高中化學課程中融入計算思維的編程教學策略

計算思維是指個體運用計算機科學領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計等思維活動，在信息技術(shù)日新月異的當下，計算思維已成為每位社會成員不可或缺的基本素養(yǎng)。它作為一種針對問題解決、系統(tǒng)分析與設(shè)計的思維方式，正日益凸顯其作為關(guān)鍵學科能力的重要性。編程教學不僅在提升問題解決能力方面有獨特價值，還能培養(yǎng)邏輯思維和激發(fā)創(chuàng)新精神。教育部已將計算思維列為高中信息技術(shù)學科的核心素養(yǎng)之一，STEM教育中也存在“計算思維\"的重要分支，且多個國家將“計算思維\"的培養(yǎng)提升到戰(zhàn)略高度并加入教育體系中。

化學作為一門融合理論與實踐的學科，要求學生掌握一定的分析技巧、邏輯推理及問題解決能力。高中化學課程作為理論與實踐相結(jié)合的學科，對學生分析、推理和解決問題的能力有較高要求。傳統(tǒng)的中學化學教學主要側(cè)重于學生化學理論的學習和實驗操作的訓練，但很少將計算思維的元素融人其中。隨著信息技術(shù)的不斷進步，將計算思維融入高中化學課程的編程教學中，對于提升學生的學科能力具有重要意義。

一、高中化學教學過程中融入計算思維的編程教學內(nèi)涵

2006年美國科學家周以真教授對計算思維做出界定，并強調(diào)每個人都應掌握計算思維能力。她指出，計算思維的核心要素包含定義抽象、處理多層抽象、理解不同層的關(guān)系，形成層之間良好的接口。

計算思維，作為一種源自計算機科學的方法論，它通過抽象、建模、算法和自動化的手段，為我們提供了解決實際問題的全新視角。總的來說，我們可以從以下四個維度來深入理解計算思維的內(nèi)涵：首先，抽象是將復雜問題簡化，從中提取關(guān)鍵信息，形成可操作的問題模型；其次，建模是基于問題模型，設(shè)計出合適的算法和程序；再次，算法是解決問題的橋梁，將人的設(shè)計理念轉(zhuǎn)化為計算機可執(zhí)行的程序；最終，自動化則是利用這些程序，自動地解決既定問題。

與此相對應的，編程教學的內(nèi)涵則是在教學過程中，培養(yǎng)學生掌握計算機編程語言，以及運用計算思維解決實際問題的能力。它涵蓋了基本概念的介紹，如計算機編程語言的基本概念和語法；編程方法的教授，包括基本方法和技巧；問題解決，即應用編程技巧來解決實際問題；以及項目實踐，即借助具體的項目來鍛煉學生的編程技能并培養(yǎng)團隊合作與協(xié)商精神。當我們將計算思維融人編程教學，特別是在化學教學過程中，其內(nèi)涵則體現(xiàn)在以下幾個方面：首先是以計算思維為指導設(shè)計化學教學過程，引導學生運用這種方法論分析化學問題，并提出解決方案；其次是以編程教學為載體實現(xiàn)化學知識的創(chuàng)新，將化學知識與計算機技術(shù)相結(jié)合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力；最重要的是讓學生以解決實際問題為導向，著重提升他們的問題解決能力。教師構(gòu)思富有挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的問題，鼓勵學生積極思考并且靈活運用編程技巧來尋找答案。這種教學方式的結(jié)合既為化學教學擴充了一個全新的內(nèi)容維度，又為學生提供了一種富有創(chuàng)新理念的學習途徑，幫助他們更有效地掌握化學學科的知識和能力。

二、高中化學課程中融入計算思維的編程教學實踐價值探析

在當今教育改革的大背景下，將計算思維融入高中化學教學，并通過編程教學實踐，已逐漸顯現(xiàn)出其獨特的教育價值。

首先，將計算思維融人編程教學，這種創(chuàng)新的教學策略能夠增強學生的計算思維能力，并以此為基礎(chǔ)激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。教師通過挖掘化學教材中的計算思維元素，并將其與編程教學相結(jié)合，使學生能夠在學習化學知識的同時，掌握計算思維的基本方法。構(gòu)建富有挑戰(zhàn)性的情境問題，鼓勵學生運用計算思維攻克化學難題，這一過程既強化了他們的邏輯思維能力，又促進了問題解決能力的提升。

其次，多樣化的教學活動設(shè)計，如組織團隊項自、編程競賽等，有助于培養(yǎng)學生的編程能力和團隊協(xié)作精神。學生在實踐中提升自身技能，同時引入現(xiàn)代教育技術(shù)，如在線編程平臺和虛擬實驗室，進一步豐富了教學手段，提高了教學效果。這些技術(shù)的應用，為學生提供了一個直觀、互動的學習環(huán)境，使他們在更為動態(tài)和情境化的環(huán)境中掌握知識。

