參透算法要訣，劍指問題解決

主持人

李維明，教育部普通高中信息技術(shù)課標(biāo)修訂組核心成員，正高級教師（教授）

主持人語：繼教育部正式頒布《普通高中課程方案（2017年版）》及《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》之后，目前已完成新教材的編寫修訂工作。更為可喜的是，國務(wù)院辦公廳新近頒發(fā)了《關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》，提出了優(yōu)化課程實(shí)施的新舉措——結(jié)合推進(jìn)高考綜合改革，2022年前全面實(shí)施新課程、使用新教材，也就是在2022年之前新課程、新教材得到全面實(shí)施。為此，不少省區(qū)已經(jīng)制訂了全面推進(jìn)新課程的實(shí)施方案，新的教學(xué)時(shí)代即將展開。為配合即將到來的新課程、新教材的教學(xué)，“普通高中信息技術(shù)新課標(biāo)教學(xué)實(shí)施”專欄應(yīng)運(yùn)而生，目前已先后討論了“如何實(shí)施‘三新一舊的信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)”（共5期）和“信息技術(shù)學(xué)科課程教學(xué)條件的創(chuàng)設(shè)的基本策略”（共4期）等話題，得到了廣大信息技術(shù)教師和教研人員的支持和認(rèn)可。本期繼續(xù)針對“必修模塊1的教學(xué)”展開“普通高中信息技術(shù)新課標(biāo)實(shí)施之教學(xué)專題一”的研討，內(nèi)容包括“必修模塊1的教學(xué)概述”“必修模塊1的教學(xué)建議—單元1：數(shù)據(jù)與信息”“必修模塊1的教學(xué)建議—單元2：數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用”“必修模塊1的教學(xué)建議—單元3：算法與程序?qū)崿F(xiàn)（含了解人工智能）”及“必修模塊1的教學(xué)測評”等專題，以饗讀者。同時(shí)，也希望廣大信息技術(shù)教師、教研人員積極參與，獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，共同促進(jìn)學(xué)科課程的順利實(shí)施、健康發(fā)展。歡迎大家不吝賜稿（358211798@qq.com）。

普通高中信息技術(shù)新課標(biāo)實(shí)施之教學(xué)專題一

必修模塊1的教學(xué)

必修模塊1的教學(xué)概述

必修模塊1的教學(xué)建議—單元1：數(shù)據(jù)與信息

必修模塊1的教學(xué)建議—單元2：數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用

必修模塊1的教學(xué)建議—單元3：算法與程序?qū)崿F(xiàn)（含了解人工智能）

必修模塊1的教學(xué)測評

“算法與程序?qū)崿F(xiàn)（含了解人工智能）”是《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）“必修模塊1：數(shù)據(jù)與計(jì)算”中的重要內(nèi)容之一，主要包括簡單算法的表示與編程實(shí)現(xiàn)，也包括人工智能的了解與認(rèn)識等幾個方面。在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)以算法為要旨，以編程為手段，以問題解決為核心展開教學(xué)。

參透“算法”

算法是指一個有窮規(guī)則的集合，也就是一個解決某一特定類型問題的運(yùn)算序列。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，為保證計(jì)算機(jī)有序執(zhí)行指令，算法都具有指定輸入、指定輸出、確定性、有效性和有限性五個基本屬性——這些定義是比較專業(yè)而又抽象的。而在《標(biāo)準(zhǔn)》中，對算法學(xué)習(xí)的要求并不是那么專業(yè)，只是“從生活實(shí)例出發(fā)，概述算法的概念與特征，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)拿枋龇椒ê涂刂平Y(jié)構(gòu)表示簡單算法”。這里提到的算法的“概念與特征”用前述的一段文字就可概括;對如何“運(yùn)用恰當(dāng)?shù)拿枋龇椒ê涂刂平Y(jié)構(gòu)表示簡單算法”也可以分別來認(rèn)識。

首先什么才是描述算法“恰當(dāng)?shù)摹钡姆椒?，《?biāo)準(zhǔn)》里并沒有明確指出，但在目前教育部已經(jīng)審定的幾套教材中，幾乎都有著同樣的表述——描述算法的方法有“自然語言”“流程圖”和“偽代碼”等三種，而對“控制結(jié)構(gòu)”也同樣說明有“順序結(jié)構(gòu)”“選擇結(jié)構(gòu)”和“循環(huán)結(jié)構(gòu)”等三種。

