基于問(wèn)題解決思路的中小學(xué)計(jì)算思維內(nèi)容研究

管海蓉

2017版的高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中，第一次明確提出將計(jì)算思維作為學(xué)科的核心素養(yǎng)。如何結(jié)合現(xiàn)有教材內(nèi)容，在教學(xué)中融入計(jì)算思維，這是中小學(xué)信息技術(shù)教師的困惑，也是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為了嘗試梳理這個(gè)問(wèn)題，筆者組織了地區(qū)內(nèi)不同年級(jí)段和學(xué)校的信息技術(shù)教師，開展了將計(jì)算思維融入當(dāng)前教學(xué)的實(shí)踐研究。本研究嘗試通過(guò)教師易于理解和實(shí)施的問(wèn)題解決思路，建立計(jì)算思維教學(xué)內(nèi)容挖掘的一般路徑，進(jìn)行義務(wù)教育階段計(jì)算思維教學(xué)內(nèi)容的梳理，為一線中小學(xué)信息技術(shù)教師提供具有操作性的經(jīng)驗(yàn)建議。結(jié)合我區(qū)中小學(xué)信息技術(shù)課程以問(wèn)題解決為主的特點(diǎn)，我們確立了發(fā)掘計(jì)算思維教學(xué)內(nèi)容的一般研究路徑，并將其歸納為了解工具、描述問(wèn)題、分解問(wèn)題、確定方法、驗(yàn)證結(jié)果、尋求更佳六個(gè)部分。

了解工具——計(jì)算機(jī)的工作原理和方式

計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為人們解決生活中的問(wèn)題的不可或缺的工具。了解計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，知道它能做什么、擅長(zhǎng)做什么、不擅長(zhǎng)做什么，如何發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)共同解決問(wèn)題，則是我們用好它的前提。存儲(chǔ)程序、順序執(zhí)行、計(jì)算機(jī)的工作速度、刻板執(zhí)行、對(duì)象化思維等都是計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)和工作方式，在融入計(jì)算思維的教學(xué)中，可以由此入手，引導(dǎo)學(xué)生了解這些特點(diǎn)，以便于更好地利用工具解決問(wèn)題。

以對(duì)象化思維為例，圖形化操作界面Windows的誕生，將DOS的命令行操作方式徹底顛覆，這是工具本身工作原理的變化帶來(lái)使用方式的變化，對(duì)象的概念漸入人心。然而，很多時(shí)候使用者并不自知，學(xué)科教育者則有必要將其梳理歸納，以提升工具使用的專業(yè)性和有效性。信息技術(shù)中的對(duì)象與管理，說(shuō)的是基于數(shù)字化對(duì)象的管理思想和方法。對(duì)象可能是數(shù)字化設(shè)備，也可能是計(jì)算機(jī)文件，還可能是文件中的構(gòu)成元素。[1]

《修改圖形》案例為我區(qū)某教師在三年級(jí)畫圖單元進(jìn)行融入計(jì)算思維教育研究的展示課。本課在完成基本教學(xué)任務(wù)的同時(shí)設(shè)計(jì)了幾個(gè)活動(dòng)：活動(dòng)一比較紙筆繪圖和計(jì)算機(jī)繪圖的操作方式，歸納出都需要先選擇工具、給予屬性、確認(rèn)位置、開始操作，這是以對(duì)象方式進(jìn)行操作的體驗(yàn);活動(dòng)二比較紙筆繪圖和計(jì)算繪圖的操作方式在刪除時(shí)的不同，計(jì)算機(jī)用區(qū)域選擇的方式可以更準(zhǔn)確、快捷、高效地完成工作，但細(xì)節(jié)上的處理無(wú)法精細(xì);活動(dòng)三通過(guò)區(qū)域“加”“減”的方法繪制圖形，這是基于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)特殊的工作方法。

