在親歷計算機解決問題的全過程中發(fā)展計算思維

程建娜

在數(shù)字時代，數(shù)據(jù)既是信息的載體，也是計算機加工的對象。信息技術(shù)的發(fā)展，在某種意義上就是構(gòu)造、存儲、計算相應(yīng)數(shù)據(jù)的能力的發(fā)展。從應(yīng)用角度看，信息技術(shù)已然成為人們?nèi)粘Ｉ睢W(xué)習(xí)和工作中不可或缺的工具，我們習(xí)慣利用計算機來解決各式各樣的問題，可以說，“程序驅(qū)動”的數(shù)字化工具不僅改變了我們的生活與學(xué)習(xí)方式，而且改變著我們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與思維品質(zhì)。因而，在“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”模塊內(nèi)容的教學(xué)中，教師要引領(lǐng)學(xué)生在學(xué)習(xí)處理數(shù)字化環(huán)境下復(fù)雜性問題的過程中，深層次理解這些技術(shù)工具，知道它們的工作方法和應(yīng)用流程，明白其中的數(shù)據(jù)是如何進行“計算”的，并能用計算機編程方式進行問題求解，從中發(fā)展計算思維。在學(xué)習(xí)中，既要強調(diào)對算法這一關(guān)鍵學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，也要注重形成運用計算思維解決問題的關(guān)鍵能力的培養(yǎng)。實際上，無論算法的學(xué)習(xí)還是計算思維的培養(yǎng)，都不是孤立存在的，也不能單獨教學(xué)習(xí)得，它們滲透在計算機解決問題的過程中。我們要有意識地幫助學(xué)生親歷計算機解決問題的全過程，從分析問題、設(shè)計算法并編程實現(xiàn)的過程中，逐步培養(yǎng)計算思維。

理解用計算機解決問題的全過程，把握算法與程序的關(guān)系

用計算機解決問題需要借助編程的方式實現(xiàn)，但這并不等同于簡單的程序設(shè)計的教學(xué)，不是純粹的代碼編程。在教學(xué)中，教師要首先幫助學(xué)生理解用計算機解決問題的一般過程與方法，明晰這種問題解決方式的特點和優(yōu)勢，從中把握算法、程序和計算思維之間的關(guān)系，以便在后續(xù)的學(xué)習(xí)中遷移應(yīng)用。

例如，教師可以通過常見問題解決的兩種方式對比，如比較“路口交通指揮問題”中交警用手勢指揮交通和用“程序控制”的信號燈指揮交通的異同，幫助學(xué)生理解解決問題的方式并不唯一。使用人工方式進行問題處理時，人們主要是借助解決同類問題的經(jīng)驗尋找求解方法，帶有較強的嘗試、試探的意圖，一種方法行不通，就換一種方法。而用計算機解決問題時，則需要在問題分析的基礎(chǔ)上，具體規(guī)劃求解方案并設(shè)計出具體的算法步驟，然后根據(jù)制訂的這些步驟編寫程序，最終實現(xiàn)問題的自動化求解。在對比分析中，教師要引導(dǎo)學(xué)生歸納出其中問題解決的共性過程，即需要先對問題進行分析，隨后隱性或顯性地設(shè)計出解決方案，然后再進行問題解決，并且在此過程中還要根據(jù)解決的結(jié)果隨時修正過程。同時教師要讓學(xué)生在對比中對用計算機解決問題的過程有更深入的理解，計算機解決問題并不神秘，其中最為核心的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是算法的設(shè)計，計算機需要按照制訂好的算法步驟執(zhí)行相應(yīng)的指令，而編寫程序?qū)嶋H上就是實現(xiàn)算法的過程。

通過這樣的分析，學(xué)生很容易區(qū)分“算法”和“程序”，理解二者間的關(guān)系，進而能透過生活中技術(shù)應(yīng)用的“現(xiàn)象”認(rèn)識其“本質(zhì)”。同時，理解了用計算機解決問題的過程，學(xué)生也就不會再過于糾結(jié)程序設(shè)計語言的選用，不會畏難于某些代碼的編寫。實際上，算法與程序的學(xué)習(xí)，并不是要求學(xué)生系統(tǒng)地掌握程序設(shè)計專業(yè)知識，更不是要把他們培養(yǎng)成編程專家，而是希望學(xué)生在體驗計算機解決問題的過程中，能真切認(rèn)識到從“工業(yè)社會思考與解決問題方式”到“信息社會思考與解決問題方式”變革的內(nèi)在原因，理解當(dāng)今數(shù)字化世界的運轉(zhuǎn)方式，能有意識且負(fù)責(zé)任地使用信息化工具，掌握信息化社會中解決問題的一般方法。

