程序設(shè)計教學(xué)中培養(yǎng)中學(xué)生計算思維的實踐與思考

梁健

摘 要：近年來，隨著對中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科目標(biāo)和價值的討論逐步深入，越來越多教師、學(xué)者認(rèn)為，在中小學(xué)信息技術(shù)課程中，應(yīng)普及計算思維能力的培養(yǎng)。計算思維的本質(zhì)在于抽象，既將實際問題，以清晰的方式進行描述，因而，程序設(shè)計的學(xué)習(xí)，無疑最能體現(xiàn)計算機學(xué)科的思維方式。該文針對中學(xué)生計算思維培養(yǎng)的教學(xué)實踐，從程序設(shè)計與計算思維的關(guān)系出發(fā)，如何從程序設(shè)計的內(nèi)容編排、教學(xué)目標(biāo)及評價中體現(xiàn)計算思維的核心價值等方面進行了分析與闡述。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計 計算思維 算法 問題求解

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0175-02

在中學(xué)信息技術(shù)課程中，程序設(shè)計是重要的教學(xué)內(nèi)容之一。教育部制訂的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》中把“算法與程序設(shè)計”作為獨立的選修模塊，而初中階段現(xiàn)在雖然還沒有國家層面的課程標(biāo)準(zhǔn)，但不少省市、地區(qū)的初中教材也納入了程序設(shè)計的內(nèi)容，例如廣州市教材有VB程序設(shè)計。它們都是從提高學(xué)生信息素養(yǎng)的角度出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，以及嚴(yán)謹(jǐn)、全面的思維習(xí)慣。

2004年實施的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》提出要提高學(xué)生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生使用信息技術(shù)解決問題的能力[1]。該觀點的提出，指明了中小學(xué)信息技術(shù)的教學(xué)的方向。而現(xiàn)今大數(shù)據(jù)、云計算、智能便攜設(shè)備等新興技術(shù)的發(fā)展，令人與信息技術(shù)工具的關(guān)系更加密切、和諧，信息的加工、處理也更方便簡單，對以提高信息素養(yǎng)為基本目標(biāo)的中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)帶來了新發(fā)展機遇和要求。

1 程序設(shè)計與計算思維

程序設(shè)計是計算機科學(xué)的靈魂，正是由程序設(shè)計語言編寫的各種軟件，賦予了計算機協(xié)助人類解決問題的能力。馮·諾依曼提出的體系結(jié)構(gòu)和“儲存程序”思想，一直影響至今。無論計算機硬件的發(fā)展如何改變，它們都是使用預(yù)先設(shè)計好的程序解決特定的問題。縱觀整個計算機科學(xué)發(fā)展的歷史，每一種新技術(shù)、新思維的誕生，幾乎都伴隨著程序設(shè)計語言的發(fā)展創(chuàng)新。例如在二十世紀(jì)九十年代，為解決電視機、鬧鐘、電話等家用電器出現(xiàn)而帶來的控制和通訊問題，誕生了Oak語言；而隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，Sun公司改造了Oak，誕生了JAVA；貝爾實驗室的Denis Ritchie改善了專為編寫系統(tǒng)軟件而設(shè)的B語言，使之可以直接生成機器代碼，并改名為C語言；為了適應(yīng)“云計算”時代的新要求，蘋果公司發(fā)布了用于IOS和OS X編程swift語言……[2]。

上述的例子可以看出：每一種程序語言的發(fā)展，都是計算機科學(xué)家們在不同時代背景，從不同的應(yīng)用角度下思考得出的結(jié)果。但即使如此，程序設(shè)計的核心還是算法的設(shè)計，而基礎(chǔ)的算法，仍然離不開枚舉、遞歸和分治；程序的實現(xiàn)，離不開把數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為計算機模型。因此，為了解計算機科學(xué)，需要先了解計算機科學(xué)家們的思考方式，因此也需要重視程序設(shè)計的學(xué)習(xí)。

