從語(yǔ)句編譯到算法設(shè)計(jì)

李延飛

摘 要：以云計(jì)算、下一代通信技術(shù)、區(qū)塊鏈為代表的新一代技術(shù)逐步融入到日常生活中，變革了當(dāng)今社會(huì)。通信與計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要大量從事計(jì)算產(chǎn)業(yè)的人才。計(jì)算思維以其表征學(xué)習(xí)者的算法理解與設(shè)計(jì)能力納入到信息技術(shù)課程的核心素養(yǎng)之一，被視為學(xué)習(xí)者掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的重要因素，得到了廣泛關(guān)注。經(jīng)過(guò)梳理，學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的發(fā)展需經(jīng)歷語(yǔ)句編譯，程序理解、算法設(shè)計(jì)三個(gè)階段。如何對(duì)三個(gè)階段中課程、教學(xué)、評(píng)價(jià)三者進(jìn)行界定是推動(dòng)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維形成的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；核心素養(yǎng)；信息技術(shù)課程與教學(xué)論

中圖分類(lèi)號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9132（2018）30-0179-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.30.112

一、 計(jì)算思維本體論：概念與內(nèi)涵

計(jì)算思維由來(lái)已久。2006年3月，周以真教授在美國(guó)提出了計(jì)算思維這一概念[1]。計(jì)算思維表現(xiàn)在形式化、模型化、系統(tǒng)化、自動(dòng)化這四個(gè)主要方面[2]。而對(duì)于計(jì)算思維的意蘊(yùn)，更是從不同視角進(jìn)行概念的界定[3]；計(jì)算思維與問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也緊密相關(guān)[4]。

不同研究者針對(duì)計(jì)算思維的教學(xué)方法進(jìn)行了大量嘗試：如階梯式的教學(xué)方法[5]，牟琴[6]等提出了探究式、自主式等教學(xué)模式。美中不足的是，以上研究均以大學(xué)生為教學(xué)對(duì)象，對(duì)于高中信息技術(shù)教師而言，高中生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)狀態(tài)同大學(xué)生存在較大差異，部分教學(xué)方式難以行之有效。

綜合以上文獻(xiàn)，計(jì)算思維的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，學(xué)習(xí)者需要經(jīng)歷不同的階段，在不同的階段中課程、教學(xué)、評(píng)價(jià)和關(guān)鍵特征應(yīng)當(dāng)如何判斷和把握卻少有研究，出現(xiàn)一定程度的理論空白，難以指導(dǎo)一線教師進(jìn)行面向計(jì)算思維形成的信息技術(shù)教學(xué)。

二、 計(jì)算思維發(fā)展現(xiàn)狀：信息技術(shù)課程改革的契機(jī)與存在的問(wèn)題

始于2015年的信息技術(shù)新一輪改革將計(jì)算思維納入信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一[7]，由始計(jì)算思維在教師和教育研究者中引起了關(guān)注，形成了新一輪的研究熱潮。有研究認(rèn)為，計(jì)算思維蘊(yùn)于信息技術(shù)課程之中[8]，其形式化、系統(tǒng)化的理念與信息技術(shù)課程組織不謀而合。李峰[9]等認(rèn)為，計(jì)算思維是信息技術(shù)課程的內(nèi)在價(jià)值之一。信息技術(shù)課程中的諸多模塊都彰顯了計(jì)算思維的價(jià)值，但是《算法與程序設(shè)計(jì)》模塊對(duì)于學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的培養(yǎng)極為明顯，同時(shí)是計(jì)算思維中“計(jì)算”概念發(fā)展的源頭。從算法與程序設(shè)計(jì)模塊入手，選擇計(jì)算機(jī)語(yǔ)言教學(xué)作為學(xué)習(xí)者計(jì)算思維形成的突破口，更加直截了當(dāng)也富有成效。面向計(jì)算思維的信息技術(shù)課程難以真正得以實(shí)行，在教學(xué)中存在一些不容忽視的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的長(zhǎng)久發(fā)展，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的種類(lèi)繁多。目前，常用的有C、C++、C#、Java、Python等數(shù)十種語(yǔ)言，經(jīng)過(guò)本土化的發(fā)展，更衍生出啊哈C、易語(yǔ)言等亞種。信息技術(shù)課程在初中及以下階段往往由各市進(jìn)行課程標(biāo)準(zhǔn)制定、教材的編寫(xiě)，缺乏統(tǒng)籌的規(guī)劃，造成了各地區(qū)信息技術(shù)課程選擇的語(yǔ)言大相徑庭、課程的難度和深度不盡相同。部分學(xué)校僅學(xué)習(xí)變量的聲明和運(yùn)算符，而在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的學(xué)校更注重創(chuàng)客教育，教授學(xué)生利用函數(shù)庫(kù)進(jìn)行開(kāi)源硬件開(kāi)發(fā)。二者的差距不可同日而語(yǔ)。

基于此，對(duì)于旨在計(jì)算思維形成的信息技術(shù)教學(xué)應(yīng)當(dāng)從課程建設(shè)、活動(dòng)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)策略三方面著手，觀察學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)活動(dòng)表征，逐步將計(jì)算思維的培養(yǎng)引向深入，重新認(rèn)識(shí)計(jì)算思維的內(nèi)涵和價(jià)值，對(duì)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的形成過(guò)程畫(huà)像，在課堂教學(xué)和活動(dòng)實(shí)踐中根據(jù)不同發(fā)展階段引導(dǎo)學(xué)習(xí)者形成計(jì)算思維。