計(jì)算思維的描述比較抽象，無(wú)法直接呈現(xiàn)給學(xué)生，給學(xué)生的應(yīng)當(dāng)是去名詞化的體驗(yàn)與感受。如上述設(shè)計(jì)，計(jì)算思維融入教學(xué)，只需要在現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容中拓展點(diǎn)撥幾句，并且長(zhǎng)期持續(xù)堅(jiān)持在不同章節(jié)進(jìn)行關(guān)聯(lián)與鞏固。長(zhǎng)此以往，自然而然就會(huì)轉(zhuǎn)化成其自身素養(yǎng)。

描述問(wèn)題——通過(guò)數(shù)字化將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為“可計(jì)算”問(wèn)題

計(jì)算機(jī)歸根到底執(zhí)行的是數(shù)值計(jì)算，將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)問(wèn)題才有可能通過(guò)計(jì)算用計(jì)算機(jī)予以解決。凡是需要計(jì)算機(jī)加工處理的信息都要用數(shù)據(jù)的形式表達(dá)。[2]

例如，文字的存儲(chǔ)有數(shù)值化了的ASCII碼和GBK，文字的顯示打印有各種數(shù)值化了的字庫(kù)，圖片存儲(chǔ)的紅黃綠顏色是數(shù)值，聲音視頻也都是先數(shù)值化。這些數(shù)值存儲(chǔ)在電腦里如何區(qū)別與協(xié)作，則依賴于各種預(yù)定的編碼集、制式、協(xié)議等規(guī)則。

以江蘇省初中八年級(jí)信息技術(shù)第1章《動(dòng)畫設(shè)計(jì)與制作》動(dòng)作補(bǔ)間動(dòng)畫的教學(xué)內(nèi)容為例，課本中僅描述了動(dòng)作補(bǔ)間動(dòng)畫的制作流程，在大多數(shù)課堂上，能夠在這節(jié)課完成位置、大小、透明度的變化的教學(xué)內(nèi)容已較為令人滿意。我區(qū)計(jì)算思維研究實(shí)踐課中，教師的設(shè)計(jì)只多了一步——制作位置變化的同時(shí)，要求學(xué)生觀察信息面板并進(jìn)行對(duì)比，得到起始和結(jié)束關(guān)鍵幀上該元件的不同位置是用X值、Y值（坐標(biāo)）確定的，再嘗試討論中間幀的具體坐標(biāo)值，以理解動(dòng)畫補(bǔ)間之所以可以實(shí)現(xiàn)元件位置的自動(dòng)變化，實(shí)際上是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)問(wèn)題，計(jì)算機(jī)通過(guò)預(yù)定的算法計(jì)算確定了不同幀上該元件的坐標(biāo)。在完成這一討論后，教師繼而提出：觀察面板還有哪些信息是數(shù)值化的？它們也可以自動(dòng)變化嗎？由于實(shí)驗(yàn)班級(jí)的學(xué)生在七年級(jí)的圖片處理等學(xué)習(xí)中也有相關(guān)數(shù)值化的訓(xùn)練，他們就很容易發(fā)現(xiàn)，大小、角度、顏色、亮度Alpha值的變化，都可以通過(guò)面板上的數(shù)值進(jìn)行精確控制。

計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)，計(jì)算的對(duì)象是數(shù)值。數(shù)字化這一思想貫穿了整個(gè)信息技術(shù)的各種應(yīng)用，也因此貫穿在整個(gè)中小學(xué)信息技術(shù)課程中，只不過(guò)在以往的教學(xué)中，我們注重了操作技能的訓(xùn)練，而忽視了思想方法的剖析。利用“數(shù)字化”的思想，將不同章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行融合，便于學(xué)生更深入地理解學(xué)習(xí)的內(nèi)容和學(xué)科的思想。

