基于高中信息技術(shù)課程的計(jì)算思維能力培養(yǎng)研究

武小龍 張?zhí)祉? 武國(guó)偉

摘要：計(jì)算思維作為一種新的學(xué)科思維方式受到了國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)界的廣泛關(guān)注。培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力是高中信息技術(shù)課程的重要組成部分，本文在高中算法與程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)活動(dòng)中引入計(jì)算思維的理念，從課堂實(shí)踐方面探討了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的結(jié)合點(diǎn)和教學(xué)方法，為計(jì)算思維背景下的教學(xué)模式提供了參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；學(xué)科思維；信息技術(shù)課程

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2016）02-0038-04

高中信息技術(shù)課程以提高學(xué)生的信息素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生全面而富有個(gè)性的發(fā)展為基本目標(biāo)，在促進(jìn)學(xué)生掌握信息技術(shù)的基本知識(shí)和操作、加快信息技術(shù)應(yīng)用的普及等方面起了積極的推動(dòng)作用。目前，在高中信息技術(shù)課堂教學(xué)中，教師更加注重的是培養(yǎng)學(xué)生的信息技術(shù)操作能力和信息處理的方法。而信息素養(yǎng)則更強(qiáng)調(diào)使用計(jì)算機(jī)這個(gè)工具本身的能力，計(jì)算思維注重如何能像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考問題，強(qiáng)調(diào)“人的，不是計(jì)算機(jī)的思維”。從學(xué)生的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來看，教師將計(jì)算思維引入到高中信息技術(shù)教育中是十分有意義的。

計(jì)算思維的概念和本質(zhì)

1.計(jì)算思維的概念

美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任周以真指出：計(jì)算思維就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)。[1][2]學(xué)會(huì)計(jì)算思維，是在信息社會(huì)中創(chuàng)新的需要。[3]計(jì)算思維是按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式從最壞情形恢復(fù)的一種思維，計(jì)算思維是與形式化問題及其解決方案相關(guān)的一個(gè)思維過程，其解決問題的表示方式能有效地被信息處理并代理執(zhí)行（如圖1）。

2.計(jì)算思維是高中生信息素養(yǎng)的必要組成部分

培養(yǎng)高中生計(jì)算思維對(duì)提升高中生自我學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)等方面具有重要的推動(dòng)作用。認(rèn)知學(xué)習(xí)理論告訴我們，學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)質(zhì)上是其在頭腦內(nèi)自主構(gòu)造認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程，而計(jì)算思維的培養(yǎng)有助于高中生構(gòu)造認(rèn)知結(jié)構(gòu)，激發(fā)高中生內(nèi)部學(xué)習(xí)動(dòng)力。[4]以往人們都認(rèn)為信息技術(shù)課程只是一門工具性學(xué)科，是學(xué)會(huì)操作Word和PowerPoint等軟件的培訓(xùn)課程，從而導(dǎo)致信息技術(shù)課程出現(xiàn)“只見技術(shù)不見人”的現(xiàn)象。要改變這種狀況，就要將計(jì)算思維作為信息技術(shù)課程的核心培養(yǎng)目標(biāo)，像學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)或英語一樣學(xué)習(xí)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“基礎(chǔ)的回歸”。因此，重新探討算法與程序設(shè)計(jì)在信息技術(shù)課程中的地位與作用，優(yōu)選算法與程序設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容，改善課程的教學(xué)方法，促進(jìn)算法思維在信息技術(shù)課程中以適當(dāng)?shù)男问匠尸F(xiàn)勢(shì)在必行。

