點(diǎn)燃高中信息技術(shù)課堂計(jì)算思維的火花

馮士海

【摘 要】計(jì)算思維是新課標(biāo)的一個(gè)亮點(diǎn)，也是課標(biāo)組專(zhuān)家倡導(dǎo)與推廣的思維方式。那么，如何讓計(jì)算思維在高中信息技術(shù)課堂中落實(shí)，是信息技術(shù)教師必須關(guān)注的問(wèn)題。本文從重組教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)等方面，探討如何在高中信息技術(shù)課堂中滲透、落實(shí)、加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】信息技術(shù)；計(jì)算思維；課堂教學(xué)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2018）012-069-04

計(jì)算思維是新課標(biāo)的一個(gè)亮點(diǎn)，也是課標(biāo)組專(zhuān)家倡導(dǎo)與推廣的思維方式。計(jì)算思維不僅是高中生必備的核心素養(yǎng)，也是人類(lèi)最基本的思維方式，與“聽(tīng)、說(shuō)、讀、寫(xiě)”同等重要。那到底什么是計(jì)算思維？如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，值得每一位從事信息技術(shù)教育教研的工作者認(rèn)真思考和實(shí)踐。

計(jì)算思維的內(nèi)涵和誤區(qū)

要使計(jì)算思維在信息技術(shù)課堂中點(diǎn)燃，就要先了解計(jì)算思維的概念、特征及常見(jiàn)的誤區(qū)，再重新組織教學(xué)內(nèi)容，研究可行的教學(xué)方法。

1.計(jì)算思維的概念

計(jì)算思維不是新生事物，自古以來(lái)就是社會(huì)生產(chǎn)、發(fā)展所必需的思維品質(zhì)。從古代算盤(pán)、近代計(jì)算器到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及云計(jì)算等技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)不體現(xiàn)了計(jì)算思維的內(nèi)涵。2006年，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授對(duì)計(jì)算思維做了界定，她認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)行為。從此，計(jì)算思維以一個(gè)正式的概念在國(guó)內(nèi)外得以快速傳播和發(fā)展。新課標(biāo)也指出，計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。

2.計(jì)算思維的特點(diǎn)

計(jì)算思維概念的提出，引起了學(xué)術(shù)界廣大學(xué)者的共鳴。2011年，國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)對(duì)計(jì)算思維的概念做了進(jìn)一步的闡釋?zhuān)赋鲇?jì)算思維是一個(gè)用來(lái)解決問(wèn)題的過(guò)程，具有以下特點(diǎn)：（1）制定問(wèn)題，并能利用計(jì)算機(jī)和其他工具幫助解決該問(wèn)題；（2）邏輯化組織和分析數(shù)據(jù)；（3）通過(guò)抽象，如模型、仿真等再現(xiàn)數(shù)據(jù)；（4）通過(guò)算法，支持自動(dòng)化解決方案；（5）識(shí)別、分析和實(shí)施可能的解決方案，并找到最有效的解決方案；（6）將問(wèn)題的求解過(guò)程推廣到更廣泛的問(wèn)題中。

根據(jù)以上定義和特點(diǎn)，可知計(jì)算思維是人的思維，是人求解問(wèn)題的一條途徑。是一種描述當(dāng)我們思考如何利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決問(wèn)題時(shí)所采用的過(guò)程和方法。在學(xué)習(xí)中，它是一種十分常用的思維模式，當(dāng)然這種思維模式也不只屬于信息技術(shù)科學(xué)，在其他學(xué)科中也有應(yīng)用。

3.計(jì)算思維的誤區(qū)

由于計(jì)算思維的研究尚處于推進(jìn)期，認(rèn)識(shí)誤區(qū)也較多，如有人認(rèn)為“計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)思維”“計(jì)算思維必須通過(guò)編程”等。這些觀點(diǎn)顯然都是錯(cuò)誤的。首先，只有人才具有思維，計(jì)算機(jī)本身并不具有思維。如李藝教授認(rèn)為，計(jì)算思維是一個(gè)圍繞“人”展開(kāi)的，是刻畫(huà)人的內(nèi)在品質(zhì)的概念。其次，計(jì)算思維包含了一系列計(jì)算機(jī)科學(xué)思想，而這些概念最為直觀的理解和表達(dá)可以用程序語(yǔ)言。正如語(yǔ)言素養(yǎng)不只是寫(xiě)作，計(jì)算思維也不僅僅是程序設(shè)計(jì)。實(shí)際上，即使沒(méi)有計(jì)算機(jī)和編程，計(jì)算思維也會(huì)逐步發(fā)展，逐漸被人們重視。但正是由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給計(jì)算思維發(fā)展帶來(lái)了根本性的變化。