親歷用計算機解決問題的全過程，關(guān)注問題分析與算法設(shè)計

在以往的編程解決問題的教學(xué)中，經(jīng)常會出現(xiàn)這樣的狀況：學(xué)生對問題還沒有理解清楚，還沒思考出具體的問題解決步驟，就急于編寫程序代碼。對他們而言，寫出代碼就等于解決了問題，但實際上這種學(xué)習(xí)的結(jié)果是學(xué)生一直在盲目地修改代碼，而問題卻最終也無法得到很好地解決，能力也沒得到發(fā)展，甚至產(chǎn)生學(xué)習(xí)挫敗感。因此，在教學(xué)中教師一定要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注對問題的分析和設(shè)計算法的過程，所謂“謀定而后動”，只有明確要做什么和確定好如何做，后面的編程實現(xiàn)才能“水到渠成”。

1.分析問題，關(guān)注問題的可計算處理

在解決問題前，教師要幫助學(xué)生弄清楚需要計算機解決什么問題，即“做什么”的問題，并確定解決問題的相關(guān)因素，如已知信息、求解目標(biāo)和條件關(guān)系等。問題分析的過程可以采用抽象的方法提取問題關(guān)鍵細(xì)節(jié)，并轉(zhuǎn)化成可計算的問題。此時，不同的問題對應(yīng)的抽象模型可能不同。例如，分析紅燈變綠燈問題，可以從問題解決過程入手，確定出初始狀態(tài)、中間狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài);而分析畫50個同心圓問題，可以從已知條件（同心圓的個數(shù)和相鄰?fù)膱A的半徑差）出發(fā)，明確與求解目標(biāo)之間的隱含關(guān)系（同心圓的圓心相同）。

2.分解問題，著眼于問題解決的全過程

當(dāng)要解決的問題比較復(fù)雜時，需要引導(dǎo)學(xué)生先將問題按照求解過程分解為若干個相對獨立的功能，然后再對各個特定功能分別進行算法設(shè)計（描述出詳細(xì)的操作步驟）。在分解問題時可以采用“分而治之”的方法，按照問題求解過程或者系統(tǒng)功能分解為若干功能模塊（每個模塊實現(xiàn)每個模塊的特定功能）。其中，如果分解的某些功能仍然比較復(fù)雜，還可再進行細(xì)分，從而建立多層的結(jié)構(gòu)體系。通過這樣的問題功能分解，可以幫助學(xué)生著眼于問題解決的全過程，先全局后局部，先整體后細(xì)節(jié)，先抽象后具體，分層逐步解決。教學(xué)中需要注意的是，問題分解的角度并不唯一，不同的角度所得的功能分解的結(jié)果不盡相同，我們要允許和鼓勵學(xué)生進行多樣化的問題思考。

3.聚焦算法設(shè)計，突出算法在問題解決中的核心作用

在以往的教學(xué)中，有的教師經(jīng)常會弱化算法的學(xué)習(xí)，將其作為某一知識內(nèi)容，學(xué)習(xí)后就不再過多關(guān)注，不太強調(diào)其在編程解決問題中的作用，甚至在后面的編程解決問題中也常常脫離算法的設(shè)計，直接進行程序語句的編寫。其實，每個程序都是用來解決特定的計算問題。其中，計算處理數(shù)據(jù)的過程是程序最重要的組成部分，也是算法實現(xiàn)的關(guān)鍵。因此，在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生重視問題解決的算法設(shè)計，要先將算法設(shè)計并表示出來。實際上，設(shè)計算法的過程，也是顯性化、明確化地展現(xiàn)問題求解的過程，是學(xué)生思維結(jié)果的可視化呈現(xiàn)，便于其直觀分析問題解決過程的合理性和有效性，對后續(xù)編寫程序、實現(xiàn)問題解決起到至關(guān)重要的作用。

教學(xué)中，我們還要注意問題解決的算法設(shè)計許多時候不是一蹴而就的，而是迭代完善的。教師要根據(jù)具體問題，通過提問、追問等方式，逐步引導(dǎo)學(xué)生思考，最終實現(xiàn)問題解決。例如，在編寫體重指數(shù)“計算器”程序的過程中，可以先讓學(xué)生編寫“計算體重指數(shù)”的程序，從中理解“輸入數(shù)據(jù)—處理數(shù)據(jù)—輸出數(shù)據(jù)”的算法步驟的執(zhí)行過程。然后提出問題：如何實現(xiàn)對用戶的體重指數(shù)給出等級判定？從而引出迭代任務(wù)“評定體重指數(shù)等級”，這時學(xué)生先要對不同用戶的體重等級情況進行不同的分支表示，用流程圖描述出該算法，再根據(jù)分支情況使用適合的程序語句進行編程。最后，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)程序還存在哪些問題，有學(xué)生會提出：該程序運行一次只能判定一個人的體重指數(shù)等級，不能實現(xiàn)多次判斷。由此，進入程序的再次迭代完善，教師引導(dǎo)學(xué)生思考哪些操作需要重復(fù)進行，如何控制重復(fù)的次數(shù)，從而進入循環(huán)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，并利用循環(huán)語句完成最終的體重指數(shù)“計算器”程序。這樣的學(xué)習(xí)過程，既體現(xiàn)了真實的問題解決過程，即不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，也讓學(xué)生在潛移默化中理解了迭代的思想。

