計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程

金婧

項(xiàng)目設(shè)計(jì)依據(jù)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》引入“計(jì)算思維”，旨在強(qiáng)調(diào)學(xué)科思維的養(yǎng)成，在教學(xué)實(shí)施建議中提出把項(xiàng)目整合到課堂教學(xué)中，讓學(xué)生在真實(shí)情境中以學(xué)科思維方式思考、用知識(shí)和技能分析，在解決問(wèn)題中完成知識(shí)建構(gòu)。

本案例內(nèi)容出自教育科學(xué)出版社出版的《信息技術(shù)必修1：數(shù)據(jù)與計(jì)算》第2單元“編程計(jì)算”第1節(jié)，具有承上啟下的作用。同時(shí)，本節(jié)作為本單元的開篇，圍繞“算法”學(xué)科核心概念展開，其中，對(duì)問(wèn)題的抽象或形式化描述是算法的基礎(chǔ)。

針對(duì)這一部分內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求為：“1.6從生活實(shí)例出發(fā)，概述算法的概念與特性，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆椒ê涂刂平Y(jié)構(gòu)表示簡(jiǎn)單算法。1.7掌握一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的基本知識(shí)，使用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單算法。通過(guò)解決實(shí)問(wèn)題，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的基本流程，掌握程序調(diào)試與運(yùn)行的方法?！?/p>

項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

高一學(xué)生在生活中會(huì)用到“算法”解決問(wèn)題，但缺乏對(duì)計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程的系統(tǒng)化梳理，對(duì)軟件工具等工作方法和應(yīng)用流程不了解，他們雖然具備利用計(jì)算機(jī)解決一些基本問(wèn)題的工具操作技能，但多為被動(dòng)的技術(shù)使用者。此外，在認(rèn)識(shí)發(fā)展水平上，他們的邏輯思維能力趨于成熟，具有一定演繹歸納能力，自我表現(xiàn)、求知欲較強(qiáng)。

基于課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和內(nèi)容、學(xué)情的分析，將本項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為：①通過(guò)觀察生活實(shí)例，能夠主動(dòng)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，抽象特征。②在實(shí)現(xiàn)“定時(shí)提醒”功能的探究過(guò)程中，體會(huì)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程，理解其基本思想，并了解算法，能使用自然語(yǔ)言描述算法。③借助畫程軟件學(xué)會(huì)用流程圖描述算法，知道算法的三種基本結(jié)構(gòu)類型，感受利用數(shù)字化工具的優(yōu)勢(shì)。④通過(guò)剖析研究“定時(shí)”功能，認(rèn)識(shí)到算法在學(xué)習(xí)生活中的應(yīng)用價(jià)值，體會(huì)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)。

教學(xué)重點(diǎn)為計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程、算法的描述，難點(diǎn)為算法的描述、算法的三種基本結(jié)構(gòu)。

項(xiàng)目概述

隨著技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)以及由計(jì)算機(jī)控制的智能系統(tǒng)幾乎滲透到各種領(lǐng)域，給我們的生活帶來(lái)了許多便利。但電子產(chǎn)品的長(zhǎng)時(shí)間、高頻率使用也引發(fā)了眼部不適等健康問(wèn)題。生活中學(xué)生經(jīng)常接觸到的智能設(shè)備都具有“定時(shí)”功能，我們可以將這種自動(dòng)化的管理思想“移植”到合理管理用眼時(shí)間中。

因此，本項(xiàng)目以探究“定時(shí)提醒”功能為主題，通過(guò)對(duì)“定時(shí)提醒”功能的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，體驗(yàn)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程。教材預(yù)設(shè)本節(jié)需兩課時(shí)，但從項(xiàng)目學(xué)習(xí)完整性以及實(shí)際教學(xué)安排考慮，將其設(shè)計(jì)為1課時(shí)。

項(xiàng)目教學(xué)準(zhǔn)備

硬件環(huán)境：網(wǎng)絡(luò)機(jī)房（配有音箱或耳機(jī)）;學(xué)習(xí)工具：畫程軟件，Python3.7（安裝time、pygame、pywin32模塊）;項(xiàng)目資源：PPT課件、電子活動(dòng)導(dǎo)案、Python半成品程序、“參考助手”文檔。

