運(yùn)用基于案例的程序設(shè)計(jì)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維

余新樹

教育部公布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確了信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，界定計(jì)算思維是“運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)”。很多教師投入很大的熱情學(xué)習(xí)Python語(yǔ)言，以為將程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言由VB或C等換成Python語(yǔ)言，就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的培養(yǎng)，但如果程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的教學(xué)未關(guān)注解決問題的思維，只是程序語(yǔ)言的調(diào)整，那只會(huì)是“穿新鞋”走“老路”，又回到教編程語(yǔ)言的語(yǔ)法、語(yǔ)句上來。

筆者多年來嘗試用作品案例教學(xué)法來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，將程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教材涉及的基本結(jié)構(gòu)、語(yǔ)句、方法和思想等按從易到難分解重構(gòu)，編成一個(gè)個(gè)有知識(shí)和能力水平梯度的程序作品案例。學(xué)生在作品案例提供的情境中學(xué)習(xí)用計(jì)算機(jī)可以處理的方式發(fā)現(xiàn)問題，界定問題，抽象建模，分解問題，設(shè)計(jì)算法形成解決方案，進(jìn)行半成品加工，總結(jié)方法，提升能力。實(shí)踐出真知，編程課程運(yùn)用作品案例教學(xué)法，學(xué)生不僅學(xué)會(huì)了程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)的語(yǔ)句，更學(xué)會(huì)了用計(jì)算機(jī)編程解決問題的計(jì)算思維，學(xué)生既見“樹木”（程序語(yǔ)句），又見“森林”（算法思維），計(jì)算思維得到有效培養(yǎng)。案例教學(xué)法的一般教學(xué)流程為：案例體驗(yàn)—抽象建?！纸鈫栴}—設(shè)計(jì)算法—半成品加工—總結(jié)遷移。

● 案例體驗(yàn)，感受猜拳游戲作品樂趣

學(xué)生運(yùn)行程序，顯示本機(jī)IP地址，網(wǎng)絡(luò)雙方均輸入對(duì)方IP地址，即可通過單擊表示錘子、剪刀、布的相應(yīng)按鈕體驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)版猜拳游戲的樂趣，如下圖所示。以往猜拳教學(xué)，為了降低程序難度迎合學(xué)生的學(xué)情，往往設(shè)計(jì)的是單機(jī)版猜拳游戲，但單機(jī)版猜拳游戲相當(dāng)于是自己的左手與右手猜拳，游戲的可玩性不高，現(xiàn)在改為網(wǎng)絡(luò)猜拳游戲后，增加了游戲的互動(dòng)性，學(xué)生玩得興致勃勃，創(chuàng)設(shè)了很好的生活情境。

● 抽象建模，理解現(xiàn)實(shí)世界在計(jì)算機(jī)世界表示方式

抽象的目的是去除細(xì)節(jié)，提取關(guān)鍵信息，將現(xiàn)實(shí)生活中的信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛糜?jì)算機(jī)可以表示的信息，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界問題向計(jì)算機(jī)可以解決問題轉(zhuǎn)化的重要一步。生活中的猜拳游戲是用手的不同形狀來分別表示錘子、剪刀和布，但在VB程序界面中既可以用顯示文字的按鈕（commandButton控件）來表示錘子、剪刀和布，也可以用不同形狀的圖像（Image控件）來表示錘子、剪刀和布。作品案例既創(chuàng)設(shè)了生活情境，也在情境中蘊(yùn)含了學(xué)生需要解決的問題和學(xué)習(xí)的知識(shí)，而發(fā)現(xiàn)問題是學(xué)生思維培養(yǎng)的開始。學(xué)生在體驗(yàn)了游戲后，很自然地發(fā)現(xiàn)問題：?jiǎn)螕舯硎惧N子、剪刀、布的按鈕，計(jì)算機(jī)如何顯示相應(yīng)的圖像？教師啟發(fā)學(xué)生觀察猜拳作品的界面組成，思考兩個(gè)問題并填寫下表：①按鈕控件和圖片控件是如何表示錘子、剪刀、布三種信息的？②按下按鈕如何顯示相應(yīng)的圖片？

學(xué)生通過分析上表，結(jié)合前面學(xué)過的控件數(shù)組知識(shí)，很快理解了“拳”圖像控件數(shù)組名稱為quan，index的值1代表錘子，2代表剪刀，3代表布，這樣就可用圖像控件數(shù)組元素quan（1）.picture、quan（2）.picture、quan（3）.picture來表示錘子、剪刀、布?！安氯卑粹o控件數(shù)組名稱為caiquan，index的值1代表出錘子，2代表出剪刀，3代表出布，當(dāng)按下相應(yīng)按鈕時(shí)，根據(jù)返回的index的值，quan（index）.picture就可以表示所出拳的圖像。通過抽象建模，把現(xiàn)實(shí)猜拳問題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)控制數(shù)組來表示，就可以用數(shù)學(xué)的問題來解決。