4.理解算法的多樣性及其對問題解決效率的影響

教學(xué)中，教師既要強調(diào)問題解決中算法設(shè)計的多樣、解決同一問題可能會有不同的算法、不同算法求解的過程可能有所不同，又要引導(dǎo)學(xué)生分析不同的算法在問題解決效率上的差異，同時還要突出計算機程序?qū)崿F(xiàn)算法自動化的優(yōu)勢，幫助學(xué)生理解數(shù)字化工具在解決問題中的核心特征。例如，“從若干個相同的零件中找出質(zhì)量較輕的零件”活動的問題求解算法并不唯一，可以用一一比較的枚舉法，也可以采用二分法。顯然，當(dāng)零件個數(shù)n足夠大，如n=10000時，后一種方法解決問題的速度更快。這里，教師也可以提供程序，讓學(xué)生通過運行程序，填寫實驗報告，具體感受算法的效率，從而加深對算法在計算機解決問題中作用的認(rèn)識。

借助真實的問題情境，更自如地參與到用計算機解決問題的過程中

在教學(xué)中，教師要有意識地提供一些生活中真實的數(shù)字化應(yīng)用案例，引導(dǎo)學(xué)生思考其中問題解決的核心，將算法和程序的學(xué)習(xí)與具體的生活應(yīng)用場景相關(guān)聯(lián)。因而，學(xué)生不再是僅僅學(xué)習(xí)純粹的知識技能，更重要的是對真實情境中技術(shù)實現(xiàn)原理進行剖析，從而揭開數(shù)字化工具背后的“神秘面紗”。學(xué)生不再是被動地使用技術(shù)，而是能夠真正理解這些技術(shù)的實現(xiàn)，從而更自如地應(yīng)用技術(shù)來解決問題。例如，在學(xué)習(xí)程序三種基本結(jié)構(gòu)時，可以讓學(xué)生嘗試解釋某些現(xiàn)實場景應(yīng)用背后的技術(shù)實現(xiàn)思想，如空調(diào)的定時開關(guān)機、車庫的自動抬桿、音樂播放器反復(fù)播放歌單曲目等，幫助學(xué)生理解其中蘊含的順序、選擇和循環(huán)思想。再如，在學(xué)習(xí)解析算法時，可以基于真實情境提出案例分析，如手環(huán)中給出的運動消耗卡路里值是如何計算出來的？打車軟件中預(yù)估車費是怎么實現(xiàn)的？通過生活實際應(yīng)用，分析其中程序功能實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，學(xué)生在認(rèn)識算法、編程實現(xiàn)的同時，也進一步提高對數(shù)字化工具背后技術(shù)思想和方法的感悟，甚至激發(fā)進一步改進完善技術(shù)的興趣。

計算思維是一種處理信息問題的重要思考方式，是未來科技創(chuàng)新的重要助推力，更是21世紀(jì)學(xué)生自主發(fā)展的核心素養(yǎng)之一。發(fā)展計算思維，能讓學(xué)生像信息技術(shù)專家一樣思考，理解信息社會問題，并成長為合格的“數(shù)字公民”。信息技術(shù)的學(xué)習(xí)雖然包括了技能學(xué)習(xí)，但不等同于單純的操作訓(xùn)練，還必須讓學(xué)生掌握必要的應(yīng)用方法，以便在不同情境下，能應(yīng)用這些技能解決問題。因此，在教學(xué)中不僅要強調(diào)學(xué)生動手參與實踐，嘗試編寫程序、調(diào)試運行代碼，更要注重引導(dǎo)學(xué)生進行問題的分析和算法的設(shè)計，讓其“綜合應(yīng)用”各種知識（甚至跨學(xué)科知識）進行真實“問題解決”，使其親歷編程解決問題的全過程，重視對用計算機解決問題過程中方法的分析與梳理。其中無論是用抽象的方法分析問題，用分而治之的思想分解問題，用算法步驟描述問題解決過程，還是編寫程序?qū)崿F(xiàn)自動化求解，甚至調(diào)試運行程序等，都是計算思維能力發(fā)展的核心要素，都需要學(xué)生在親歷計算機解決問題的全過程中逐步掌握。