項(xiàng)目實(shí)施流程（如下頁(yè)圖1）

項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程

1.項(xiàng)目引入

知識(shí)技能：分析和獲取有價(jià)值的信息，遷移學(xué)習(xí)。

活動(dòng)形式：學(xué)生討論、代表發(fā)言、教師引導(dǎo)。

問(wèn)題：計(jì)算機(jī)技術(shù)在給人們帶來(lái)極大便利的同時(shí)也帶來(lái)副產(chǎn)品，如長(zhǎng)時(shí)間面對(duì)電腦引起眼部不適等健康問(wèn)題。有什么方法、手段合理管理用眼時(shí)間？

聚焦：從生活中智能設(shè)備“定時(shí)”功能得到啟發(fā)，嘗試通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)“定時(shí)提醒”，倡導(dǎo)健康的生活方式。

設(shè)計(jì)意圖：“計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程”，作為抽象而非靜態(tài)的概念，貫穿整個(gè)“算法與程序設(shè)計(jì)”活動(dòng)。所以，本課從真實(shí)生活中的用眼問(wèn)題出發(fā)，以學(xué)生日常接觸到的智能設(shè)備“定時(shí)”功能來(lái)引導(dǎo)其思考如何“趨利避害”，由此提出以“定時(shí)提醒”功能為研究主題，探討如何編程實(shí)現(xiàn)用眼時(shí)間的管理。本次課以項(xiàng)目進(jìn)程為明線，設(shè)計(jì)相應(yīng)的活動(dòng)，讓學(xué)生從分析功能到設(shè)計(jì)方案再到編程實(shí)現(xiàn)，經(jīng)歷“計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程”這條暗線，從而了解算法的描述與基本結(jié)構(gòu)。

2.項(xiàng)目分析

活動(dòng)1：“定時(shí)提醒”的功能分析。

知識(shí)技能：?jiǎn)栴}的界定和描述。

活動(dòng)要求：①思考：明確項(xiàng)目問(wèn)題。經(jīng)常使用電腦設(shè)備的人應(yīng)該注意用眼衛(wèi)生，建議工作每隔1小時(shí)左右休息10～15分鐘，所以，我們希望能實(shí)現(xiàn)定時(shí)提醒休息。②討論：找出問(wèn)題的條件與求解目標(biāo)，根據(jù)教師提供的表格填寫“定時(shí)提醒”問(wèn)題分析。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)明確項(xiàng)目問(wèn)題，通過(guò)表格幫助學(xué)生以計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的方式分析問(wèn)題，界定和描述問(wèn)題，找出條件與求解目標(biāo)，有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的基本要素與特征，即以“定時(shí)提醒”問(wèn)題中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為條件，換言之，特定的時(shí)間點(diǎn)觸發(fā)相應(yīng)的事件響應(yīng)。

3.項(xiàng)目設(shè)計(jì)

活動(dòng)2：“定時(shí)提醒”功能的方案設(shè)計(jì)。

知識(shí)技能：算法、自然語(yǔ)言描述算法。

活動(dòng)要求：①想一想：學(xué)生2～3人一組思考以下問(wèn)題。問(wèn)題1：如何確定到達(dá)時(shí)間點(diǎn)？（計(jì)時(shí)/倒計(jì)時(shí)/計(jì)算時(shí)間差……）問(wèn)題2：以何種方式提示？（文字/聲音/彈窗……）②說(shuō)一說(shuō)：小組代表分解實(shí)現(xiàn)“定時(shí)提醒”功能的步驟。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)以問(wèn)題搭建腳手架，引導(dǎo)學(xué)生尋找問(wèn)題條件到目標(biāo)實(shí)現(xiàn)之間的方法途徑，實(shí)現(xiàn)思路與技術(shù)實(shí)踐之間的連接。學(xué)生分組討論解決方案，形成良好的互動(dòng)與分享，既發(fā)揮學(xué)生的自主性，又?jǐn)U展了方案設(shè)計(jì)的空間。在此基礎(chǔ)上，教師通過(guò)梳理學(xué)生的方案引出“算法”概念，加深理解，同時(shí)也可以根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案來(lái)調(diào)節(jié)難易程度。