點(diǎn)燃高中信息技術(shù)課堂計(jì)算思維之火的必要性

1.學(xué)生計(jì)算思維的現(xiàn)狀

目前，信息技術(shù)課程大多以技術(shù)操作為主，教師沒(méi)有引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成一種利用技術(shù)解決問(wèn)題的思維習(xí)慣，更沒(méi)達(dá)到提升計(jì)算思維的層次。學(xué)生僅僅學(xué)會(huì)了一些簡(jiǎn)單的操作技能，沒(méi)能挖掘技術(shù)背后的原理及思想，也就無(wú)法達(dá)到利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的能力層次。而計(jì)算思維的提出，則為其打開(kāi)了一扇希望之門(mén)，有助于學(xué)生能力的培養(yǎng)。

2.培養(yǎng)計(jì)算思維的價(jià)值

新課標(biāo)對(duì)高中信息技術(shù)課程的總目標(biāo)進(jìn)行了定位，它是一門(mén)旨在全面提升學(xué)生信息素養(yǎng)，幫助學(xué)生掌握信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)與技能、增強(qiáng)信息意識(shí)、發(fā)展計(jì)算思維、提高數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力、樹(shù)立正確的信息社會(huì)價(jià)值觀和責(zé)任感的基礎(chǔ)課程。

（1）計(jì)算思維是信息素養(yǎng)的能力體現(xiàn)。在信息社會(huì)，信息素養(yǎng)既表現(xiàn)為個(gè)人應(yīng)用信息技術(shù)工具和方法時(shí)處理信息、解決問(wèn)題的能力，也表現(xiàn)在與他人進(jìn)行信息合作時(shí)必要的計(jì)算機(jī)知識(shí)儲(chǔ)備，計(jì)算思維正是這兩種能力的綜合體現(xiàn)。

（2）提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。通過(guò)發(fā)展計(jì)算思維，支持學(xué)生使用一系列的計(jì)算概念和方法處理數(shù)據(jù)，建構(gòu)模型、創(chuàng)造作品，使學(xué)生不僅作為信息技術(shù)的使用者、消費(fèi)者，也要成為信息技術(shù)的發(fā)明者、創(chuàng)造者。

如何點(diǎn)燃高中信息技術(shù)課堂學(xué)生計(jì)算思維的火花

在新課標(biāo)理念下，高中信息技術(shù)教學(xué)，不僅要讓學(xué)生理解計(jì)算機(jī)學(xué)科大概念，還要引導(dǎo)學(xué)生將計(jì)算思維應(yīng)用至日常學(xué)習(xí)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，如何點(diǎn)燃學(xué)生的計(jì)算思維火花呢？建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行實(shí)踐。

1.重組教材內(nèi)容，滲透計(jì)算思維

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。

（1）教學(xué)案例不必拘泥于課本

如“數(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)，然后在老師的引導(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《算法與程序設(shè)計(jì)》內(nèi)容是按照“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“可視化編程”“算法和程序?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，這樣編排具有科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。然而，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)生面對(duì)枯燥乏味的算法理論，就有可能失去對(duì)本模塊內(nèi)容的興趣。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)”，再把“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，即把“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，再用生活的實(shí)例來(lái)講解算法，這樣學(xué)生會(huì)更感興趣，計(jì)算思維的滲透也就水到渠成了。

2.創(chuàng)新課堂教學(xué)，落實(shí)計(jì)算思維

在平時(shí)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，課前讓學(xué)生了解海報(bào)的組成；課中，讓學(xué)生們說(shuō)出海報(bào)中包含的元素，并簡(jiǎn)單說(shuō)明方案，然后不斷鼓勵(lì)學(xué)生提出新的海報(bào)設(shè)計(jì)方案。再根據(jù)學(xué)生提出的方案重新組合，得到最終方案。