高中信息技術(shù)課程中計(jì)算思維能力的培養(yǎng)模式

教師可以采用多種方式來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，傳統(tǒng)的教學(xué)模式會(huì)大大限制學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題的思維能力，而計(jì)算思維則提供了重新審視程序設(shè)計(jì)教學(xué)的視角，將計(jì)算思維融入到程序設(shè)計(jì)教學(xué)中將會(huì)大大提高學(xué)生的思維方式和解決實(shí)際問題的能力。對(duì)程序設(shè)計(jì)課程來說，學(xué)生需要掌握的編程能力是計(jì)算思維和技能化知識(shí)的綜合體現(xiàn)，因此需要強(qiáng)化對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，而計(jì)算思維能力在較大程度上是以思維方式的數(shù)學(xué)化為支撐的（如圖2）。

1.情境教學(xué)、分層教學(xué)

對(duì)于那些比較難理解的概念，在學(xué)生已明確探究目標(biāo)的基礎(chǔ)上，教師可以創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)。以講解約瑟夫算法為例，筆者讓6位學(xué)生站在教室的最前面排成一排并手拉手，說道：“如果從第一位學(xué)生開始數(shù)，數(shù)到第三位時(shí)學(xué)生出列，最后是哪一位出列？”這時(shí)，學(xué)生就開始在心里想了，某某最先出，然后是誰，最后又是誰出列。在這個(gè)過程中，部分學(xué)生參與其中，下面的學(xué)生也會(huì)在心里計(jì)算，這樣，全體學(xué)生都參與進(jìn)來了。接著，筆者提示學(xué)生用鏈表知識(shí)來描述這個(gè)算法，有幾位學(xué)生很快就寫出了代碼。同時(shí)，對(duì)于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，教師可以要求他們用數(shù)組來解決問題，同時(shí)全體觀摩。

2.借助任務(wù)驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)計(jì)算思維

信息技術(shù)教師都有過這樣的體會(huì)，教給學(xué)生一門知識(shí)或技能相對(duì)容易，但教會(huì)他們某種能力或思維卻很難，如面向?qū)ο?、差分與遞歸等。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是一種建立在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)法，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。因此，教學(xué)任務(wù)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。教師需要根據(jù)學(xué)習(xí)主題，創(chuàng)建盡可能真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，以選用科學(xué)研究和工程技術(shù)中的實(shí)際問題為最佳，這樣能使學(xué)生迅速融入教學(xué)情境。例如，在講解循環(huán)語句的時(shí)候，教師如果只是一味講解它的語法怎樣實(shí)現(xiàn)，說它如何重要，有些學(xué)生可能會(huì)覺得很枯燥，有些學(xué)生可能會(huì)越聽越糊涂。這時(shí)，教師可以設(shè)計(jì)一個(gè)很實(shí)用的小程序，如運(yùn)動(dòng)會(huì)成績(jī)計(jì)算程序等，在成績(jī)輸入過程中使用循環(huán)語句，學(xué)生如果覺得它很實(shí)用、很有價(jià)值，自然就會(huì)想學(xué)習(xí)、掌握該知識(shí)點(diǎn)。

3.加大對(duì)實(shí)驗(yàn)程序調(diào)試的指導(dǎo)力度

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重于對(duì)學(xué)生的計(jì)算機(jī)基本技能的訓(xùn)練和綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)，教師可按照基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、拓展實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分層教學(xué)。如果學(xué)生已掌握使用計(jì)算機(jī)解決問題的四個(gè)步驟——分析問題、建立模型、設(shè)計(jì)算法和編寫程序，則可以依據(jù)教學(xué)要求和自身的基礎(chǔ)，選擇必做和選做的實(shí)驗(yàn)。

以VB編程的基本步驟為線索，教師引導(dǎo)學(xué)生通過對(duì)各階段問題的解決，形成循序漸進(jìn)的梯度，組成一個(gè)任務(wù)鏈，使其在“做中學(xué)”“學(xué)中做”的過程中加深對(duì)知識(shí)的理解，并適當(dāng)?shù)貫閷W(xué)生提供拓展性的內(nèi)容，充分挖掘他們的潛力，以便讓學(xué)有余力的學(xué)生有更大的發(fā)展空間。這樣既強(qiáng)調(diào)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)，又能使其在學(xué)習(xí)時(shí)有規(guī)可依，使他們?cè)诔绦蛟O(shè)計(jì)中得到適度的創(chuàng)新體驗(yàn)。

