計(jì)算思維如何在高中信息技術(shù)課堂有效落實(shí)

馮士海

計(jì)算思維作為高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，已成為一個(gè)比較熱門(mén)的話(huà)題，也是課標(biāo)組專(zhuān)家極力倡導(dǎo)與推廣的思維方式。要使計(jì)算思維在信息技術(shù)課堂教學(xué)中有效落實(shí)，就需要先明確計(jì)算思維的概念、特征及常見(jiàn)的誤區(qū)，再合理組織教學(xué)內(nèi)容，研究可行的教學(xué)方法。在新課標(biāo)理念下，高中信息技術(shù)課堂教學(xué)，不僅要讓學(xué)生理解計(jì)算機(jī)學(xué)科大概念，還需要引導(dǎo)學(xué)生將計(jì)算思維合理地應(yīng)用至日常生活與學(xué)習(xí)之中，形成一種思維習(xí)慣。那么，在新課標(biāo)教材還沒(méi)有使用之前，如何在高中信息技術(shù)課堂教學(xué)中滲透計(jì)算思維培養(yǎng)呢？建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行實(shí)踐。

● 重組教材內(nèi)容，滲透計(jì)算思維

可以結(jié)合新課標(biāo)，將現(xiàn)有高中信息技術(shù)教材內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)重組，變知識(shí)傳遞為思維啟迪，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題的思維能力，并提高學(xué)生的抽象能力和構(gòu)造能力。

1.教學(xué)案例不必拘泥于課本

例如，在信息技術(shù)基礎(chǔ)必修模塊“表格信息的加工與表達(dá)”中可以采用學(xué)校文明班級(jí)評(píng)比的方式，從數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算到分析，讓每位學(xué)生都參與，不僅能找出本班不足，還可提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)問(wèn)題的能力?！皵?shù)據(jù)庫(kù)管理”模塊除了讓學(xué)生體驗(yàn)學(xué)生學(xué)籍管理系統(tǒng)外，還可以讓學(xué)生去圖書(shū)館向工作人員了解圖書(shū)的分類(lèi)管理，利用圖書(shū)管理系統(tǒng)體驗(yàn)如何快速檢索、借閱圖書(shū)，然后在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行簡(jiǎn)單的抽象、建模，提高學(xué)生的抽象和構(gòu)造能力。

2.教學(xué)順序不是一成不變的

粵教版選修模塊《算法與程序設(shè)計(jì)》教材內(nèi)容是按照“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“可視化編程”“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)”以及“程序設(shè)計(jì)實(shí)踐”來(lái)安排的，這樣的編排有其科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。然而，基于學(xué)生計(jì)算思維還沒(méi)形成，如果直接按教材內(nèi)容順序開(kāi)展教學(xué)，學(xué)生一開(kāi)始面對(duì)枯燥乏味的算法理論，有可能很快就失去對(duì)本模塊課程的興趣。這時(shí)可以從學(xué)生實(shí)際出發(fā)，對(duì)教材順序和內(nèi)容進(jìn)行重組：先讓學(xué)生接受“算法設(shè)計(jì)的基本知識(shí)”，然后把“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)”和“程序設(shè)計(jì)實(shí)踐”中的實(shí)例拿出來(lái)分析，也就是把“算法設(shè)計(jì)”的知識(shí)穿插到“程序設(shè)計(jì)”中，使抽象的知識(shí)形象化，再用生活中的實(shí)例來(lái)理解算法。這樣的教學(xué)效果會(huì)更好，如果再把書(shū)中例子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，貼近學(xué)生生活，使學(xué)生更加感興趣，計(jì)算思維的滲透也就自然而然了。

● 創(chuàng)新課堂教學(xué)，落實(shí)計(jì)算思維

在以往的信息技術(shù)教學(xué)中，體現(xiàn)計(jì)算思維的活動(dòng)也是無(wú)處不在的，只是在沒(méi)有關(guān)注計(jì)算思維時(shí)，這種活動(dòng)對(duì)學(xué)生而言則是無(wú)意識(shí)的。改變這種狀況，只需引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)地用計(jì)算思維去解決問(wèn)題。在教學(xué)中，可通過(guò)使用頭腦風(fēng)暴法分析問(wèn)題，找到解決問(wèn)題的方法，再使用思維導(dǎo)圖細(xì)化方法，直到能使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

