讓非編程教學(xué)綻放“計(jì)算思維”火花

史敏敏

自周以真教授提出計(jì)算思維的概念以來(lái)，關(guān)于計(jì)算思維培養(yǎng)的研究與實(shí)踐越來(lái)越多。計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，與其他學(xué)科思維相比有何獨(dú)特性？計(jì)算思維的內(nèi)涵多元，有何本質(zhì)特征？除了程序設(shè)計(jì)，如何在非編程模塊的教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維？針對(duì)這些問(wèn)題，筆者進(jìn)行了思考與探索。

探索：非編程教學(xué)中計(jì)算思維的培養(yǎng)模式

程序設(shè)計(jì)是培育計(jì)算思維的沃土，因?yàn)閷W(xué)生可以主動(dòng)構(gòu)建自動(dòng)化規(guī)則，使用明確而有限的指令將解決問(wèn)題的思路映射到計(jì)算機(jī)世界，調(diào)試無(wú)誤后讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行。但是，程序設(shè)計(jì)是培育計(jì)算思維的唯一途徑嗎？能否在非編程模塊的教學(xué)中另辟蹊徑，探尋“可計(jì)算”火種，綻放“計(jì)算思維”火花呢？帶著這些疑問(wèn)，筆者對(duì)非編程教學(xué)中計(jì)算思維的培養(yǎng)模式進(jìn)行了探索。該模式如下頁(yè)圖1所示。

1.面向問(wèn)題解決

人類歷史就是一部問(wèn)題解決史，人類解決問(wèn)題的過(guò)程可分為發(fā)現(xiàn)與分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案、實(shí)施與驗(yàn)證方案、系統(tǒng)維護(hù)，繼而發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中，主觀能動(dòng)的思維活動(dòng)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，因此，培養(yǎng)計(jì)算思維與解決問(wèn)題密不可分。

計(jì)算思維培養(yǎng)不能泛化，不能認(rèn)為使用計(jì)算機(jī)等數(shù)字化工具來(lái)解決問(wèn)題就是培養(yǎng)計(jì)算思維。在非編程教學(xué)中，并不是所有的問(wèn)題解決過(guò)程都指向計(jì)算思維，其落腳點(diǎn)在于解決問(wèn)題的方案是否固化在了計(jì)算工具之中，是否可以被反復(fù)執(zhí)行且每次都嚴(yán)格按照解決方案執(zhí)行，是否能自動(dòng)化執(zhí)行且不需要人腦的參與。

2.指向抽象與自動(dòng)化

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出：計(jì)算思維具體表現(xiàn)為解決問(wèn)題中的形式化、模型化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化。抽象是方法，貫穿于整個(gè)思維活動(dòng);形式化與模型化是抽象結(jié)果的不同表現(xiàn)形式;自動(dòng)化是抽象的目標(biāo)，但抽象往往難以直接抵達(dá)自動(dòng)化，需要經(jīng)歷形式化表達(dá)與模型化構(gòu)造;最后遷移到與之相關(guān)的其他問(wèn)題解決中，形成系統(tǒng)化的思維方法路徑。

計(jì)算思維培養(yǎng)不能狹隘化，不能認(rèn)為沒有編寫程序來(lái)解決問(wèn)題就無(wú)法培養(yǎng)計(jì)算思維。學(xué)生并不是在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的那一刻才開始擁有計(jì)算思維，計(jì)算思維在學(xué)生體驗(yàn)無(wú)處不在、時(shí)刻發(fā)生的“計(jì)算”時(shí)就有所滲透。組織什么類型的數(shù)據(jù)讓計(jì)算工具進(jìn)行處理？如何合理地設(shè)置參數(shù)讓計(jì)算工具處理得更好？按照計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的什么思想方法構(gòu)造解決問(wèn)題的模型，從而與計(jì)算工具內(nèi)部的自動(dòng)化運(yùn)行不謀而合？如何根據(jù)運(yùn)行結(jié)果優(yōu)化解決問(wèn)題的模型？這些問(wèn)題都是計(jì)算思維在學(xué)生頭腦中的體現(xiàn)。

