計算思維在中學信息學競賽教學中的培養(yǎng)

宋梅

摘要 目前計算思維這一概念受到了社會各界的廣泛關注，計算思維不僅僅在計算機領域內(nèi)受到重視，它還滲透到了各行各業(yè)，引起了各領域的專家和學者進行了廣泛的研究與思考。對于教育行業(yè)來說，教育者們也在進行研究和嘗試，希望讓更多的孩子可以理解并運用這一“新”的思維方式。本文以中學信息學競賽為載體針對如何在日常教學中對學生進行計算思維的培養(yǎng)作幾點思考，綜合目前計算思維教學的現(xiàn)狀，深入探討在競賽教學中滲透計算思維的一些策略和方法。

【關鍵詞】計算思維 中學信息學競賽教學 培養(yǎng)策略

1 引言

計算思維這一概念最早由麻省理工學院（MIT）的Seymour Papert教授在1996年提出的，但真正讓這一概念引起廣泛關注的是美國卡內(nèi)基梅隆大學（CMU）的周以真教授（ Jeannette M.Wing），它在2006年3月在權威雜志上發(fā)表的論文中清晰系統(tǒng)的闡述了什么是計算思維。周以真教授認為，“計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動”。

中學信息學奧林匹克競賽的宗旨是通過競賽形式，提高青少年對計算機基礎常識的理解應用、使用計算機編程語言解決實際問題的能力，對有興趣又聰明的青少年起到激勵作用，促其創(chuàng)新能力、邏輯思維、計算思維能力等綜合素養(yǎng)得到發(fā)展。在信息學競賽的教學中讓有才華的青少年溝通探討，推動競賽知識和經(jīng)驗的交流，合作學習共同提高，更早的發(fā)現(xiàn)計算機愛好者，發(fā)展新興學科信息學，為國家選拔更多優(yōu)秀的計算機后備人才。從信息學奧林匹克競賽歷年來的測試試題分析來看，試題多是將具體實際問題抽象成數(shù)學模型，以此形式考察學生的計算機素養(yǎng)，其實質(zhì)就是希望通過試題測試來考察、提高學生的計算思維能力。因此，在中學信息學競賽的教學中如何滲透計算思維的培養(yǎng)是值得探討的，并且信息學競賽的培養(yǎng)可以激發(fā)提高學生的創(chuàng)新意識、獨立思考能力、團隊協(xié)作能力等，這些能力的提升從側(cè)面凸顯了計算機科學知識的滲透力，并且在對具體問題求解、系統(tǒng)設計等解決問題的過程中產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。

2 中學計算思維教學現(xiàn)狀

中學信息學競賽教學的過程其實一直在無意識、潛移默化的培養(yǎng)學生的計算思維能力，主要是現(xiàn)階段對計算思維能力的培養(yǎng)還沒有實質(zhì)性的方案，理論的提出到具體的實踐還需要研究和嘗試，現(xiàn)階段大多還在嘗試階段，沒有權威的實施策略，具體的普及還需要進一步研究和探討。中學信息學競賽教學致力于培養(yǎng)學生利用計算機基礎知識和算法等去解決實際問題的能力。信息學競賽所涉及的課程大多是培養(yǎng)計算思維方法的課程，例如“算法基礎”這門課程就是培養(yǎng)計算思維方法的典型，這本教材里包含的大量算法，比如枚舉、遞歸、回溯等等這些都是毫無爭議的計算思維典型案例。

3 中學信息學競賽教學現(xiàn)狀

3.1 信息學競賽的簡介

信息學競賽的全稱是信息學奧林匹克競賽。1984年鄧小平指出：“計算機的普及要從娃娃做起。”中國計算機學會于1984年創(chuàng)辦全國青少年計算機程序設計競賽，簡稱NOI）。

信息學競賽的宗旨：

（1）旨在向那些在中學階段學習的青少年普及計算機科學知識;

（2）給學校的信息技術教育課程提供動力和新的思路;

（3）給那些有才華的學生提供相互交流和學習的機會;

（4）通過競賽和相關的活動培養(yǎng)和選拔優(yōu)秀計算機人才。

NOI系列活動包括：

（1） NOIP：全國青少年信息學奧林匹克聯(lián)賽（National Olympiad in Informatics inProvinces簡稱NOIP）自1995年至今，全國統(tǒng)一試卷，中小學在校學生可報名參賽，聯(lián)賽分初賽和復賽兩個階段。

（2）各省省選：如重慶市信息學決賽暨省隊選拔賽

（3） APIO：亞洲與太平洋地區(qū)信息學奧賽（Asia Pacific Informatics Olympiad）簡稱（ APIO），2007年創(chuàng)建。