1.使用頭腦風(fēng)暴法，找到解決問(wèn)題的方法

在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維時(shí)，重點(diǎn)是分析找到解決問(wèn)題的方法。其中，最常用解決問(wèn)題的方法是頭腦風(fēng)暴法。下面以設(shè)計(jì)“運(yùn)動(dòng)會(huì)海報(bào)”為例，介紹頭腦風(fēng)暴法的具體操作流程。課前讓學(xué)生了解海報(bào)的組成。上課時(shí)，讓學(xué)生提出自己海報(bào)中包含的元素，并簡(jiǎn)單說(shuō)明方案，讓別人明白其意圖，然后教師快速在白板上記錄方案。不斷鼓勵(lì)其他學(xué)生提出新的海報(bào)設(shè)計(jì)方案，等學(xué)生發(fā)言完畢，根據(jù)學(xué)生的方案再發(fā)散組合，得到最后的方案。最后，學(xué)生確定的運(yùn)動(dòng)會(huì)海報(bào)方案是：背景是跑道，主體圖案是運(yùn)動(dòng)員的形象，文字包括標(biāo)題、時(shí)間、地點(diǎn)等。

2.使用思維導(dǎo)圖，細(xì)化方案，直到能使用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決

這個(gè)過(guò)程其實(shí)就是找到使用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的方法，學(xué)生通過(guò)自頂向下逐步細(xì)化的原則，將問(wèn)題的解決方案表示成一個(gè)信息處理的流程，引導(dǎo)學(xué)生使用數(shù)字化工具XMind細(xì)化解決問(wèn)題的方案。學(xué)生細(xì)化后的方案如圖1所示。在思維導(dǎo)圖上能明確看到怎樣處理運(yùn)動(dòng)會(huì)海報(bào)背景，如何處理主體圖案，以及用什么文字，文字設(shè)置成什么樣式。

3.使用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題

計(jì)算思維的根本目的是解決問(wèn)題，即問(wèn)題求解系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)行為理解。前面所有的分析，最后都要落實(shí)到使用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題上。再回到制作海報(bào)作品上，只需按照學(xué)生繪制的思維導(dǎo)圖，選擇合適的軟件即可解決問(wèn)題?？梢赃x擇的軟件也很多，如果需要處理圖片與背景，則選擇Photoshop，如果不需要處理，Word完全能實(shí)現(xiàn)，效果如圖2所示。

由此可以看出，原來(lái)的教學(xué)重點(diǎn)基本是第三個(gè)環(huán)節(jié)，重視的是技術(shù)的使用，只講解如何處理圖片、加工主體圖案及輸入文本、設(shè)置文字效果等，而調(diào)整后的教學(xué)流程，更注重的則是方法的分析，培養(yǎng)的是學(xué)生的分析能力，訓(xùn)練的是計(jì)算思維。

● 借助算法和流程圖，強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算思維

高中信息技術(shù)教學(xué)還需要幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)思維涵蓋的計(jì)算概念和方法，如遞歸、抽象、形式化等，引導(dǎo)學(xué)生挖掘隱藏在生活中的“計(jì)算”“抽象”問(wèn)題。借助算法、流程圖，強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算思維。