分解問(wèn)題——通過(guò)抽象和分治思想“計(jì)算機(jī)形式化”現(xiàn)實(shí)問(wèn)題

所謂“計(jì)算機(jī)形式化”，是指在信息活動(dòng)中能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問(wèn)題，抽象關(guān)鍵要素，分析要素間的關(guān)系。[3]什么是計(jì)算思維中的抽象？學(xué)科的基本問(wèn)題不是針對(duì)一個(gè)學(xué)科的具體問(wèn)題提出來(lái)的，而是在一個(gè)學(xué)科一大類具體問(wèn)題的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析這類問(wèn)題共同的特點(diǎn)和本質(zhì)屬性，經(jīng)過(guò)總結(jié)、提煉得到更一般化的抽象的問(wèn)題。[4]在問(wèn)題解決過(guò)程中，抽象的目的，是為了把現(xiàn)實(shí)問(wèn)題約簡(jiǎn)、轉(zhuǎn)化、分解成計(jì)算機(jī)可直接解決的問(wèn)題。

例如，在Flash動(dòng)畫章節(jié)，有將空間上復(fù)雜的關(guān)系分解成不同圖層，簡(jiǎn)化單個(gè)圖層的操作解決局部問(wèn)題的方法，也有將時(shí)間上的先后關(guān)系分解成時(shí)間軸上的不同部分或更加集成化地分解成場(chǎng)景的方法;音視頻制作中用軌道分別處理不同的呈現(xiàn)內(nèi)容;網(wǎng)絡(luò)中使用OSI分層處理通信數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從硬件到軟件之間有序的數(shù)據(jù)傳遞;在程序設(shè)計(jì)中更是有模塊化思想、有分冶的算法。正如周以真教授所說(shuō)的關(guān)注點(diǎn)分離，將大問(wèn)題分解成可以直接解決的小問(wèn)題，是動(dòng)畫制作、音視頻制作、網(wǎng)絡(luò)通信、程序設(shè)計(jì)中的一般化方法。分解過(guò)程將問(wèn)題小型化、集中化，方便設(shè)計(jì)、實(shí)施和解決，通過(guò)接口或其他方式再對(duì)小問(wèn)題進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)完整的任務(wù)需求，這也正是信息技術(shù)學(xué)科的問(wèn)題基本解決方式。

確定方法——算法和程序思維

將問(wèn)題解決過(guò)程細(xì)化、步驟化離不開算法和程序的思維。馮·諾依曼的存儲(chǔ)程序原理看起來(lái)抽象，但其實(shí)仍可融入中小學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。例如，保存文件的操作順序，繪畫過(guò)程中先選工具再設(shè)屬性，繼而是操作的順序，編程中積木塊或語(yǔ)句的順序，無(wú)一不在體現(xiàn)計(jì)算存儲(chǔ)程序、按序執(zhí)行的基本工作方式，可以通過(guò)教學(xué)中的指向性活動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算思維的滲透。

確定方法時(shí)，算法和程序也是必不可少的。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，算法應(yīng)具有指定輸入、指定輸出、確定性、有效性和有限性五個(gè)基本屬性。從程序結(jié)構(gòu)來(lái)看，通過(guò)順序執(zhí)行、條件分支和循環(huán)三種結(jié)構(gòu)方式可基本完成算法的流程，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問(wèn)題條理化和簡(jiǎn)單化。[5]在中小學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)中，尤其是程序設(shè)計(jì)類教學(xué)中，涉及上述相關(guān)內(nèi)容較多，一線教師對(duì)此也較為了解。

驗(yàn)證結(jié)果——檢驗(yàn)工程在不同情況下的可靠性和穩(wěn)定性

用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題，實(shí)際上也是某種系統(tǒng)工程，檢驗(yàn)工程的可靠性和穩(wěn)定性是必不可少的環(huán)節(jié)。在周以真教授關(guān)于計(jì)算思維內(nèi)容的解讀中，對(duì)冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)等系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容有過(guò)明確闡述。

研究團(tuán)隊(duì)教師在小學(xué)課堂的二維碼教學(xué)設(shè)計(jì)中，嘗試融入了冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)思想的教學(xué)內(nèi)容，以下是擷取的兩個(gè)片段。