4.錯(cuò)例分析法

學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的掌握需要一個(gè)過程，對(duì)算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的掌握也需要不斷積累。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生往往能聽懂教師授課的內(nèi)容，但自己編寫程序時(shí)卻錯(cuò)誤百出。因此，筆者經(jīng)常將容易出錯(cuò)的概念以反例形式展示給學(xué)生，或者將比較典型的例子展示給學(xué)生，讓他們找出錯(cuò)誤，分析原因，并糾正、調(diào)試直至正確運(yùn)行。在這個(gè)過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生積極參與找錯(cuò)、糾錯(cuò)，明確易錯(cuò)知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生加深印象。

5.創(chuàng)新性地利用翻轉(zhuǎn)課堂

教師在教學(xué)中，利用提前準(zhǔn)備好的視頻、音頻等，讓學(xué)生在課前自學(xué)，課堂上有針對(duì)性地講解內(nèi)容中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。教師利用現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)例講解、類比，通過VB控件對(duì)象的舉證，讓學(xué)生形象地理解面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中的對(duì)象、屬性、方法、事件、類等基本概念與封裝、繼承、多態(tài)性等特征。

關(guān)于遞歸算法教學(xué)的課堂實(shí)踐

筆者以高一信息技術(shù)教材中《算法與程序設(shè)計(jì)》一課中的遞歸算法為例，講解如下。

遞歸算法的基本思想是把規(guī)模較大的、較難解決的問題變成規(guī)模較小的、容易解決的問題，規(guī)模較小的問題又變成規(guī)模更小的問題，當(dāng)問題小到一定程度時(shí)，可以直接得出它的解，從而得到原來問題的解，即采用“大事化小，小事化了”的基本思想。

引入題目：有一群猴子摘了一堆桃子，它們每天都吃當(dāng)前桃子的一半且再多吃一個(gè)，到了第十天只剩下一個(gè)桃子。問猴子共摘了多少個(gè)桃子？

筆者找了十位學(xué)生上來排成一排，十位學(xué)生分別計(jì)算其中一天桃子的個(gè)數(shù)。計(jì)算第十天桃子數(shù)的學(xué)生的答案是一個(gè)，那么他把答案?jìng)鹘o第九位同學(xué)，這位同學(xué)就可以算出第九天桃子的個(gè)數(shù)。公式是（前一同學(xué)的答案+1）×2。接著，他把計(jì)算出的答案?jìng)鹘o第八個(gè)同學(xué)，以此類推……由于每天的桃子數(shù)都等于第二天桃子數(shù)加1的2倍，符合遞歸的條件，故采用遞歸實(shí)現(xiàn)非常方便。首先，定義天數(shù)變量day，如果day=10，據(jù)題意只剩下一個(gè)桃子，即返回1，否則遞歸調(diào)用，即return（digui（day+1）+1）*2，直到day=10結(jié)束；然后，建立輸出函數(shù)Digui（），輸出digui（i）（1=

筆者根據(jù)計(jì)算思維的特點(diǎn)和高效性，啟發(fā)學(xué)生是否可以用計(jì)算思維的遞歸方法解決上述問題。學(xué)生根據(jù)引導(dǎo)，運(yùn)用計(jì)算思維的遞歸方法，逆向思維，從后往前推算。在這里教師引申為：求任意一天猴子所吃的桃子數(shù)及剩下的桃子數(shù)oneday（）。首先，要明確“任意一天”的范圍，定義天數(shù)變量day，并輸入要求的某一天day，if（day>=1&&day<=10），則此時(shí)“任意一天”都有桃子；其次，初始化信息n=10，count=1，即第十天只剩下一個(gè)桃子；然后，用簡(jiǎn)單的while語句即可實(shí)現(xiàn)，循環(huán)條件為n！=day，通過計(jì)算公式count=（count+1）*2同時(shí)n--，循環(huán)執(zhí)行，直到n==day，即得到這一天桃子的剩余量count。而這天猴子所吃的桃子數(shù)等于前一天剩下的桃子數(shù)減去今天剩下的桃子數(shù)，前一天的桃子數(shù)是今天的桃子數(shù)加1的2倍，即這天猴子所吃的桃子數(shù)為（count+1）*