具體而言，融入計算思維的編程教學在高中化學課程中的實踐價值體現(xiàn)在以下兩個方面：

一是提升學生的計算思維能力與創(chuàng)新能力：通過編程教學，學生能夠?qū)W習到如Python等編程語言，掌握數(shù)據(jù)處理函數(shù)和化學模型構(gòu)建算法，熟練運用化學實驗數(shù)據(jù)采集與分析軟件。例如，在探究化學反應速率影響因素的實驗中，學生可以編寫程序來精準控制實驗條件，并實時處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，繪制動態(tài)的反應速率變化曲線。這些實踐不僅為學生深入學習化學專業(yè)知識打下堅實基礎(chǔ)，也為他們未來在化學相關(guān)研究領(lǐng)域的職業(yè)生涯和學術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

二是促進信息技術(shù)與化學教育的融合，推動教育改革：計算思維的編程教學推動了信息技術(shù)的廣泛應用，加速了化學教育的現(xiàn)代化進程。它拓展了化學教學的內(nèi)涵，豐富了教學內(nèi)容，使之更加符合時代發(fā)展和學生需求。這種教學模式的推行，不僅顯著提升了課堂的教學質(zhì)量，還為學生的全面發(fā)展增添了新的活力。

三、融入計算思維的編程教學策略

（一）挖掘化學課程蘊含計算思維的編程教學內(nèi)容高中化學課程不僅涵蓋了基礎(chǔ)的元素化合物知識，還涉及化學反應原理、有機化學基礎(chǔ)以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等復雜模塊，這些內(nèi)容中蘊含著豐富的計算思維編程教學素材。

例如，在元素化合物模塊，我們可以探索與計算思維相結(jié)合的編程教學內(nèi)容，如離子導電性實驗、鐵元素檢驗和氯水成分分析等。通過運用Python等編程語言編寫程序，學生能夠?qū)崿F(xiàn)對濁度傳感器、顏色傳感器和壓強傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。結(jié)合樹莓派Pico微處理器進行數(shù)據(jù)處理和顯示，可以為學生提供準確的數(shù)據(jù)支持，增強實驗的準確性和可靠性。在化學反應原理模塊，計算思維的編程教學能夠模擬化學反應過程，使學生直觀地觀察反應物濃度、溫度和壓力等因素對反應速率和平衡狀態(tài)的影響。學生可以通過編程控制實驗變量，收集和分析數(shù)據(jù)，從而更加深入地理解化學反應的內(nèi)在機制。在有機化學基礎(chǔ)模塊中，編程教學可以幫助構(gòu)建有機分子的三維模型，輔助學生理解分子的空間結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。利用編程技術(shù)，學生能夠可視化地實現(xiàn)分子的旋轉(zhuǎn)與縮放操作，從多角度審視分子的結(jié)構(gòu)特性。此外，編程還能夠用于計算有機分子的化學鍵長、鍵角等關(guān)鍵參數(shù)，加深學生對有機分子結(jié)構(gòu)的認識。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊，計算思維的編程教學能夠模擬原子和分子的電子云分布，幫助學生理解原子軌道、分子軌道等抽象概念。學生可以通過編程控制電子的運動軌跡，觀察電子云的動態(tài)變化，進而更深入地把握物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系。

(二)創(chuàng)設(shè)有利于融入計算思維的編程教學問題情境

1.通過化學史實創(chuàng)設(shè)教學情境

青少年對于融合到教學內(nèi)容中的科學史實、趣味故事、人物傳記以及富有啟發(fā)性的格言等內(nèi)容格外喜聞樂見。課堂上，引入一個打動學生的故事或一段引人人勝的傳說，能夠讓學生迅速進入學習狀態(tài)，注意力聚焦到課程所構(gòu)建的問題情境中。例如，在學習原電池時，可以通過介紹伏打電堆的設(shè)計化學史實導人課堂教學，介紹時和現(xiàn)代編程語言邏輯做對比，幫助學生建立原電池模型。原電池由正負電極、電解質(zhì)溶液和連通電路等組成。各模塊的精準分工與協(xié)同，與python里用函數(shù)、類實現(xiàn)功能整合十分相似。引導學生分析原電池工作原理時，把工作原理模塊化，探討各個模塊的功能及如何進行整合，而后建立起完整的原電池模型，在這個過程中能激發(fā)學生的學習興趣，并提高編程能力。

2.利用實驗活動創(chuàng)設(shè)問題情境

化學實驗是化學教學的重要組成部分，通過實驗活動可以創(chuàng)設(shè)出豐富的問題情境，引導學生進行自主探究和計算思維的培養(yǎng)。例如，在研究酸堿中和滴定實驗時：

