高中信息技術新教材內(nèi)容思考與再設計

張劍鋒

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》公布后，根據(jù)其修改的新教材也陸續(xù)出版。拿到浙江教育出版社出版的高中信息技術必修教材《數(shù)據(jù)與計算》后，筆者仔細學習了“算法的程序?qū)崿F(xiàn)”內(nèi)容，對Python內(nèi)容教學有了更深刻的理解，但也產(chǎn)生了一些想法。

● 技術優(yōu)先還是認知為要

教材在Python語言程序設計的“實踐與體驗”環(huán)節(jié)，介紹了“編程實現(xiàn)圖像的簡單處理”，目的是通過調(diào)整圖像的顏色來初步體驗Python語言在圖像處理上的功能，實踐步驟為：①導入Image、numpy、matplotlib三個模塊;②打開圖像并轉(zhuǎn)換成數(shù)字矩陣;③調(diào)整每個像素的RGB值;④生成灰度新圖像并顯示。這段內(nèi)容為后面的實踐起到了鋪墊作用，構(gòu)思好，但在具體語句的實現(xiàn)上，筆者覺得還有待商榷。

在數(shù)字圖像處理中，不同的圖像格式有其特定的處理算法，在做圖像處理之前，需要考慮清楚要基于哪種格式的圖像進行算法設計及其實現(xiàn)。PIL（Python Image Library）是Python的第三方圖像處理庫，有九種不同模式，教材中用到了convert（）函數(shù)的轉(zhuǎn)換，使用了L模式，把原始彩色圖片轉(zhuǎn)換為灰色圖像（模式“L”為灰色圖像，它的每個像素用8個bit表示，0表示黑，255表示白，其他數(shù)字表示不同的灰度。在PIL中，從模式“RGB”轉(zhuǎn)換為“L”模式是按照下面的公式轉(zhuǎn)換的：L=R*299/1000+G*587/1000+B*114/1000）。

打開圖像，得到各像素點顏色的RGB值后，直接對像素點顏色值進行操作，這符合高中學生初學Python的認知方式，讀入圖片直接操作能加深學生對數(shù)字圖像處理的理解。而原例中轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組，再對二維數(shù)組的元素進行操作來改變像素顏色值，增加了學生的認知障礙。另外，程序此處引入numpy模塊毫無優(yōu)勢可言，雖然使用numpy模塊是圖像后續(xù)處理的首選思路，使用數(shù)組來存儲數(shù)據(jù)也能使學生養(yǎng)成良好的技術習慣與意識，但放在這里，思維脈絡上略顯突兀，故numpy不妨移后介紹。

從突出重點、降低學生認知困難上來考慮，這里轉(zhuǎn)換為灰度后，可使用getpixel函數(shù)直接對像素點進行操作（getpixel函數(shù)是用來獲取圖像中某一像素的顏色值），把實驗步驟②、③不妨改為“轉(zhuǎn)換各像素的顏色為黑白二色”，直接使用代碼完成黑白二值轉(zhuǎn)換，新代碼如圖1所示。

推而廣之，在Python語言的教學中，是考慮技術意識優(yōu)先，還是以學生的認知習慣為要，這是要好好斟酌的。思維的培養(yǎng)是一個長期熏陶的過程，對numpy的介紹，可隨著學生的認知特點，漸進式地介紹，從而進一步加深學生對不同技術選擇的理解與感悟。

另外，在教材導入模塊前，可補充介紹第三方模塊的安裝，因為豐富的第三方模塊庫的安裝，是學生以后學習Python必需的基礎。

● 重構(gòu)示例深化計算思維

教材在“3.3簡單算法及其程序?qū)崿F(xiàn)”中，主要介紹解析算法及其程序?qū)崿F(xiàn)、枚舉算法及其程序?qū)崿F(xiàn)和算法實現(xiàn)的綜合運用。教材中以答題卡準考證號的識別作為示例，非常貼近學生的學習生活，是一個精心構(gòu)思。一般答題卡的識別大都是光學識別，本例使用計算機圖像識別技術，進行分析處理，也是計算機化的一個重要途徑，但教材中示例的具體設計與實現(xiàn)，稍顯割裂，詳細研讀本段內(nèi)容后，略感意猶未盡。

計算思維是高中信息技術學科的四大核心素養(yǎng)之一，教材通過答題卡識別示例的具體實現(xiàn)，力圖抓住計算思維本質(zhì)，引導學生從Python語言的實現(xiàn)角度來界定問題、轉(zhuǎn)化問題，對問題抽象建模，合理組織數(shù)據(jù)，形成解決方案。為加強計算思維的滲透，筆者設想以項目完整實現(xiàn)為抓手，對教材中的相應內(nèi)容進行再設計。