然后就是如何“運(yùn)用”這些方法和控制結(jié)構(gòu)來描述算法。《標(biāo)準(zhǔn)》中提出：“創(chuàng)設(shè)程序設(shè)計(jì)的活動情境，組織學(xué)生在解決問題的過程中探究順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過小組學(xué)習(xí)，分析問題，設(shè)計(jì)解決問題的算法?！边@里提到的創(chuàng)設(shè)“活動情境”，是什么樣的情境呢？教材中也將其具體化了：有描述洗衣機(jī)“洗衣流程”的，也有描述“紅燈變綠燈”的，還有A市到B市“最短路線”的……不管設(shè)置什么樣的情境，都是便于學(xué)生“探究”方法結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，“設(shè)計(jì)”解決問題的算法。

倚重“編程”

所謂“編程”，就是使用某種語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)算法的通俗說法。在《標(biāo)準(zhǔn)》中，對編程的要求首先是“掌握一種程序設(shè)計(jì)語言的基本知識”，這是《標(biāo)準(zhǔn)》中少有的提法。何為“掌握”？一般的解釋是：能理解學(xué)習(xí)材料的內(nèi)涵和意義，并能在熟悉的基礎(chǔ)上加以靈活運(yùn)用。由此可見《標(biāo)準(zhǔn)》要求的“掌握一種程序設(shè)計(jì)語言的基本知識”就是要求學(xué)生能理解“程序設(shè)計(jì)語言”的內(nèi)涵和意義，在熟悉“程序設(shè)計(jì)語言”的基礎(chǔ)上，能靈活運(yùn)用，從而達(dá)到“使用程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)簡單算法”的要求。

“掌握”的含義不僅僅如此，更需要“通過解決實(shí)際問題，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的基本流程，感受算法的效率，掌握程序調(diào)試與運(yùn)行的方法”。什么是實(shí)際問題呢？《標(biāo)準(zhǔn)》給出了一些例子。例如，通過編程實(shí)現(xiàn)枚舉法中的“百錢買百雞”等經(jīng)典案例，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的基本過程，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的基本方法;通過設(shè)計(jì)“選課系統(tǒng)”“趣味小游戲”等具有一定實(shí)用價(jià)值的程序，培養(yǎng)學(xué)生利用程序設(shè)計(jì)解決實(shí)際問題的基本能力。

其中“百錢買百雞”的問題，是我國古代的一道經(jīng)典的數(shù)學(xué)題，解決時(shí)需要先分析問題，尋找解決問題的方法，然后再將其抽象，建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出算法，用計(jì)算機(jī)語言設(shè)計(jì)程序，運(yùn)算出結(jié)果。而對于選課系統(tǒng)，趣味小游戲則需要花更多的時(shí)間去進(jìn)行需求分析，搞清楚需要解決的問題是什么，然后才能建立模型設(shè)計(jì)算法，最終達(dá)到解決問題的目的。所以，不管解決什么樣的實(shí)際問題，都需要親歷計(jì)算機(jī)解決問題的一般過程：分析問題—設(shè)計(jì)算法—編寫程序—調(diào)試運(yùn)行。

從以上分析可以看出，編程是實(shí)現(xiàn)算法、解決問題的重要手段，也是《標(biāo)準(zhǔn)》必修模塊1教學(xué)的重難點(diǎn)所在，建議教學(xué)時(shí)預(yù)留足夠的課時(shí)，讓學(xué)生動手設(shè)計(jì)程序、調(diào)試程序，從而掌握編程解決真實(shí)問題的基本技能，以達(dá)成本模塊的教學(xué)目標(biāo)。

如果把眼界再放開來看，整個高中的信息技術(shù)課程，用“數(shù)據(jù)”“算法”可以將其貫穿，而實(shí)現(xiàn)算法、處理數(shù)據(jù)的方法其實(shí)都與編程解決問題息息相關(guān)（如下頁圖）。

由此可見，“掌握一種程序設(shè)計(jì)語言的基本知識”、編程“解決實(shí)際問題”的技能何其重要。在教學(xué)中一定要對其高度重視，特別是在必修模塊1的教學(xué)中，絕不能掉以輕心。

至于學(xué)習(xí)編程時(shí)選擇什么語言，《標(biāo)準(zhǔn)》并未指定，不過從教育部新審定通過的五套教材來看，全都不約而同選擇了當(dāng)今最為流行的編程語言：Python。這是因?yàn)镻ython有相對較少的關(guān)鍵字，結(jié)構(gòu)簡單，有一個明確定義的語法，學(xué)習(xí)起來更加簡單;Python代碼定義得更清晰，易于閱讀;Python的源代碼易于維護(hù);Python語言是免費(fèi)使用的，獲得也十分容易。當(dāng)然，選擇什么語言并不重要，因地制宜才是正確的選擇之道。