（4） NOI：全國青少年信息學奧林匹克競賽（NOI），是國內(nèi)包括港澳在內(nèi)的省級代表隊最高水平的大賽。自1984年至今，每年經(jīng)各省選拔產(chǎn)生省隊選手（其中一名是女選手），由中國計算機學會組織進行比賽。這一競賽記個人成績，同時記團體總分。

（5）冬令營：在寒假期間為全國信息學競賽學生開展的培訓活動，時長為一周，包括授課、講座、討論、測試等。參加冬令營的營員分為正式選手和非正式選手，國家集訓隊選手及其教練為正式選手，其他學生為非正式選手，非正式選手自愿報名經(jīng)CCF審核通過后即可參加。

（6） CTSC：選拔參加國際信息學奧林匹克中國代表隊的競賽（簡稱選拔賽）。

（7） 101：國際信息學奧林匹克競賽（Intemational Olympiad in Informatics）簡稱（IOI）。

3.2 現(xiàn)高考體質(zhì)下的中小學校計算機信息學課程開展現(xiàn)狀

信息學在各中小學階段的普及現(xiàn)狀：

（1）編程在信息學課程中的受重視程度缺乏;

（2）目前大多數(shù)地區(qū)的高考對信息學沒要求，導致了信息學教師邊緣化、干雜役;

（3）信息學競賽菁英與普及化教育鴻溝巨大。

信息學競賽是一項菁英教育，為提高信息學競賽輔導的質(zhì)量，應選擇有潛質(zhì)、有才華、有濃厚興趣的學生參加。目前各沿海城市對信息學競賽系列活動的普及相對其他城市來說是走在前沿的，比如浙江、廣東、湖南等，這些地區(qū)的學生大多從小學三到五年級就開始接觸學習信息學競賽，較早進行一些思維的鍛煉。就我市而言，信息學競賽的推廣是比較落后的，大多數(shù)的家長都聽過奧數(shù)，小學階段也會將孩子送去學習奧數(shù)，但對信息學競賽的概念是模糊的，要讓孩子學習信息學競賽，有些家長甚至是拒絕的。

（1）高考不考，讓家長不放心;

（2）要求較高，難度較大，容易讓孩子失去信心;

（3）學習人數(shù)較少，普及度較低，教信息學競賽的老師很少，外面的相應培訓機構(gòu)幾乎沒有。

個人認為這些因素是重慶信息學競賽落后的根本原因。相比奧數(shù)來說，信息學的普及度差了很多，大多家長都會將孩子送去學奧數(shù)，但對信奧基本沒有聽說過。對于目前重慶地區(qū)的信息老師來說，由于信息學不高考，很多老師在學校要做很多跟專業(yè)不相關的雜事，很難有專門的精力抓競賽，并且?guī)Ц傎惒⒉皇窍癖砻婵吹降哪敲摧p松，如果沒有專門的精力研究學習，想要提高競賽成績是比較困難的。

4 信息學競賽教學中如何進行計算思維的培養(yǎng)

4.1 中學信息學競賽對計算思維培養(yǎng)的可行性分析

當前，信息學競賽在中學只是針對學有余力的學生開設，而不是普及教育，所以就這一角度來說，在信息學競賽中進行計算思維的教學涉及學生面比較窄。若單單只是針對信息學競賽的學生來說，由于課程特性，對他們進行計算思維教學是比較容易開展的。比如，現(xiàn)高二高三學習信息學競賽的學生人數(shù)就全年級人數(shù)比例來說是極少的一部分，對他們進行有意識的計算思維培養(yǎng)是較容易的，在信息學日常的課程教學中進行相應引導即可，因為本來信息學競賽所涉及的學習內(nèi)容和評測方式就跟計算思維比較接近，只要在學生學習完相應課程后有意識的引導就實際問題進行分析反思總結(jié)，形成自己對問題獨有的解決方案和思維方式即可。

4.2 培養(yǎng)計算思維的教學措施

中學生計算思維模式的培養(yǎng)有其特性，這就要求學校有相應軟硬件配套設施，首先要求老師有足夠的意識去引導學生，其次，畢竟計算思維的特征是有限性、確定性和機械性，且與計算機息息相關，所以學校要為學生提供計算機學習環(huán)境，能力的培養(yǎng)離不開實踐的環(huán)節(jié)。為了培養(yǎng)學生的計算思維，要在校園內(nèi)形成良好的學習氛圍和學習環(huán)境。促進計算機與其他學科的融合，計算思維不僅僅是在計算機領域，從而對所有學科教師都相應的提出了挑戰(zhàn)，需要教師具備相應的專業(yè)基礎知識，指導學生運用計算思維去解決學科學習問題，激發(fā)學生的學習興趣，從而主動積極探索，達到培養(yǎng)計算思維的目的。當然對于信息學競賽學生來說，他們一定意義上是計算機專業(yè)的學生，他們所學習的課程基本上都包含了計算思維，例如： 《程序設計基礎》課程，這門課程講了大量的基礎算法，里面包含大量的經(jīng)典案例，現(xiàn)可以從計算思維的角度去重組這些案例，將問題求解的過程提升到計算思維的高度。在計算思維中問題求解的一般步驟可分為如下幾步：