三、 語(yǔ)句編譯：理解程序語(yǔ)言的基本語(yǔ)法

語(yǔ)句編譯階段是計(jì)算思維形成的初始階段。在這一階段中，學(xué)習(xí)者接觸到最基本的變量、運(yùn)算符、基本的輸入輸出函數(shù)等，并嘗試寫(xiě)出簡(jiǎn)單的語(yǔ)句。語(yǔ)句編譯階段映射到信息技術(shù)課程中主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）認(rèn)識(shí)基本的變量類(lèi)型（如整型、浮點(diǎn)型、字符型、布爾型等），聲明并定義變量；

（2）對(duì)變量進(jìn)行賦值；

（3）使用一些運(yùn)算符對(duì)變量的值進(jìn)行運(yùn)算；

（4）通過(guò)在程序中添加輸入函數(shù)，允許用戶自定義某些變量的值；

（5）使用輸出函數(shù)，輸出某些字符和變量的值。

通過(guò)對(duì)一些計(jì)算機(jī)語(yǔ)言課程的總結(jié)，可以得出多數(shù)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言課程都包含以上幾點(diǎn)，而教師也往往采用講解、復(fù)述基本概念，上機(jī)展示操作，鼓勵(lì)學(xué)生模仿教師操作等形式實(shí)施課程。應(yīng)當(dāng)看到，這一類(lèi)教學(xué)方式往往行之有效，取得了一定的教學(xué)效果，學(xué)生能寫(xiě)出一些語(yǔ)句，并且多數(shù)能完成“Hello World！”程序案例?；靖拍畹恼莆帐峭瓿筛唠A程序設(shè)計(jì)的開(kāi)端，機(jī)械記憶和反復(fù)練習(xí)卓有成效。

四、 程序理解：理解程序的意義與結(jié)構(gòu)

學(xué)習(xí)者從認(rèn)識(shí)三種基本的程序結(jié)構(gòu)開(kāi)始，跳出語(yǔ)句的局限性，一窺程序設(shè)計(jì)這一復(fù)雜系統(tǒng)的局部。學(xué)習(xí)者能以觀察流程圖的方式了解程序是如何運(yùn)行的。對(duì)于函數(shù)，更是要求學(xué)習(xí)者充分理解程序運(yùn)行方式后，使用外部函數(shù)（調(diào)用）、綜合運(yùn)用多個(gè)不同的函數(shù)（嵌套）、重復(fù)運(yùn)行函數(shù)（遞歸）、以簡(jiǎn)化程序篇幅為目的寫(xiě)出多次使用的程序片段（自定義函數(shù)）等多種工具解決問(wèn)題。

這一階段教學(xué)的關(guān)鍵是程序理解。程序理解包含兩個(gè)方面：一方面是學(xué)習(xí)者充分理解程序運(yùn)行的順序，表現(xiàn)為閱讀程序能代替編譯器得出運(yùn)算結(jié)果；另一方面是作為程序設(shè)計(jì)者發(fā)揮自身的推理能力，得出程序設(shè)計(jì)的意圖和各變量的作用，體現(xiàn)了計(jì)算思維中形式化的思想——學(xué)習(xí)者能了解計(jì)算機(jī)能做什么、哪些問(wèn)題是計(jì)算機(jī)可處理的。

五、 算法設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)算法解決實(shí)際問(wèn)題

在充分學(xué)習(xí)基本的語(yǔ)句語(yǔ)法規(guī)則，理解程序運(yùn)行基本邏輯后，進(jìn)行算法設(shè)計(jì)的講解就順理成章了。以往課程對(duì)于算法和語(yǔ)言的邏輯順序的安排不盡合理：往往是先總結(jié)出什么是算法、算法的特點(diǎn)，再進(jìn)一步進(jìn)行具體語(yǔ)言的學(xué)習(xí)。這樣的課程邏輯順序與計(jì)算思維的形成路徑相反，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以從語(yǔ)言的特殊性進(jìn)一步升華得出算法的一般性。與此同時(shí)，枚舉、解析、查找、排序等算法脫離具體語(yǔ)言也難以向?qū)W習(xí)者表述。同時(shí)，四種基本算法具有普適性，能夠處理大多數(shù)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，為學(xué)習(xí)者提供了可參考的外部模型，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算思維要求的模型化的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝忠新，曹楊璐.中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的策略與方法[J].中國(guó)電化教育，2015（11）：116.

[2] 解月光，楊鑫，付海東.高中學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的描述與分級(jí)[J].中國(guó)電化教育，2017（5）：8.

[3] 于穎，周東岱，于偉.計(jì)算思維的意蘊(yùn)解析與結(jié)構(gòu)建構(gòu)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2017（5）：60.

[4] 李艷坤，高鐵剛.基于思維視角的計(jì)算思維綜合解讀[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2017（1）：68.

[5] 鮑宇，孟凡榮，張艷群.“階梯式”引導(dǎo)的計(jì)算思維自主養(yǎng)成模式[J].電化教育研究，2015（6）：87.

[6] 牟琴，譚良，周雄峻.基于計(jì)算思維的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式的研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2011（6）：44.

[7] 李鋒，趙健.高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂：理念與內(nèi)容[J].中國(guó)電化教育，2016（12）：4.

[8] 張學(xué)軍，郭夢(mèng)婷，李華.高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維分析[J].電化教育研究，2015（8）：80.

[9] 李鋒，王吉慶.計(jì)算思維：信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價(jià)值[J].中國(guó)電化教育，2013（8）：19.

[責(zé)任編輯 杜建立]