué)生對(duì)于原樣輸出的，需要用英文狀態(tài)下的雙引號(hào)。如：輸出平局print（\"平局\"）。

解決“玩家出‘剪刀’‘石頭’或者‘布’怎么表示”這一問題，需要教師引導(dǎo)學(xué)生回顧賦值語句的用法，比如a=“剪刀”就是把字符串“剪刀”放在了變量a當(dāng)中，通俗來說就代表電腦隨機(jī)出的是“剪刀”。

當(dāng)然，學(xué)生編寫程序時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生語法錯(cuò)誤、中英文混合輸入等方面的基礎(chǔ)問題，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，教師來不及一一指導(dǎo)。因此在課堂中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生自主在網(wǎng)上查閱資料。

學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目分析和項(xiàng)目支持，設(shè)計(jì)算法、編寫程序、調(diào)試運(yùn)行。代碼如下：

import random

a=random.choice（[\"剪刀\"，\"石頭\"，\"布\"]）

b=input（\"玩家出牌：\"）

print（\"電腦\"，a，\"玩家\"，b）

if a==b：

print（\"平局\"）

elif a==\"布\" and b==\"剪刀\"：

print（\"贏了\"）

elif a==\"剪刀\" and b==\"石頭\"：

print（\"贏了\"）

elif a==\"石頭\" and b==\"布\"：

print（\"贏了\"）

else：

print（\"輸了\"）

從計(jì)算思維的培養(yǎng)角度來看，學(xué)生不僅要能編寫程序，還要知道這個(gè)程序運(yùn)用了哪些知識(shí)和技能、如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決生活中的問題，以便未來可以運(yùn)用類似的過程與方法解決類似的問題。因此，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考與探索：python程序解決問題的過程是怎樣的？這個(gè)能不能進(jìn)一步優(yōu)化程序？……通過學(xué)生小組討論、師生探討，總結(jié)歸納和提煉，提出程序優(yōu)化方案。

（六）項(xiàng)目?jī)?yōu)化

引導(dǎo)學(xué)生通過知識(shí)整合，使用前面章節(jié)學(xué)習(xí)的邏輯運(yùn)算符來組合條件，讓代碼更簡(jiǎn)潔。經(jīng)過學(xué)生的不斷試錯(cuò)、反復(fù)修改，最終程序代碼如下：

import random

a=random.choice（[\"剪刀\"，\"石頭\"，\"布\"]）

b=input（\"玩家出牌：\"）

print（\"電腦\"，a，\"玩家\"，b）

if a==b：

print（\"平局\"）

elif a==\"布\" and b==\"剪刀\"or a==\"剪刀\" and b==\"石頭\" or a==\"石頭\" and b==\"布\"：

print（\"贏了\"）

else：

print（\"輸了\"）

代碼運(yùn)行成功，未必是最優(yōu)的算法。為提高算法效率，需優(yōu)化算法的過程，這不僅考驗(yàn)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，還考驗(yàn)學(xué)生算法思維的嚴(yán)謹(jǐn)性。學(xué)生在不斷優(yōu)化算法方案的過程中碰撞出思維的火花，有助于培養(yǎng)良好的思維習(xí)慣，提升計(jì)算思維。

（七）項(xiàng)目遷移

從“剪刀石頭布”項(xiàng)目遷移到“健康指數(shù)計(jì)數(shù)器”，在兩者的對(duì)比體驗(yàn)過程中，學(xué)生計(jì)算思維得以升華。因此，教師在原有項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，可以對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣古c延伸。

健康指數(shù)計(jì)算器：編寫一個(gè)BMI計(jì)算器程序，用戶輸入BMI值，程序自動(dòng)給出“偏瘦”“正?！薄斑^重”“肥胖”的提示。

注：BMI指數(shù)=體重（kg）/身高（m）2

結(jié)語

計(jì)算思維不單單是解決算術(shù)問題，也不是單一的代碼講解、語法運(yùn)用，而是過程性的程序體驗(yàn)。在面向計(jì)算思維培養(yǎng)的python程序設(shè)計(jì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，教師從計(jì)算思維的視角出發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，通過“情景體驗(yàn)—項(xiàng)目分析及算法設(shè)計(jì)—項(xiàng)目支持—項(xiàng)目實(shí)施—項(xiàng)目?jī)?yōu)化—項(xiàng)目遷移”這一過程將計(jì)算思維這一核心素養(yǎng)滲透、融入項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)，推進(jìn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)的有效實(shí)施，最終使學(xué)生的能力在思維的訓(xùn)練下得以提升。

參考文獻(xiàn)：

［1］王艷鳳，陶凌梅.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的探索與思考[J].湖北開放職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，36（2）：151-153.

［2］樊蒙蒙.面向計(jì)算思維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)項(xiàng)目教學(xué)模式的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)，2019.

［3］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

［4］劉付燕.面向計(jì)算思維培養(yǎng)的python程序項(xiàng)目設(shè)計(jì)策略——以“石頭、剪刀、布”游戲的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為例[J].中國(guó)教育技術(shù)教育，2022（17）：47-49.

［5］邵紅祥.面向計(jì)算思維的高中信息技術(shù)項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐研究[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2022（10）：49-51.

責(zé)任編輯：黃大燦