在中小學信息科技課堂中開展不插電的計算機科學教學的應用研究

竇穎

● 不插電的計算機科學

2014年8月，在第23屆中國兒童青少年威盛中國芯HTC計算機表演賽頒獎典禮現(xiàn)場，魔術師表演的翻牌魔術引發(fā)了高潮。魔術師面向觀眾，站在他背后的同學無論怎么翻動紙牌，魔術師轉過身都能很快辨認出是哪張紙牌被翻動了（如圖1），隨后筆者被邀請上臺做了魔術揭秘，作為一名教師，我怎么知道“魔法”的真相呢？其實，這個小魔術是與計算機數(shù)據糾錯知識相關的。

眾所周知，計算機中的數(shù)據是采用比特（二進制數(shù)字）的形式存儲或傳送的，它們一般是不會發(fā)生改變的，不過有時一些故障也會導致數(shù)據突然改變，有時可能只是CD表面的小劃痕就會把0變成了1，那么我們要怎樣才不用擔心發(fā)生這些意外呢？科學家發(fā)明了一種計算機自動檢測數(shù)據中的錯誤并自動修復的方法──奇偶校驗（parity）。

聽起來是不是挺神秘的？其實，魔術中的雙面紙牌（正面紅色，背面藍色）對應了計算機中的比特（0或1），根據紅色紙牌朝上（對應比特“1”）的數(shù)量是奇數(shù)或偶數(shù)來進行判斷（校驗）。而采用何種判斷方式（校驗）是事先規(guī)定好的（即紅色紙牌朝上的數(shù)量是奇數(shù)還是偶數(shù)），通過設置奇偶校驗位（即魔術師會增加一些紙牌），用它使這組紙牌中紅色朝上（對應比特“1”）的數(shù)量為奇數(shù)或偶數(shù)，從而確定翻動了哪張紙牌（也保證了存儲或傳輸數(shù)據的正確性）。

用魔術來解釋計算機原理是不是感覺特別酷？這樣的創(chuàng)意活動設計來自于“不插電的計算機科學”課程，它通過一些生動有趣的活動或游戲，采用開放和自主學習方式把培養(yǎng)計算思維能力融入青少年的信息技術課程學習中，其創(chuàng)新點是不使用任何實體計算機就能達到學習“計算機科學”的目的，這也是不插電計算機科學的魅力和有趣之處。不插電計算機科學的教學設計活動原創(chuàng)于新西蘭Canterbury大學的教授和兩位中小學教師，他們依據實際教學經驗，組織設計了豐富的教學活動來提升思維能力。該項目是面向世界的信息科學技術訓練項目，創(chuàng)新案例在世界范圍內不斷充實。

有別于傳統(tǒng)的計算機使用教程，不插電的計算機科學CS Unplugged著眼于：①在啟動計算機之前先探尋、領悟計算機運作及其解決問題的原理和思想，高效地使用計算機，并激發(fā)新的想法。②展示真實發(fā)生在計算機中的工作原理和工程。③通過具體的活動指出與相關技術的聯(lián)系，理解計算機技術的設計以及如何進一步影響日常生活。④提高解決問題的能力。⑤培養(yǎng)計算思維（Computational Thinking）。⑥開心地學習（游戲教學）。

● 信息科技課程中不插電計算機的學習

計算機作為一種信息自動處理工具，不僅是工具應用，更多的是工具處理信息的思想和方法，而且后者比前者更為重要。不插電的計算機科學不同于傳統(tǒng)課堂講授“如何使用計算機”，它更側重各種計算機技術原理的應用，也并非完全展示計算機如何工作的全部細節(jié)，更多的是揭示那些被計算機科學家們運用于設計計算機系統(tǒng)的多元化的思路和技術，把問題化繁為簡，以激發(fā)學習和創(chuàng)新的興趣。

我所在學校的生源相對較好，學生們對信息科技也有一定興趣，由此我自2013年9月起在六年級開設了《不插電的計算機科學》探究課。在教學中，我深深感受到探尋、領悟計算機運作及其解決問題的精妙思想并將之運用于現(xiàn)代生活已是信息時代人們需要掌握的基本技能之一。對于初中信息科技學科來說，課本的篇幅有限，一些學生感興趣的新技術鑒于篇幅無法列入基礎課的教學，而計算機如何儲存數(shù)據又鑒于課本的篇幅有限往往不能太過深入講解，推廣開展這樣的探究課程，可以幫助開發(fā)學生的“計算思維”，從而提高其解決問題的意識和能力。

● 不插電的計算機科學的教學案例展示

不插電計算機科學教學法靈活應用游戲教學的方式，以學生為主體來提高思維能力、應用能力是其宗旨。在文章伊始提到的表演賽的頒獎活動現(xiàn)場，我就以“二進制卡片”活動為例，進行了簡短的現(xiàn)場展示。

引入：根據之前信息科技課程的學習，大家都知道，計算機上所有的數(shù)據，都是采用一系列0和1的形式存儲和傳送的。那么只有0和1這兩個數(shù)字，怎樣展示各種形式的信息呢？其實，我們可以借助“二進制卡片”的活動來展示如何只用數(shù)字0和1來表示所有的數(shù)字。

（1）師準備圖2的活動卡片。

（2）師：請四位同學手持卡片從左到右以數(shù)字的降序依次排列展示（如圖3）。問題是：①卡片上的圖案有怎樣的規(guī)律？②如果在這些卡片的左側增加一張卡片，這張卡片上需要畫幾個點？③如果向左側繼續(xù)再增加一張卡片，這張新的卡片上需要畫幾個點？④你是依照怎樣的規(guī)律來決定剛才新增卡片上的圖案的？

（3）卡片背面朝上代表二進制數(shù)字0，正面朝上代表二進制數(shù)字1。計算正面朝上卡片的點數(shù)之和就能表示出不同的十進制數(shù)字（如圖4）。

問題是：①圖中表示的是數(shù)字幾？②是否可以找到另一種方式來獲得數(shù)字6？③四張卡片能表示的最大數(shù)字是多少？最小數(shù)字呢？

討論：如何能表示出更大的數(shù)字？

● 不插電的計算機科學和計算機表演賽

中國兒童青少年威盛中國芯HTC計算機表演賽中創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽、手機應用開發(fā)賽等賽事項目要求學生進行研究性學習和科技實踐，從創(chuàng)意到實現(xiàn)的過程，正是從原理到應用的過程。這與不插電計算機科學的理念也是契合的，而在2014年，表演賽也將不插電的計算機科學作為創(chuàng)新項目引入進來，并開展活動進行進一步的探究。

不插電計算機科學中的對計算機工作原理的闡釋可以激發(fā)學生的創(chuàng)造性，促使其更好地參與賽事。反過來，通過參與比賽，在思考、實踐、開發(fā)和反思的過程中能夠幫助學生更好地理解和運用計算機科學知識，更有效地激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)造力，讓學生能夠主動探索和積極思維，從而訓練計算思維能力，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，領會科學技術服務于生活、讓生活更美好的本質。

作為信息技術教師，作為多年帶隊參賽的指導教師，我深感與時俱進的必要性，愿意從多方面接觸現(xiàn)代化的、開放的信息教育理念。而計算機表演賽不斷引入的諸多項目緊跟信息教育發(fā)展趨勢，為學生搭建了學習、展示信息技術、交流創(chuàng)新思想的活動舞臺，也為我們教師自我提升提供了一個平臺。