探討：非編程教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維的案例

基于上述分析，筆者選用“制作多媒體作品”模塊的教學(xué)內(nèi)容，以《讓幻燈片動(dòng)起來(lái)》一課為例構(gòu)建通達(dá)計(jì)算思維的教學(xué)模式，以期探究計(jì)算思維在非編程教學(xué)中的培養(yǎng)。

1.教學(xué)模式的構(gòu)建

（1）教學(xué)分析

教學(xué)內(nèi)容是基于學(xué)生的PPT已初具規(guī)模，進(jìn)一步學(xué)習(xí)創(chuàng)作動(dòng)畫的方法，為作品增添動(dòng)感和趣味。本單元開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，要求學(xué)生圍繞主題“好書共享”創(chuàng)作一份完整的演示文稿，并分享自己最喜愛的一本名著，體會(huì)數(shù)字化工具協(xié)助演說(shuō)的優(yōu)勢(shì)，即有條理地表達(dá)觀點(diǎn)，可視化地呈現(xiàn)想法。

教學(xué)重點(diǎn)是掌握添加動(dòng)畫效果和調(diào)整動(dòng)畫順序的方法，難點(diǎn)是根據(jù)需要合理地設(shè)置動(dòng)畫。學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)動(dòng)畫具有濃厚的興趣，有個(gè)別學(xué)生在前期制作PPT時(shí)已探索了動(dòng)畫的某些功能，但常會(huì)忽略動(dòng)畫效果與內(nèi)容表達(dá)的統(tǒng)一。

（2）模式構(gòu)建

筆者構(gòu)建的教學(xué)模式如圖2所示。以“如何生動(dòng)表現(xiàn)名著中的精彩故事”這一問(wèn)題需求作為教學(xué)切入點(diǎn)，將PPT動(dòng)畫創(chuàng)作與現(xiàn)實(shí)世界中導(dǎo)演拍戲相聯(lián)接，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入“導(dǎo)演”角色。指導(dǎo)演員表演看似是一個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題，但要把“導(dǎo)演”的思維模式固化在計(jì)算機(jī)中實(shí)屬不易，因?yàn)槿伺c人之間的思想交流具有主觀能動(dòng)性，而計(jì)算機(jī)的處理過(guò)程看不見摸不著?；趩?wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，學(xué)生以分析動(dòng)畫情節(jié)、表達(dá)動(dòng)畫要素、構(gòu)造動(dòng)畫模型、調(diào)試動(dòng)畫效果、推廣動(dòng)畫創(chuàng)作為活動(dòng)主線開展學(xué)習(xí)，始終處于抽象、形式化、模型化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化的計(jì)算思維方法路徑之中去解決問(wèn)題，從而達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.計(jì)算思維方法路徑的培育

（1）對(duì)動(dòng)畫情節(jié)的抽象

抽象的目的是剔除問(wèn)題中不必要的細(xì)節(jié)，提取問(wèn)題的關(guān)鍵要素與基本特征，這是將現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可解決問(wèn)題的關(guān)鍵一步。指向自動(dòng)化的抽象主要體現(xiàn)為對(duì)象的抽象和規(guī)則的抽象：每個(gè)對(duì)象有各自的狀態(tài)，每種狀態(tài)可通過(guò)若干個(gè)屬性和行為來(lái)描述，屬性和行為反映了對(duì)象最核心的內(nèi)容，用以區(qū)分不同的對(duì)象;現(xiàn)實(shí)中描述問(wèn)題的規(guī)則往往錯(cuò)綜復(fù)雜，規(guī)則的抽象就是從問(wèn)題描述中梳理出規(guī)則，且這些規(guī)則可以轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的表達(dá)形式。