探究設(shè)計(jì)一：二維碼正掃、反掃、斜掃是不是都能成功？它的四個(gè)角上為什么只有三個(gè)黑色定位矩形？通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究、討論思考，形象地闡述了良好的應(yīng)用需要考慮用戶使用的多種可能性，具有容錯(cuò)的思想。探究設(shè)計(jì)二：污損了的二維碼是否能夠掃描出來(lái)？教師特別設(shè)計(jì)了污損程度不同的二維碼供學(xué)生實(shí)驗(yàn)，這部分則指向了通過(guò)數(shù)據(jù)冗余進(jìn)行糾錯(cuò)。

工程設(shè)計(jì)方法也是計(jì)算機(jī)問(wèn)題解決的普適方法，它的教學(xué)內(nèi)容廣泛存在于各年段各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容之中，還有相當(dāng)大的挖掘空間。

尋求更佳——關(guān)注工作效率、機(jī)器性能及其之間的平衡

一個(gè)問(wèn)題的解決方案有多種，什么方案是當(dāng)前最佳的，也是需要考慮的問(wèn)題。在尋求更佳方案的過(guò)程中，效率、性能、成本等參數(shù)之間常常相互掣肘，找到它們之間的平衡也是關(guān)鍵問(wèn)題。計(jì)算思維教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括理解基于“工程—設(shè)計(jì)—管理”框架下的模塊化、結(jié)構(gòu)化、自頂向下逐步求精、快速原型法、計(jì)算機(jī)仿真、軟件復(fù)用、測(cè)試與調(diào)試等軟件工程設(shè)計(jì)方法，以及統(tǒng)籌與折中、成本與效益等工程管理思想。[6]

例如，在機(jī)器人教學(xué)中采用不同傳感器可以實(shí)現(xiàn)相同功能，這時(shí)候可以加入成本與效益的討論。又如，人工智能教學(xué)中可以討論：關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)的理論出現(xiàn)很早，但它為什么直到近幾年才開始有突飛猛進(jìn)的發(fā)展？這和機(jī)器學(xué)習(xí)基于概率的思路相關(guān)，概率的準(zhǔn)確程度來(lái)自數(shù)據(jù)量，超大的數(shù)據(jù)量則需要更強(qiáng)的計(jì)算能力。因此，需要大量的標(biāo)注數(shù)據(jù)，只有數(shù)據(jù)量和算力水平達(dá)到一定高度，機(jī)器學(xué)習(xí)才有可能得到快速發(fā)展。這些內(nèi)容雖然未曾設(shè)于教材之中，但只要有意識(shí)地梳理與設(shè)計(jì)，會(huì)層出不窮地一一顯現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維、提升學(xué)生核心素養(yǎng)也就指日可待。

結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于計(jì)算思維教學(xué)內(nèi)容的探索，問(wèn)題解決說(shuō)是業(yè)界較為共性的認(rèn)識(shí)，計(jì)算思維可能存在多種屬性，但是問(wèn)題解決是其必備的屬性之一。[7]運(yùn)用“了解工具—描述問(wèn)題—分解問(wèn)題—確定方法—驗(yàn)證結(jié)果—尋求更佳”的問(wèn)題解決思路，對(duì)于中小學(xué)一線教師來(lái)說(shuō)相對(duì)較為容易理解和方便實(shí)施。沿著這條路徑，本地區(qū)教師總結(jié)了部分中小學(xué)信息技術(shù)課程中的計(jì)算思維教學(xué)內(nèi)容，可以有方法地進(jìn)行后續(xù)計(jì)算思維相關(guān)內(nèi)容的挖掘，讓計(jì)算思維融入教學(xué)能真正地落地生根。

參考文獻(xiàn)：

[1][6]李藝，鐘柏昌.信息技術(shù)課程核心素養(yǎng)體系設(shè)計(jì)問(wèn)題討論[J].電化教育研究，2016（04）：5-10+61.

[2]王榮良.中小學(xué)計(jì)算思維教育實(shí)踐[M].上?？萍冀逃霭嫔?，2019：98.

[3][5]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）：4-9.

[4]王榮良.計(jì)算思維的學(xué)科觀[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2019（12）：46-50.

[7]張立國(guó)，王國(guó)華.計(jì)算思維：信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的核心議題[J].電化教育研究，2018（05）：115-121.