1.分析

對答題卡的識別，不妨把整張卡的識別問題進行分解、細化，先縮小為一道題的識別，而一道題的識別，就變成對A、B、C、D四個選擇區(qū)域的判別，如果按照答題卡的彩色進行判別，有一定難度;我們就把各像素點的顏色從彩色轉(zhuǎn)換為灰度，再依據(jù)一定標準轉(zhuǎn)換為黑白兩色，將圖像二值化后便于識別。這也是計算思維中的分解、降維思想，要在教材中加以凸顯，便于引導教師在教學中進行深化。

一道題A、B、C、D四個選項的判定，取決于識別出A、B、C、D的選項區(qū)域哪個被填涂，填涂區(qū)域的像素點為黑色，像素值為0;未填涂區(qū)域，像素點為白色，像素值為1?？煞謩e累加這四個區(qū)域像素點的值，等于0的區(qū)域，就是被填涂的，即該區(qū)域的選項被選中，一道題的判定即告完成。重復此過程，整張答題卡的答案均可判讀。

2.抽象與建模

預備：通過以下兩行代碼，顯示處理后的圖片。

plt.imshow（img_I，cmap="gray"）

plt.show（） # 顯示圖片，便于放大分析

通過zoom圖標放大圖像，可查看各點坐標，進而分析出相關參數(shù)：題號1，A選項填涂區(qū)域左上角的頂點坐標（14，240），A選項填涂區(qū)域右下角的頂點坐標（16，245）;B選項，左上角的頂點坐標（14，261），B選項右下角的頂點坐標（16，266）;詳細分析C、D選項的選項區(qū)域后，可以得到填涂區(qū)域長度為12，寬度為5，各選項之間的間隔為6，各題的間隔也為6。這樣，可以進一步分析實際填涂區(qū)域大概是11*5=55個像素點，分別累加這四個區(qū)域各像素點的值，理論上，未填涂的三個區(qū)域的值應等于55，只有一個區(qū)域的值等于0，這就是被填涂區(qū)域，即此區(qū)域選擇被選中。（考慮到實際的誤差因素，一般三個區(qū)域值大于53，剩下區(qū)域的值小于3即可）

3.編寫程序

題號1的判別程序代碼如圖2所示。

字典是Python基本的內(nèi)置數(shù)據(jù)類型，針對字典數(shù)據(jù)類型的特點，我們可把四個選項的代碼循環(huán)來處理，優(yōu)化如圖3所示。

items（）方法可把字典中每對key和value組成一個元組，并把這些元組放在列表中返回。通過這個方法，可以加深學生對字典這一數(shù)據(jù)類型的理解。而對于準考證號的識別，則可以將其作為課后作業(yè)。

4.函數(shù)的使用

題號1的選項識別，是整個程序的核心算法，其他各題的識別，基本上是重復這段代碼，我們可以將此部分優(yōu)化成函數(shù)，來實現(xiàn)程序的模塊化設計。函數(shù)運用及函數(shù)思想的滲透，是計算思維的重要體現(xiàn)，而培養(yǎng)學生的函數(shù)思想，是深入體現(xiàn)計算思維的又一重要抓手。

5.拓展思考

（1）加入容錯分析。細心的學生如果仔細思考，應該能考慮到選項意外填涂時的容錯。首先，沒有填涂時，4個區(qū)域像素值的和均為60，可以據(jù)此判斷，未填涂;若誤涂了多個區(qū)域，那么，應該是有少于3個區(qū)域的像素值接近60，也可以據(jù)此識別結(jié)果無效。部分代碼如圖4所示。

（2）對全班學生答題卡的打開。全班學生的答題卡文件，保存在同一個文件夾下，可遍歷當前文件夾下的所有圖片文件，使用的是os.walk方法，該方法對于指定目錄返回一個三元組（dirpath， dirnames， filenames），第一個是路徑，第二個是路徑下面的目錄，第三個就是目錄里面的非目錄文件。代碼如圖5所示。

在進行了適當拓展后，基本完成“對答題卡識別”這一項目的編程實現(xiàn)。至此，筆者以完整項目為抓手，對浙教版必修1《數(shù)據(jù)與計算》 3.3節(jié)中的內(nèi)容進行了再設計。

當然，從意識、思維、方法再到能力的過程不是一蹴而就的，需要有針對性地在課堂教學中加以培養(yǎng)。這里，教材也只是教師開展教學任務的參考，僅僅是一項優(yōu)質(zhì)資源，實際教學還要考慮各種實際情況來具體對待。

面對新課標、新教材所帶來的新機遇和新挑戰(zhàn)，教師要多從計算思維角度考慮，使教學內(nèi)容的設計更具邏輯性，讓計算思維凸顯于項目化設計中，使計算思維能真正落地生根，更好地實現(xiàn)全面提升高中學生信息素養(yǎng)的重要目標。