為回答計算機科學(xué)知識與人類的關(guān)系，2006年3月，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真教授率先給出并定義了“計算思維”（Computational Thinking）的概念。她認(rèn)為：計算思維是思維過程參與制定問題，并給出它的解決方案，在一臺電腦上以人或機器的方式就可有效地開展。簡單地說，計算思維能力就是像一個計算機科學(xué)家一樣思考的思維能力。計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化，其實質(zhì)是“能行、構(gòu)造、模擬”[3]，即是通過概括抽象問題、建立問題模型、設(shè)計算法解決問題的過程。而計算思維的關(guān)鍵，就是通過用計算機模擬現(xiàn)實世界，幫助解決人類問題[4]。

理論思維、實驗思維和計算思維是作為科學(xué)思維的方式，共同構(gòu)成了人類的三大思維。計算思維作不一種早已存在的思維活動，它的出現(xiàn)并不能簡單地認(rèn)為是一種新的發(fā)明，而是，是每一名普通人應(yīng)該具備的一種技能。因而，在中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中，可以說計算思維是無處不在。在中學(xué)信息技術(shù)課程中明確地提出“計算思維”，關(guān)鍵是要學(xué)生將無意識的計算思維變成有意識的計算思維，主動地用計算思維去解決問題，應(yīng)用在各自的專業(yè)中。同時，還可以讓更多的中學(xué)生能夠主動地、習(xí)慣地找到利用計算機解決問題的辦法，并且形成主動使用計算機解決問題的思維能力。因此，計算思維除了能解答現(xiàn)時信息技術(shù)課程的困惑外，還對課程的內(nèi)涵，學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)提出了更深刻的要求。我們也需要認(rèn)識到，計算思維與算法思維是有區(qū)別的。計算思維應(yīng)該成為中學(xué)生具備的基本能力，因為在可以預(yù)見的未來，更多的創(chuàng)新、更多的生活上變革都會來自于計算思維，計算思維將成為青年人立足社會、生存與發(fā)展的重要能力。而算法思維只是計算思維的一種，掌握計算思維不應(yīng)只學(xué)習(xí)編程，還要學(xué)習(xí)在多個層次的抽象思維[5]，但是學(xué)生可以透過學(xué)習(xí)編程較好地理解和掌握計算思維。

2 以計算思維為核心的程序設(shè)計教學(xué)

2.1 教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

為達(dá)成總體的教學(xué)目標(biāo)，程序設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容需要得到擴充。在初中階段，學(xué)生應(yīng)該能理解程序設(shè)計的基本思想、基本方法和程序設(shè)計三種基本結(jié)構(gòu)，了解一維數(shù)組的使用及枚舉算法的作用。高中階段，結(jié)合《數(shù)學(xué)》課本中《算法初步》的內(nèi)容，學(xué)生應(yīng)在理解流程圖的基礎(chǔ)上，寫出輾轉(zhuǎn)相除、冒泡排序、直接排序、進制轉(zhuǎn)換等相對抽象的程序代碼，具備在一定編程環(huán)境中調(diào)試程序的能力。在學(xué)習(xí)選修模塊方面，學(xué)生應(yīng)能了解子程序的作用、了解遞歸的概念和使用方法。對于力所能及的學(xué)生，應(yīng)能編寫更多的能模擬實際問題的程序代碼。

在教學(xué)內(nèi)容的編排上，應(yīng)該拋棄以往以知識點為主線編排內(nèi)容的辦法，而是以一個個互相聯(lián)系又可以獨立的問題序列，引導(dǎo)學(xué)生分析、模擬、解決問題。下面以“小明的網(wǎng)店”為線索為例說明。