1.培養(yǎng)學(xué)生的算法思想及高效解決問(wèn)題的能力

計(jì)算思維是人求解問(wèn)題的一種途徑和取向，特別是對(duì)需要大量計(jì)算的問(wèn)題，在提出問(wèn)題解決方案后，應(yīng)該在思維與方法上充分利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力。例如，漢諾塔問(wèn)題（Tower of Hanoi）就是一種典型的遞歸算法，涉及大量的計(jì)算與計(jì)算思維。漢諾塔：在世界中心貝拿勒斯的圣廟里，一塊黃銅板上插著三根寶石針A、B和C，在其中一根針上從下到上地穿好了由大到小的64片金片，不論白天黑夜，總有一個(gè)僧侶在按下面的法則移動(dòng)這些金片：一次只移動(dòng)一片，不管在哪根針上，小片必須在大片上面。僧侶們預(yù)言，當(dāng)所有金片移到另外一根針上時(shí)，世界將在一聲霹靂中消滅，而梵塔、廟宇和眾生也都將同歸于盡。通過(guò)算法分析不難發(fā)現(xiàn)，漢諾塔問(wèn)題看似復(fù)雜，實(shí)則把它拆解開(kāi)來(lái)看無(wú)疑是兩種情況：第一種：只有一個(gè)的情況，當(dāng)塔上只有一個(gè)盤(pán)子時(shí)，只需將它放到目的塔就可以；第二種：情況就是有多個(gè)，此時(shí)無(wú)論有多少個(gè)盤(pán)子，我們只需將其當(dāng)作只有n和n-1個(gè)盤(pán)子來(lái)對(duì)其操作。第二種情況，操作過(guò)程即為將n-1放置到過(guò)渡塔，將n放置到目的塔，再將n-1放置到目的塔。移動(dòng)金片的次數(shù)f（n）與寶石針上的金片個(gè)數(shù)n之間的關(guān)系式為：f（n）=2^n-1，因此當(dāng)n=64時(shí)，f（n）的值將高達(dá)18446744073709551615，按移動(dòng)一次花費(fèi)1秒計(jì)算，需要約5845億年才能完成。這樣的問(wèn)題在現(xiàn)實(shí)中幾乎是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，但我們可以借用計(jì)算機(jī)的超高速，在計(jì)算機(jī)中模擬實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，有效地利用計(jì)算思維，借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的計(jì)算能力，就能解決之前人類(lèi)望而卻步的大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題。

2.借助流程圖，清晰地表達(dá)個(gè)人思想

繪制流程圖是編程解決問(wèn)題中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，借助流程圖可以鍛煉學(xué)生清晰地表達(dá)個(gè)人思相。例如，中國(guó)古代數(shù)學(xué)家張丘建在他的《算經(jīng)》中提出了著名的“百錢(qián)百雞問(wèn)題”：雞翁一，值錢(qián)五；雞母一，值錢(qián)三；雞雛三，值錢(qián)一；百錢(qián)買(mǎi)百雞，翁、母、雛各幾何？這個(gè)問(wèn)題的解決思路如下。首先，提取問(wèn)題的基本特征，進(jìn)行抽象處理。設(shè)雞翁為x只，雞母為y只，雞雛為z只，得到數(shù)學(xué)式x+y+z=100和5x+3y+100/3=100，這就把問(wèn)題抽象為數(shù)學(xué)模型了。然后，設(shè)定邊界條件（雞翁x<=100/5=20；雞母y<=100/3，設(shè)為33；雞雛z=100-x-y），用流程圖的方式進(jìn)行形式化表述，如圖3所示。這個(gè)案例也符合“針對(duì)給定的任務(wù)進(jìn)行需求分析，明確需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題；提取問(wèn)題的基本特征，進(jìn)行抽象處理，并用形式化的方法表述問(wèn)題”，在此基礎(chǔ)上使用“枚舉”算法，借助編程語(yǔ)言運(yùn)行，就可以解決問(wèn)題了。

● 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算思維培養(yǎng)已成為高中新課程改革中實(shí)現(xiàn)育人價(jià)值的目標(biāo)。希望在以后的高中信息技術(shù)課堂中，一方面，要重視學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)；另一方面，也需要在教學(xué)中挖掘基于學(xué)科教學(xué)內(nèi)容對(duì)應(yīng)的計(jì)算思維，構(gòu)建基于計(jì)算思維的教學(xué)體系和教學(xué)方法，設(shè)計(jì)出能培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維對(duì)應(yīng)能力的課堂活動(dòng)，讓信息技術(shù)課堂彰顯更多活力。