（1）如何建立模型，即如何將實際問題抽象化的描述，也就是問題的表示;

（2）如何設計算法，即尋找問題的解決方案，也就是問題求解;

（3）如何有效地求解、編碼，即計算機實現(xiàn)過程、效率;

（4）對于這類實際問題的延伸拓展。

按照計算思維重組教學案例，讓學生更能體會計算思維的本質(zhì)，即抽象和自動化。

據(jù)目前培養(yǎng)信息學競賽學生的反饋來看，學習計算思維可以豐富學生的認知結(jié)構(gòu)，提高學生的認知能力和綜合能力。當然在教學方法上，教師要多鼓勵學生發(fā)散思考，更要尊重學生不同的認知方式，提倡算法的多樣化，多運用計算思維去解決問題，鼓勵學生多思考多提問，倡導算法的簡化和優(yōu)化，從而培養(yǎng)計算思維。

4.3 計算思維概念在信息學競賽教學中的滲透

我校一直把信息學競賽定位于興趣活動，參加的學生必須做到以“興趣”為出發(fā)點，以“學有余力”為前提和基礎。在開展信息學競賽的過程中，我校很重視提升學生的綜合素質(zhì)，注重學生能力的培養(yǎng)，而不僅僅是成績的取得。并且尊重學生的個性，尊重學生的特長。因材施教，結(jié)合學生的文化課成績和競賽特長等情況組織有針對性的訓練，分層教學，在信息學競賽的教學過程中培養(yǎng)學生的自學能力，信息學競賽的輔導方法不是一成不變的，一開始學生剛?cè)腴T的時候，以老師的講授為主，慢慢地老師應該培養(yǎng)學生的自學能力。學習者自己悟出的道理是最高層次的學習，其次是學習者碰到困難與人討論解決之，自己實在弄不懂，求教于人;第三層次是教師安排以上課的形式傳授教會的。

信息學競賽是一門鍛煉學生思維的比賽，我們在訓練的過程中要求學生對問題要進行深入研究，切不可淺嘗輒止，要具備懷疑精神，不屈服于權威，注重一題多解，注重學生舉一反三，加強同學之間的討論交流進行思維的碰撞，學生的思維能力得到很大的提高。如：“主席樹”、“CDQ分治”、“莫隊算法”等都是以學生名字命名的算法或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他們都曾是信息學競賽學生在競賽生涯中發(fā)明或者優(yōu)化的，他們提出這些算法或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時候還是一個高中生，卻比很多大學生都優(yōu)秀，這就是思維鍛煉的效果，科學研究普通人的人腦使用率只有3%-5%，還有95%處于休眠狀態(tài)，信息學競賽活動可以在提升學生的計算思維、邏輯思維，讓他們的大腦更靈活。培養(yǎng)學生團隊協(xié)作溝通表達的能力，一個好漢三個幫，不單打獨斗，講究團隊協(xié)作，利用團隊的力量個人發(fā)展的同時也回饋團隊，使團隊和個人實力都得到提升。信息學競賽鼓勵學生獨立思考、深入探究，但有時也要講究效率，團隊協(xié)作在訓練過程中起著至關重要的作用。訓練過程中，我們會經(jīng)常創(chuàng)造機會讓學生加強交流合作，這種思維的碰撞，往往能產(chǎn)生智慧的火花，同時學生的表達能力也得到很好的鍛煉。

5 結(jié)束語

計算思維是人類重要的思維方式，它作為一個解決問題的高效思維工具，正在滲透著各行各業(yè)，也正在改變信息學競賽的教學和考核方式，在新時代背景下的的教育模式中它都發(fā)揮著不可小視的作用。本文在中學信息學競賽中以計算思維為牽引，從中學信息學競賽培養(yǎng)學生計算思維的視角闡述了一些簡要觀點，并就如何在中學信息學競賽的教學中培養(yǎng)學生的計算思維探討一些方法和措施。詳細介紹了中學生信息學奧林匹克競賽培養(yǎng)現(xiàn)狀并闡述了培養(yǎng)計算思維的重要性，希望通過自己對信息學競賽教學過程的思考，找到一條培養(yǎng)學生計算思維的有效途徑。

參考文獻

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