項目一：初開網(wǎng)店。

問題概括：小明為幫助家鄉(xiāng)的果農(nóng)打開銷路，在網(wǎng)上開啟了一間網(wǎng)店；項目要求：假定網(wǎng)站暫時只賣一種水果，設(shè)定水果的單價，及每筆運費，根據(jù)購買者輸入的數(shù)量計算出每筆購買的費用。教師引導(dǎo)學(xué)生把水果的價格、數(shù)量、運費、總價抽象成變量數(shù)據(jù)；使用輸入輸出語句及表達(dá)式處理相關(guān)信息（變量數(shù)據(jù)）；最后引導(dǎo)學(xué)生理解變量、輸入輸出及表達(dá)式的概念。

項目二：遭遇競爭。

問題概括：同類型的網(wǎng)店，向消費者做出買滿150元打九折和買滿100元免運費的促銷活動。從這個項目開始，要求學(xué)生分小組根據(jù)自己過往的經(jīng)驗，提出應(yīng)對的辦法。這種情況下學(xué)生通常提出這樣的方法：（1）做出同樣的促銷活動；（2）為避免惡性競爭，應(yīng)該在不虧本的情況下，進行價格競爭。教師由此引導(dǎo)學(xué)生找出項目二與項目一的區(qū)別，建立分支結(jié)構(gòu)模型，讓學(xué)生觀察流程圖，比較輸入輸出的數(shù)據(jù)，理解邏輯表達(dá)式的作用；使用分支語句及邏輯表達(dá)式處理相關(guān)信息，加深對程序邏輯思維的理解。

項目三：籌劃未來。

問題概括：經(jīng)歷一次價格競爭，網(wǎng)店堅持下來，小明需要為網(wǎng)店的未來發(fā)展籌劃；經(jīng)過學(xué)生小組討論，學(xué)生大概會提出增加銷售種類、控制成本、廣告宣傳等方法。教師應(yīng)鼓勵學(xué)生的各種想法，并把一些簡單可行的想法設(shè)計成計算機可以執(zhí)行的程序，例如控制成本和廣告宣傳的方法。我們可以給予學(xué)生各種成本的數(shù)據(jù)，包括人員平均薪酬，每月水、電費，水果的成本，一次性投資（購買電腦和網(wǎng)店保證金）等等；也可以給出水果售價和手機平臺推送消息對銷售情況影響的數(shù)據(jù)，例如按月計算售價每降低10%，就會提高15%的銷售額，每月使用成本的10%做微信推送費，可以提高12%的銷售額等等。然后引導(dǎo)學(xué)生從這些問題中，提取出（抽象）出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，形成變量、表達(dá)式和運算結(jié)構(gòu)，先是要求學(xué)生計算最低售價和回本時間，制作一個計算水果最低售價的軟件及有關(guān)宣傳及利潤關(guān)系的計算程序，并生成可執(zhí)行文件，代替人工計算。在這個項目中，開始體現(xiàn)計算對現(xiàn)代生活的重要性，重點是讓學(xué)生開始完整地體會使用計算思維的全過程，即“能行—抽象—模擬—設(shè)計—自動化”的過程，并且了解在信息時代，數(shù)據(jù)和信息也是重要的資產(chǎn)和財富。

項目四：挖掘信息；問題概括：網(wǎng)店已經(jīng)運營了一年，掌握了大量信息，例如客戶的購買情況，“粉絲”的數(shù)量，好評率等等。我們應(yīng)該如何運用這些信息？仍然要求學(xué)生先自行尋找方案，引導(dǎo)學(xué)生把一些可行的想法設(shè)計成計算機可以執(zhí)行的程序。例如：（1）分析每天的購買情況，得出每個時段的購買情況，從而安排“店小二”的上班時間；（2）遍歷一遍所有“粉絲”，找出“大客戶”，安排人員跟蹤服務(wù)；（3）根據(jù)四個季節(jié)種類水果的銷售情況和倉庫容量，設(shè)計出可行的每種水果的最小庫存量和最大庫存量；（4）根據(jù)“粉絲”數(shù)量和銷售情況，計算出每產(chǎn)生一位“粉絲”所需的成本，和“粉絲”每日的購買率，定出未來發(fā)展藍(lán)圖。繼續(xù)從“能行—抽象—模擬—設(shè)計—自動化”的過程引導(dǎo)學(xué)生解決這些問題，從而讓學(xué)生學(xué)習(xí)循環(huán)結(jié)構(gòu)、枚舉法、輾轉(zhuǎn)相除法（最大公約數(shù)、最小公倍數(shù)）的使用。項目四的重點是引導(dǎo)學(xué)生體會通過計算思維加工信息，可以創(chuàng)造出新的價值。