活動(dòng)3：“定時(shí)提醒”功能的算法描述。

知識(shí)技能：流程圖描述算法、算法結(jié)構(gòu)。

活動(dòng)要求：①閱讀教材第20頁(yè)內(nèi)容，了解流程圖的符號(hào)與功能。②嘗試?yán)卯嫵誊浖L制流程圖。③閱讀教材第20～21頁(yè)，觀察繪制出的流程圖，說(shuō)一說(shuō)設(shè)計(jì)方案中用到哪種（些）算法結(jié)構(gòu)。④思考并調(diào)整：“重要的事情說(shuō)三遍”，若需要提醒3次，如何修改流程圖？

設(shè)計(jì)意圖：從自然語(yǔ)言到直接編寫代碼以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)于初學(xué)編程的學(xué)生有困難?；顒?dòng)3作為過(guò)渡，引出使用流程圖描述算法。為了正確繪制流程圖，學(xué)生自然會(huì)去閱讀了解流程圖的規(guī)范表示方法。學(xué)生通過(guò)繪制流程圖描述算法，體會(huì)自然語(yǔ)言描述與流程圖描述的區(qū)別，提高邏輯抽象思維能力，為以后算法與程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)做好鋪墊。這一部分利用“畫程”軟件可以讓學(xué)生借助快捷的數(shù)字化工具表達(dá)自己的思想，將思維可視化。最后，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合完成的流程圖了解算法結(jié)構(gòu)。

4.編程實(shí)現(xiàn)

活動(dòng)4：“定時(shí)提醒”功能的編碼實(shí)現(xiàn)。

知識(shí)技能：程序運(yùn)行、根據(jù)算法分析理解代碼。

活動(dòng)要求：①試一試：打開半成品Python程序“2-1time.py”，嘗試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)“定時(shí)提醒”（參考代碼如圖2）。②比一比：對(duì)比預(yù)設(shè)效果與運(yùn)行結(jié)果，分析代碼功能。③改一改：程序可以如何修改完善？需要在什么位置修改代碼？

設(shè)計(jì)意圖：在活動(dòng)3的基礎(chǔ)上，根據(jù)繪制好的流程圖，進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)學(xué)生第一次接觸Python的學(xué)情，以“半成品”教學(xué)法降低程序編寫難度。這一部分提供“參考助手.txt”，以便學(xué)生修改完善時(shí)參考，在降低活動(dòng)難度的同時(shí)也盡可能發(fā)揮學(xué)生的自我創(chuàng)新能力。

5.項(xiàng)目總結(jié)

知識(shí)技能：計(jì)算解決問(wèn)題的過(guò)程、算法的描述、算法的三種基本結(jié)構(gòu)。

活動(dòng)形式：學(xué)生代表總結(jié)、教師補(bǔ)充。

梳理提升：梳理學(xué)習(xí)過(guò)程，以此提升到編程解決問(wèn)題的一般過(guò)程。

拓展探究：定時(shí)提醒功能是以時(shí)間為判斷依據(jù)，調(diào)節(jié)用眼時(shí)間，促進(jìn)自律。其實(shí)，生活中，“定”不限于“時(shí)間”，如智能電飯煲，具有恒溫保溫作用，它是如何工作的？我們是否遇到過(guò)其他場(chǎng)景應(yīng)用了類似的工作模式？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生將知識(shí)體系的構(gòu)建與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，進(jìn)一步加深對(duì)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程的理解。通過(guò)拓展，讓學(xué)生繼續(xù)思考類同模式，理解其他應(yīng)用原理及意義，實(shí)現(xiàn)“來(lái)源生活”到“回歸生活”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)“編程與計(jì)算”的熱情。

設(shè)計(jì)后感

信息技術(shù)學(xué)科擁有著自身的話語(yǔ)體系和探究方法，《計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程》在新版教材中，不僅是一個(gè)教學(xué)內(nèi)容，更是貫穿“算法與程序設(shè)計(jì)”的學(xué)科思想方法。以項(xiàng)目教學(xué)法開展教學(xué)，知識(shí)框架雖然被打散，但知識(shí)本身是具有情境性的。因此，我們需要對(duì)教材內(nèi)容所涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行解構(gòu)與重組，嵌入到真實(shí)的問(wèn)題情境中，通過(guò)“問(wèn)題串”搭建腳手架、“活動(dòng)鏈”促進(jìn)思維持續(xù)，引導(dǎo)學(xué)生在完成項(xiàng)目的同時(shí)落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，讓學(xué)生成為真正具備數(shù)字化生存能力的數(shù)字化公民。