（2）使用思維導(dǎo)圖，細(xì)化方案

學(xué)生通過(guò)自上而下逐步細(xì)化的原則，使用思維導(dǎo)圖，將問(wèn)題的解決方案進(jìn)行細(xì)化，再使用數(shù)字化工具XMind列出解決問(wèn)題的方案。設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)會(huì)海報(bào)最終細(xì)化的方案以思維導(dǎo)圖的形式呈現(xiàn)。

通過(guò)思維導(dǎo)圖，可以明確看到如何處理運(yùn)動(dòng)會(huì)海報(bào)背景、主題圖案以及如何設(shè)置文字的字體、顏色等。

（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，前面的分析最后都要落實(shí)到使用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題上。因此，按照細(xì)化的方案，選擇合適的軟件即可解決問(wèn)題。如需要處理圖片與背景，可選擇Photoshop軟件，否則選用Word軟件，也可以完全實(shí)現(xiàn)。

因此，以前的教學(xué)重點(diǎn)放在第三個(gè)環(huán)節(jié)，重視技術(shù)的使用，只講解如何處理圖片、加工主體圖案等，而創(chuàng)新后的課堂更加注重方法的分析，培養(yǎng)學(xué)生分析能力，訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維。

3.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)還需幫助學(xué)生理解計(jì)算思維涵蓋的計(jì)算概念和方法，如遞歸、抽象等，引導(dǎo)學(xué)生挖掘生活中的“計(jì)算”“抽象”問(wèn)題。再借助算法、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)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。如漢諾塔問(wèn)題，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。

通過(guò)算法分析，不難發(fā)現(xiàn)，漢諾塔問(wèn)題看似復(fù)雜，其實(shí)就兩種情況：第一種，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了。第二種，無(wú)論有多少個(gè)盤(pán)子，只需將其當(dāng)作只有n和n-1個(gè)盤(pán)子來(lái)操作。即將n-1個(gè)盤(pán)子放到過(guò)渡塔，將第n個(gè)盤(pán)子放到目的塔，再將n-1個(gè)放回到目的塔。移動(dòng)次數(shù)f（n）與盤(pán)子個(gè)數(shù)n的關(guān)系為：f（n）=2^n-1 ，當(dāng)n=64時(shí)，f（n）的值將高達(dá)18446744073709551615，按移動(dòng)一次需要1秒計(jì)算，則也要5845億年才能完成，這樣的問(wèn)題如不借助計(jì)算機(jī)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，有效利用計(jì)算思維，借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，就能解決大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題。

（2）借助流程圖，清晰地表達(dá)解決問(wèn)題思路

借助流程圖可以清晰地表達(dá)問(wèn)題解決思路。如古代數(shù)學(xué)家張丘建在他的《算經(jīng)》中提出的“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？解決該問(wèn)題的思路是首先提取問(wèn)題的基本特征，再進(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+z/3=100，先把問(wèn)題抽象為數(shù)學(xué)模型；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），用流程圖表達(dá)算法。

這個(gè)案例符合“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”，并用流程圖表述問(wèn)題，通過(guò)“枚舉”算法，借助上機(jī)編程，就可以解決問(wèn)題了。

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！

參考文獻(xiàn)

Jeannette M.Wing.computational thinking[J].communications of acm，2006（49）：33-35.

郭守超，周睿，鄧常梅.基于App Inventor和計(jì)算思維的信息技術(shù)課堂教學(xué)研究[J].中國(guó)電化教育，2014（3）：91-96.

袁開(kāi)榜.二十一世紀(jì)，人們應(yīng)該具有計(jì)算思維能力[J].計(jì)算機(jī)教育，2011（3）：30-33.

任友群，隋豐蔚，李鋒.數(shù)字土著何以可能？——也談?dòng)?jì)算思維進(jìn)入中小學(xué)信息技術(shù)教育的必要性和可能性[J].中國(guó)電化教育，2016（1）：2-8.