以上的每一個項目都是較為開放的主題內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)老師的引導(dǎo)，把問題模型抽象成算法描述，然后形成程序達(dá)到自動化，通過計算思維體會從“具體—抽象—具體”的過程[6]，深切體會到計算機學(xué)科獨特的思維對社會生產(chǎn)帶來不可替代的貢獻(xiàn)。

2.2 教學(xué)方式的調(diào)整

以皮亞杰為代表的心理學(xué)家認(rèn)為：思維是不可直接教的[7]，而需要在生活中領(lǐng)悟和積累。而計算思維則是解決問題的思維方法，信息處理的過程即利用計算機特點求解問題的過程[8]。

由此可見，以編程為載體的計算思維教學(xué)不應(yīng)再著重傳授知識點和處理信息的方法，而應(yīng)以問題為引導(dǎo)展開教學(xué)線索，并以問題的解決最終目的，讓學(xué)生多參與實踐活動，通過判斷和推理找到有效的思維方法，從而理解計算機學(xué)科獨特的思維方式，理解計算思維對信息時代科技革新的推動作用，形成學(xué)習(xí)計算機科學(xué)創(chuàng)造美好生活的愿望。

2.3 教學(xué)實踐的反思

程序設(shè)計的必經(jīng)階段包含調(diào)試編譯。而計算思維中也有使用容錯、糾錯的方式幫助保護系統(tǒng)和編譯，它們都有從時間、空間的消耗考慮，提出更高效算法的要求，其目標(biāo)都是使解決方案或程序以螺旋上升的狀態(tài)不斷完善。同樣地，以計算思維為核心的程序設(shè)計教學(xué)也需要呈現(xiàn)這種過程，只是對象變成了教學(xué)的主體——學(xué)生。及時地反饋和評價可以幫助我們實現(xiàn)這個過程。評價可以在教學(xué)的各個階段發(fā)生，評價的實施者可以是老師，也可以是小組；可以是量性客觀評價（例如程序的時間、空間復(fù)雜度），也可以是主觀評價（例如是代碼的易讀性、創(chuàng)造性和友好的界面等等）。這些評價都在促進螺旋上升的過程，幫助學(xué)生在良好的科學(xué)探索氣氛下得到更全面的發(fā)展。

調(diào)整后的學(xué)習(xí)內(nèi)容是由幾個開放的結(jié)構(gòu)單元組成，學(xué)生除了學(xué)習(xí)程序設(shè)計知識外，也要從中形成解決方案。他們可以使用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法，編寫不同的程序代碼；也可以從不同的角度，用不同的觀點形成解決方案。教師要鼓勵學(xué)生們存在不同的認(rèn)知，不同的觀點，鼓勵思維的多樣性[9]。

3 結(jié)語

雖然學(xué)習(xí)程序設(shè)計不是培養(yǎng)計算思維的唯一途徑，但是作為計算機科學(xué)最本源的一門課程，它的諸多理念、思維和算法仍然是現(xiàn)代科技發(fā)展的基礎(chǔ)，并沒有隨著時代發(fā)展而被拋棄。中學(xué)生可以在學(xué)習(xí)程序設(shè)計的過程中，理解計算思維的本質(zhì)和內(nèi)涵，為終身發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

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