教學(xué)中，筆者以問(wèn)題鏈引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)想故事畫面，分析動(dòng)畫情節(jié)，結(jié)合對(duì)導(dǎo)演工作的認(rèn)知，對(duì)動(dòng)畫中對(duì)象的屬性、行為以及對(duì)象之間的互動(dòng)規(guī)則進(jìn)行抽象（如上頁(yè)圖3）。

以“孫悟空玩轉(zhuǎn)金箍棒”為例，對(duì)象和規(guī)則的抽象如表1所示。

（2）對(duì)動(dòng)畫要素的形式化表達(dá)

形式化表達(dá)是抽象結(jié)果的表現(xiàn)形式，即提取對(duì)象屬性、行為、規(guī)則等核心要素之后，以計(jì)算機(jī)可執(zhí)行為目標(biāo)，合理組織數(shù)據(jù)，用自然語(yǔ)言、流程圖等方式清晰地表達(dá)問(wèn)題，精簡(jiǎn)的符號(hào)是形式化的高級(jí)表現(xiàn)形式。形式化表達(dá)有助于推動(dòng)學(xué)生對(duì)問(wèn)題求解過(guò)程的深入思考，促使學(xué)生迸發(fā)無(wú)限創(chuàng)意。

教學(xué)中，不同學(xué)生具備的抽象能力不同，形式化程度也有所區(qū)別。有的用簡(jiǎn)單的自然語(yǔ)言表達(dá)，有的用思維導(dǎo)圖表示某個(gè)對(duì)象及其可操作的屬性、行為、規(guī)則等，還有的用流程分解對(duì)象的動(dòng)作序列，以表達(dá)動(dòng)作發(fā)生的先后順序。之后展開小組活動(dòng)，探討表達(dá)形式是否完備？是否可操作？有了這樣的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，今后在分析問(wèn)題階段學(xué)生會(huì)盡可能地以形式化的方法表達(dá)抽象結(jié)果。

（3）對(duì)動(dòng)畫模型的構(gòu)造

在形式化表達(dá)的基礎(chǔ)上，判斷、分析與綜合各種信息資源，有序組織計(jì)算機(jī)可識(shí)別的求解步驟，逐步形成解決問(wèn)題的完整方案。構(gòu)造是為解決問(wèn)題提供一個(gè)框架，對(duì)構(gòu)造的模型進(jìn)行初步評(píng)估也是重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生對(duì)方案的自我驗(yàn)證。學(xué)生已在頭腦中對(duì)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程進(jìn)行了整理和規(guī)劃，且這種整理和規(guī)劃一定是基于對(duì)自動(dòng)化特征的理解。

教學(xué)中，模型化的過(guò)程可借助流程圖、思維導(dǎo)圖等可視化工具作為學(xué)習(xí)支架，也可以在腦海中直接形成。真正的學(xué)習(xí)支架是幫助學(xué)習(xí)者建構(gòu)知識(shí)、獲得能力的框架，提供必要的支持。一旦學(xué)習(xí)者能夠獨(dú)立解決問(wèn)題，學(xué)習(xí)支架就像建筑竣工后的腳手架，會(huì)被逐漸撤離。由于需要梳理多個(gè)對(duì)象的多個(gè)關(guān)鍵要素，表格以直觀的分類、有序的排列等優(yōu)勢(shì)脫穎而出，可以在行、列之間將關(guān)鍵要素之間的關(guān)系詮釋得清晰明了。在完成表格的同時(shí)，動(dòng)畫劇本已經(jīng)構(gòu)造成型。