● 問題分解，用思維導(dǎo)圖自頂向下整體設(shè)計(jì)

分解是計(jì)算思維的一種重要的解決問題的方法，通過分解把復(fù)雜問題分解成簡(jiǎn)單問題，把整體問題分解成局部問題，再?gòu)慕鉀Q簡(jiǎn)單問題或局部問題入手找到解決問題的突破口?；谧髌钒咐姆纸馐菫榱俗寣W(xué)生對(duì)案例作品設(shè)計(jì)有整體了解，關(guān)注的是整體設(shè)計(jì)能力。根據(jù)前面體驗(yàn)游戲時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生把猜拳游戲分解為三個(gè)問題——本方如何出拳、網(wǎng)友如何出拳、如何判定勝負(fù)，再自頂向下逐步細(xì)化三個(gè)問題。

1.本方出拳（單擊按鈕事件）：①單擊錘子、剪刀、布任一按鈕，同時(shí)按鈕失效不能再按直到本局結(jié)束為止;②本機(jī)顯示相應(yīng)出拳的圖像;③將本機(jī)出拳對(duì)應(yīng)的數(shù)字信息發(fā)給網(wǎng)友。

2.網(wǎng)友出拳（接收數(shù)據(jù)事件）：①接收并保存網(wǎng)友發(fā)送來表示出拳的數(shù)字信息;②顯示網(wǎng)友出拳的圖片。

3.判定勝負(fù)（計(jì)時(shí)器觸發(fā)事件）：①判斷如果雙方都已出拳，如本機(jī)勝則本機(jī)勝數(shù)加1;②判斷如果雙方都已出拳，如網(wǎng)友勝則網(wǎng)友勝數(shù)加1。

學(xué)生體驗(yàn)游戲后能分解出這些動(dòng)作，從形象思維過渡到抽象思維，能力有一定的發(fā)展，但問題還未理清。教師提出問題：“先出拳的一方，如果出拳圖形立即在對(duì)方顯示，而對(duì)方還未出拳，那先出拳的就吃虧了，什么時(shí)候顯示網(wǎng)友出拳的圖像才合適？”學(xué)生很容易想到：應(yīng)該是雙方都出拳后再顯示對(duì)方出拳圖像最公平，只要本方未出拳，另一方即使先出拳并發(fā)送了出拳信息，也不應(yīng)該顯示。

因此，上述第2、3個(gè)問題調(diào)整為：

2.網(wǎng)友出拳（接收數(shù)據(jù)事件）：接收并保存網(wǎng)友發(fā)送來表示出拳的數(shù)字信息。

3.判定勝負(fù)（計(jì)時(shí)器觸發(fā)事件）：①判斷如果雙方都已出拳，則顯示網(wǎng)友出拳的圖像;②判斷如果雙方都已出拳，如本機(jī)勝則本機(jī)勝數(shù)加1;③判斷如果雙方都已出拳，如網(wǎng)友勝則網(wǎng)友勝數(shù)加1。

雖然事先采取自頂向下逐步細(xì)化設(shè)計(jì)各模塊功能，但在實(shí)際編程過程中仍會(huì)出現(xiàn)一些新問題，問題分解會(huì)在編程的整個(gè)過程中多次發(fā)生，直到問題被解決，而問題分解難度取決于作品案例的復(fù)雜度，這是常規(guī)解題式教學(xué)無法比擬的。因此基于作品案例的教學(xué)，讓學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、分解問題的過程中逐步形成解決問題方案，培養(yǎng)了計(jì)算思維。

● 算法設(shè)計(jì)，用流程圖理清局部問題

問題分解關(guān)注的是從全局角度自頂向下逐步細(xì)化的設(shè)計(jì)能力，而算法設(shè)計(jì)關(guān)注的是從局部角度應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決具體問題。算法是解決問題的明確步驟，是具體的操作過程。在理清了本方出拳、網(wǎng)友出拳、判定勝負(fù)三個(gè)問題后，算法設(shè)計(jì)聚焦于用所學(xué)的IF語(yǔ)句來解決“判定勝負(fù)”問題。借助流程圖，學(xué)生進(jìn)一步理清思路和步驟，為后繼進(jìn)行半成品程序加工掃清障礙。對(duì)于“判定勝負(fù)”問題，確定IF語(yǔ)句中“勝利的條件”是本問題的難點(diǎn)。教師以“本機(jī)勝利”條件為例讓學(xué)生小組合作，討論歸納本機(jī)勝利的條件。各小組通過列表法，列出雙方所有出拳情況及對(duì)應(yīng)的數(shù)值，分析表示網(wǎng)友出拳的netnum變量值、本機(jī)出拳的localnum值和本機(jī)勝負(fù)情況，根據(jù)本機(jī)勝的情況總結(jié)出本機(jī)勝利的條件：（netnum=1 and localnum=3） or （netnum=2 and localnum=1） or （netnum=3 and localnum=2）。有的小組比較三種勝利情況后還進(jìn)一步簡(jiǎn)化出本機(jī)勝利的另一種條件表示：（netnum-localnum=1） or （netnum-localnum=-2）。隨后學(xué)生根據(jù)此種列表法舉一反三推導(dǎo)出“網(wǎng)友勝利”的條件。通過流程圖描述算法和列表總結(jié)法推理出勝利條件，學(xué)生的計(jì)算思維得到了培養(yǎng)。