問題1：通過觀察溶液顏色變化便知道酸堿發(fā)生了中和反應，那么如何確定恰好完全反應時酸和堿的用量關(guān)系呢？

問題2：開始時氫氧化鈉溶液的體積是 濃度是 ，要恰好中和它，需要加入濃度為 的稀鹽酸多少毫升呢（引導學生根據(jù)化學方程式中酸堿的化學計量數(shù)關(guān)系進行計算）？

問題3：當反應恰好完成時，溶液的pH值接近 7，那如何通過pH的測定準確判斷中性狀態(tài)呢？

針對上述問題，可以引導學生將復雜程序拆分為輸入、處理、輸出等獨立模塊，分模塊進行研討、改進和創(chuàng)新設(shè)計。如試劑準備使用自動校準、滴定過程用循環(huán)結(jié)構(gòu)進行滴定控制、終點現(xiàn)象使用 傳感器或電導率傳感器等進行標定，培養(yǎng)現(xiàn)代數(shù)字化實驗的創(chuàng)新意識與編程能力。

3.結(jié)合生活實際創(chuàng)設(shè)問題情境

化學與我們的日常生活息息相關(guān)，通過結(jié)合生活實例構(gòu)建化學問題情境，能夠讓學生親身體會到化學在實際問題中的應用價值以及在生活中的趣味性，從而激發(fā)學生的學習熱情并培養(yǎng)計算思維。例如，在面包制作的過程中產(chǎn)生的化學反應就是一個生動的例子。我們可用編程語言設(shè)計代碼分析面包發(fā)酵過程中 生成速率，通過建立時間序列模型，預測最佳發(fā)酵時間，結(jié)合傳感器實時監(jiān)測溫度與濕度，探討其中包含的化學反應，從而建立 分解的溫度一速率模型，從而體會編程思維融入化學與生活中帶來的改變，培養(yǎng)科學探究精神。

(三)設(shè)計有利于融入計算思維的編程教學活動

1.開展小組合作探究活動

在新課程標準的引領(lǐng)下，學生的主體地位日益得到凸顯。小組合作探究能促進編程教學助力學生計算思維能力的全面發(fā)展。例如，在“硫的氧化物”的教學中，可以設(shè)計各傳感器的數(shù)字實驗進行分組探究。

第一組探究二氧化硫還原性。設(shè)計實驗將二氧化硫通入溴水，記錄溶液褪色時間，使用顏色傳感器記錄溶液顏色數(shù)值，使用編程語言繪制顏色一時間動態(tài)曲線圖。

第二組探究二氧化硫酸性氧化物性質(zhì)。把二氧化硫通入氫氧化鈉溶液中，使用pH傳感器和電導率傳感器測pH值變化及溶液濃度變化并繪制成圖像。通過相關(guān)數(shù)據(jù)及化學方程式，算出二氧化硫與氫氧化鈉反應量。

通過融入計算思維的編程教學活動，助力學生掌握知識與計算方法，提升化學學習與研究能力，體會編程與化學學習的關(guān)鍵意義。

2.組織實驗教學活動

基于計算思維培養(yǎng)的編程實驗教學模式，通過探究實驗建立解決問題的方案模型，讓學生在實驗探究的每一步中都能獲得即時的反饋，從而不斷優(yōu)化和完善他們的實驗方案。這一過程強調(diào)教師對學生計算思維能力的培養(yǎng)。例如，利用樹莓派Pico微處理器替代傳統(tǒng)計算機系統(tǒng)進行系列實驗。當樹莓派Pico連接氣壓傳感器與OLED顯示屏，使用Python編程語言編寫數(shù)據(jù)采集與顯示程序，可以實時捕捉氣壓變化并將數(shù)據(jù)精準呈現(xiàn)在顯示屏上，進行吸氧腐蝕的探究；如連接色度傳感器，學生能夠?qū)崟r監(jiān)測溶液顏色數(shù)值變化，定量分析平衡移動等等。在高中化學教學中，可以利用編程實驗教學模式，從不同的角度提出問題解決的思路和方法，使學生在創(chuàng)設(shè)的問題情境中解決問題。

在高中化學課程中引入計算思維的編程教學研究具有深刻意義。在策略方面，通過完成高中各模塊案例實踐，依據(jù)模塊特征，挖掘化學課程蘊含計算思維的編程教學內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)推動計算思維整合的問題情境，規(guī)劃有益于計算思維能力培養(yǎng)的教學活動，包括開展自主合作探究活動、解決實際化學問題活動、進行編程實驗教學活動等，培養(yǎng)學生的計算思維能力。

隨著信息技術(shù)的不斷進步和教育觀念的革新，高中化學課程中整合計算思維的編程教學展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。這將促使我們深人探索高效的教學策略與方法，全面提升學生的創(chuàng)新力與綜合素養(yǎng)，為學生的未來發(fā)展打下牢固的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[2]季艷峰.高中生化學計算思維培養(yǎng)途徑探討[J].新智慧，2020(11)：221.

責任編輯：黃大燦