以“孫悟空玩轉(zhuǎn)金箍棒”為例，構(gòu)造的動(dòng)畫模型如表2所示。

（4）對(duì)動(dòng)畫效果的自動(dòng)化調(diào)試

構(gòu)造的模型未必十全十美，需要在自動(dòng)化的計(jì)算工具中驗(yàn)證解決問(wèn)題的方案。計(jì)算工具或系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)黑箱，學(xué)生不知道也無(wú)需知道其背后蘊(yùn)含的自動(dòng)化機(jī)制。在課堂上，學(xué)生的大部分時(shí)間是處于與計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)的“人機(jī)對(duì)話”狀態(tài)，學(xué)生將自己的構(gòu)想轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可執(zhí)行的操作，計(jì)算機(jī)立刻給予響應(yīng)和反饋，速度快到?jīng)]有給學(xué)生思考的余地。這種響應(yīng)與反饋本身就是一種評(píng)價(jià)，只不過(guò)這種評(píng)價(jià)時(shí)常被學(xué)生忽略或不被學(xué)生所理解。此時(shí)需要引導(dǎo)學(xué)生去解讀計(jì)算機(jī)提供的隱性評(píng)價(jià)語(yǔ)言，不斷調(diào)試與完善。自動(dòng)化調(diào)試的環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學(xué)生縝密的、基于自動(dòng)化的推理能力，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)抽象、構(gòu)造與自動(dòng)化的理解，從而感悟計(jì)算機(jī)世界解決問(wèn)題的方法觀。

教學(xué)中，部分學(xué)生對(duì)動(dòng)畫窗格視而不見，沒有透徹地認(rèn)識(shí)到動(dòng)畫窗格其實(shí)涵蓋了動(dòng)畫的各項(xiàng)精髓（如圖4），值得深入挖掘。當(dāng)學(xué)生能有效運(yùn)用動(dòng)畫窗格，通過(guò)動(dòng)畫窗格解讀計(jì)算機(jī)正在執(zhí)行的動(dòng)畫劇本時(shí)，就能在調(diào)試中體會(huì)到自動(dòng)化與再構(gòu)造的快樂和成就感。在反復(fù)調(diào)試的過(guò)程中，學(xué)生不斷地將預(yù)設(shè)的動(dòng)畫模型與PPT反饋的動(dòng)畫效果進(jìn)行比較，進(jìn)一步調(diào)整方案直至問(wèn)題解決（如圖5）。

（5）對(duì)動(dòng)畫創(chuàng)作的系統(tǒng)化推廣

最后，歸納提煉解決問(wèn)題的系統(tǒng)性策略，聚合為優(yōu)化的有機(jī)整體，形成解決同類問(wèn)題的通用方案，并將其遷移到與之相關(guān)的其他問(wèn)題解決中，不斷拓展形成創(chuàng)新創(chuàng)造。最終目的不是讓學(xué)生成為技藝精湛的動(dòng)畫大師，而是讓學(xué)生在導(dǎo)演動(dòng)畫的過(guò)程中，把問(wèn)題從不能解決轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可解決、可執(zhí)行、可識(shí)別、可調(diào)試運(yùn)行成功。

其實(shí)，學(xué)生是在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行抽象、構(gòu)造與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，固化了所構(gòu)想的精彩故事。對(duì)于欣賞PPT的觀眾而言，這是一個(gè)更加智能、更加“傻瓜”的計(jì)算工具，因?yàn)樗麄冎恍枰獑螕簟胺庞郴脽羝卑粹o，就能品讀學(xué)生對(duì)這本名著的精彩介紹，就能欣賞融入了學(xué)生思維方式的多媒體作品。至于如此美妙的多媒體作品是如何創(chuàng)作的，擁有同樣計(jì)算思維的人將會(huì)進(jìn)一步還原與解構(gòu)，會(huì)有一些與普通欣賞者不一樣的、出于好奇心的、基于計(jì)算思維視角的思考，會(huì)設(shè)想動(dòng)畫模型，猜測(cè)核心功能，并通過(guò)一些輸入和系統(tǒng)反饋來(lái)驗(yàn)證自己的想法。

結(jié)語(yǔ)

相信隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等的蓬勃發(fā)展，計(jì)算思維的內(nèi)涵將被進(jìn)一步挖掘與重構(gòu)，期待計(jì)算思維教育會(huì)在更廣闊的領(lǐng)域和更長(zhǎng)遠(yuǎn)的時(shí)間跨度上開展。