● 半成品加工，關(guān)注閱讀能力和思維能力培養(yǎng)

半成品加工是指根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的需要，保留作品整體的真實(shí)性、情境性和完整性，將作品的某些關(guān)鍵局部“留白”，讓學(xué)生應(yīng)用課堂所學(xué)知識(shí)將留白部分補(bǔ)充完善成為成品。本成品加工是培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移能力和解決問題能力的一種很重要的方法，這種方法既保留了程序作品整體設(shè)計(jì)代碼供學(xué)生學(xué)習(xí)借鑒，又讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)編程語(yǔ)句等知識(shí)，應(yīng)用程序語(yǔ)句實(shí)踐練習(xí)和深化基本結(jié)構(gòu)、語(yǔ)句命令等概念理解，達(dá)到知識(shí)與技能、方法和能力雙培養(yǎng)的目標(biāo)。

由于上節(jié)課學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了局域網(wǎng)QQ程序案例，懂得了使用VB中winsoca控件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息的收發(fā)原理，作品案例建立兩個(gè)窗體，一個(gè)窗體（form1）模擬本機(jī)，端口綁定1001，另一個(gè)窗體（form2）模擬網(wǎng)友，端口綁定1002，這樣學(xué)生運(yùn)行程序時(shí)就可以模擬本機(jī)和網(wǎng)友猜拳，方便學(xué)生調(diào)試程序代碼。程序調(diào)試正確后刪除模擬網(wǎng)友的form2窗體，就可與網(wǎng)友進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)游戲。教師首先指導(dǎo)學(xué)生閱讀“本機(jī)出拳”“網(wǎng)友出拳”“判定勝負(fù)”三個(gè)問題程序代碼，引導(dǎo)學(xué)生讀懂三個(gè)事件中語(yǔ)句或語(yǔ)句組的功能，而不必太關(guān)注語(yǔ)句語(yǔ)法，閱讀程序的過程，也是思維活動(dòng)的過程。由于本節(jié)課重點(diǎn)是用IF語(yǔ)句來解決如何“判定勝負(fù)”問題，將“雙方都已出拳條件”“本機(jī)勝條件”和“網(wǎng)友勝條件”留白，學(xué)生根據(jù)前面環(huán)節(jié)所設(shè)計(jì)的算法和總結(jié)的條件，用IF語(yǔ)句不斷調(diào)試直至實(shí)現(xiàn)程序功能后，雙方輸入對(duì)方網(wǎng)址，就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)版猜拳游戲，在游戲中感受到成功的喜悅和自豪。通過半成品作品加工，學(xué)生既學(xué)會(huì)案例程序的整體解決方案，又應(yīng)用所學(xué)概念、知識(shí)解決了特定情境的問題，計(jì)算思維得到了培養(yǎng)。

● 總結(jié)提升，培養(yǎng)思維遷移能力

歸納總結(jié)是從具體化情境中提煉出一般性知識(shí)和方法的過程，通過總結(jié)，學(xué)生不僅深刻領(lǐng)會(huì)了所學(xué)知識(shí)內(nèi)涵，還懂得了應(yīng)用知識(shí)在情境化場(chǎng)景中解決問題的方法，形成了解決問題的思維。本節(jié)作品案例教學(xué)通過列表法、問題分解法、流程圖描述法逐步形成問題解決方案，通過半成品加工策略實(shí)現(xiàn)算法，學(xué)生的思維由抽象到具體，計(jì)算思維能力培養(yǎng)落到實(shí)處。

教學(xué)有法，教無定法。教師只有深刻領(lǐng)會(huì)計(jì)算思維概念的內(nèi)涵和外延，才能在生活中發(fā)現(xiàn)計(jì)算思維的用武之地，在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)有趣的案例作品，融入計(jì)算思維，讓學(xué)生在問題化情境中發(fā)現(xiàn)問題，自主、協(xié)作探究，形成問題解決方案，學(xué)會(huì)編程思想和方法，促進(jìn)計(jì)算思維的發(fā)展。