2-count=count+2，輸出這天猴子所吃的桃子數(shù)及剩下的桃子；否則，即if（day<1&&day>10），則輸出這天已經(jīng)沒有桃子了；最后，返回主菜單。由于此程序需比較n-day+1次，故此算法的時(shí)間復(fù)雜度為O（n）。整個(gè)過程用流程圖描述如上頁圖4所示。

在此例中，教師引導(dǎo)學(xué)生以遞歸算法的逆向思維求解問題，在學(xué)習(xí)過程中體會(huì)遞歸算法的思想過程，學(xué)生在思考中學(xué)習(xí)，并掌握遞歸方法，當(dāng)遇到類似問題時(shí)會(huì)想到用類似的方法解決。在掌握了前面所學(xué)的基本技巧和方法后，學(xué)生對(duì)該類問題已經(jīng)能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行求解。此時(shí)，教師應(yīng)該在此基礎(chǔ)上繼續(xù)啟發(fā)學(xué)生思維，讓他們主動(dòng)、積極地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，使其能舉一反三，達(dá)到在學(xué)中做。

實(shí)施效果

為了將計(jì)算思維引入到高中信息技術(shù)教學(xué)中，筆者通過一學(xué)期的教學(xué)，并圍繞三個(gè)方面進(jìn)行了調(diào)查。本次共發(fā)放300份問卷，全部有效，其中男生180份，女生120份。問卷中所涉及問題主要有：①對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)知情況；②授課方式改變的滿意程度；③學(xué)習(xí)結(jié)果的滿意情況。問卷調(diào)查分為三個(gè)等級(jí)（A.滿意，B.較滿意，C.與傳統(tǒng)教學(xué)方式變化不大），調(diào)查結(jié)果如圖5所示。

經(jīng)過調(diào)查筆者發(fā)現(xiàn)，對(duì)計(jì)算思維完全了解的有240人，占總數(shù)的80%；對(duì)計(jì)算思維基本了解的有40人，對(duì)計(jì)算思維不了解的有20人。由此說明，教學(xué)實(shí)踐后，絕大部分學(xué)生對(duì)計(jì)算思維有了一定的理解，在對(duì)學(xué)生思維能力的轉(zhuǎn)變方面，有254人非常重視在學(xué)習(xí)過程中將書本知識(shí)轉(zhuǎn)換為實(shí)踐能力，僅有19人對(duì)書本知識(shí)轉(zhuǎn)換為實(shí)踐能力這一思維能力轉(zhuǎn)變的過程不太重視。從調(diào)查結(jié)果來看，將培養(yǎng)計(jì)算思維為核心的教學(xué)模式引入課堂教學(xué)，取得了十分顯著的教學(xué)效果。

結(jié)束語

對(duì)信息技術(shù)課程而言，計(jì)算思維就像人們閱讀、寫字、做算法一樣，是信息技術(shù)學(xué)科最基礎(chǔ)、最適用、不可或缺的基礎(chǔ)思維方式。[5]在高中信息技術(shù)課程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，是信息技術(shù)課程改革的一條新思路，有利于信息技術(shù)課程形成穩(wěn)固的核心價(jià)值，確立以信息技術(shù)解決問題的概念、方法與原理為主的穩(wěn)定的課程內(nèi)容，真正擺脫軟件操作的局限?，F(xiàn)在，對(duì)教學(xué)效果還沒有具體的衡量指標(biāo)，教師在參考該模式進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐時(shí)還存在著不足之處，在后續(xù)研究中筆者還需要對(duì)其進(jìn)行更深入的探索。

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