正視AI

對于人工智能（AI）的知識，算法及硬件技術(shù)的突破，使得“昔日王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”，人臉識別、語音識別、無人駕駛等應(yīng)用，早已耳熟能詳，婦孺皆知。目前的人工智能教育，社會上熱度很高，但對于信息技術(shù)課程來說，不能簡單地跟風(fēng)炫酷，而要“通過人工智能典型案例的剖析，了解智能信息處理的巨大進(jìn)步和應(yīng)用潛力，認(rèn)識人工智能在信息社會中的重要作用”。這是《課標(biāo)》的要求，也是在高中必修課程學(xué)習(xí)期間應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)。

這里的幾個關(guān)鍵詞是“剖析”“了解”“認(rèn)識”，這正好表明了對人工智能部分學(xué)習(xí)要求的程度，其中最難把握的是“剖析”。《中國現(xiàn)代漢語大詞典》對“剖析”的解釋是：“【剖析】動分析、解說?！边@是動詞，是需要在教學(xué)中對“人工智能典型案例”進(jìn)行“分析”“解說”，從而達(dá)到“了解”和“認(rèn)識”的作用。那什么才是“人工智能典型案例”？《標(biāo)準(zhǔn)》舉出了實(shí)例：“例如：通過研討人工智能在智力競賽及圖像記憶挑戰(zhàn)中奪冠、戰(zhàn)勝頂級人類棋手等事件……”也就是說，教學(xué)中需要對類似這樣的圖像識別、人機(jī)博弈等應(yīng)用進(jìn)行“分析”“解說”，讓學(xué)生了解其“進(jìn)步”和“潛力”，認(rèn)識其在社會中的重要作用，從而“引導(dǎo)學(xué)生深入了解人工智能技術(shù)，思考人工智能發(fā)展對社會發(fā)展的影響，以及可能會引發(fā)的社會問題”。

對于教學(xué)的方法，《標(biāo)準(zhǔn)》建議：“在教學(xué)實(shí)施中，教師可通過情境模擬或?qū)嵕坝^察等方式，讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能對社會發(fā)展的影響，感受人工智能與社會各領(lǐng)域結(jié)合所帶來的巨大變化，思考人工智能廣泛使用可能會引發(fā)的社會問題及應(yīng)對策略。”在新課標(biāo)教材中，都設(shè)置了一些人工智能應(yīng)用的典型應(yīng)用案例供學(xué)生進(jìn)行“剖析”，如“空調(diào)企業(yè)智能客服機(jī)器人”“智能班級交互系統(tǒng)”“手寫數(shù)字識別”等，試圖通過這些案例的剖析，讓學(xué)生了解人工智能的應(yīng)用，認(rèn)識人工智能的作用。

按《標(biāo)準(zhǔn)》的表述，至此已經(jīng)達(dá)到教學(xué)的要求。但其中似乎少了一些學(xué)生對人工智能技術(shù)的參與及體驗(yàn)。也就是說，之前學(xué)生學(xué)習(xí)了程序設(shè)計(jì)語言，進(jìn)行了編程實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了一些“算法”，而人工智能也是某種“算法”，只不過復(fù)雜程度更高而已。能否讓學(xué)生通過簡單的編程，調(diào)用人工智能算法來實(shí)現(xiàn)自己的“人工智能應(yīng)用”功能，去解決應(yīng)用中的一些簡單的問題呢？答案是肯定的。有些教材就考慮到了這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“編程調(diào)用平臺中的智能工具”，開發(fā)自己的智能應(yīng)用，如智能“信息值守機(jī)器人”“人工智能繪畫”“智能客服機(jī)器人仿真系統(tǒng)”等，既照應(yīng)了之前的語言學(xué)習(xí)，又拓展了學(xué)生的智能體驗(yàn)，可謂一舉兩得。

總之，本單元的教學(xué)內(nèi)容相當(dāng)重要，教學(xué)難度之大、教學(xué)時(shí)間之長可想而知，教學(xué)中必須十分重視，只有抓住“算法”核心，倚重“編程”手段，劍指“問題解決”，方能出奇制勝，取得良好的教學(xué)效果。