基于計(jì)算思維培養(yǎng)的中學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式探究

方金波

摘要：本文從計(jì)算思維的概念出發(fā)，以計(jì)算思維的五個特征（抽象、分解、算法、評估和概括）為切入點(diǎn)，提出了以人文情懷涵養(yǎng)中學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)的模式。并通過分析Python教學(xué)實(shí)例《愷撒密碼》，闡述了筆者是如何開展中學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;中學(xué)程序設(shè)計(jì);人文情懷

自美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授提出“計(jì)算思維”后，“計(jì)算思維”逐漸受到教育界的關(guān)注。計(jì)算思維已成為公認(rèn)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的核心素養(yǎng)，并被作為信息時代除了讀寫算之外的基本能力[1]。2013 年，英國南安普敦大學(xué)的塞爾比和伍拉德博士在周以真教授提出的計(jì)算思維概念的基礎(chǔ)上，將計(jì)算思維的特征分為抽象、分解、算法思維、評估和概括五個要素。該定義和解析與計(jì)算思維教育教學(xué)有較為密切的聯(lián)系。把握計(jì)算思維核心要素的內(nèi)在層次關(guān)系，可較好的設(shè)計(jì)培養(yǎng)計(jì)算思維的教學(xué)活動，特別是程序設(shè)計(jì)的教學(xué)活動。信息技術(shù)學(xué)科是培養(yǎng)計(jì)算思維的主要載體，而程序設(shè)計(jì)與計(jì)算思維的關(guān)系是最密切的，它是培養(yǎng)計(jì)算思維的重要手段。因此，開展好程序設(shè)計(jì)教學(xué)尤為重要。

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以教師傳授事實(shí)性或陳述性的知識為主，這些知識僅僅是關(guān)于世界“是什么”的知識，學(xué)生很難獲得程序性知識和策略性知識[2]。傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)是教師講授程序例子，學(xué)生模仿練習(xí)的“講—練”模式，這種模式難以有效地培養(yǎng)學(xué)生的算法思維，而且在缺乏拓展與創(chuàng)作的情況下，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。而基于計(jì)算思維培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)，改變了傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式，發(fā)展了學(xué)生抽象特征、問題分解、算法設(shè)計(jì)以及概括遷移的能力，促進(jìn)了學(xué)生計(jì)算思維的生長。

一、基于計(jì)算思維培養(yǎng)的中學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式

從計(jì)算思維的角度開展程序設(shè)計(jì)教學(xué)，不僅能使學(xué)生更好地理解基本的程序設(shè)計(jì)原則，理解計(jì)算在解決科學(xué)問題中的作用;而且能使學(xué)生更好地分析、抽象問題，理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本功能，最終設(shè)計(jì)出有效解決問題的程序設(shè)計(jì)方案。在程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)以人文情懷涵養(yǎng)教學(xué)，學(xué)生能更自主地學(xué)習(xí)知識與技能，能更樂于探究解決問題的方法，而且，學(xué)生的品格也得到了涵養(yǎng)。

人文情懷，是一種人文精神，即一個人的思想、學(xué)識、文化修養(yǎng)、人格情緒等在人生中的綜合體現(xiàn)。將人文情懷遷移到教學(xué)上就變成了一種自在的教學(xué)境界，這一境界就是求真、向善、臻美。人文情懷對教學(xué)的涵養(yǎng)非常寬廣，涵蓋了價(jià)值觀的引領(lǐng)，批判精神、計(jì)算思維和邏輯思維的培養(yǎng)，欣賞美、設(shè)計(jì)美和創(chuàng)造美的啟迪[3]。

教學(xué)過程的第一個環(huán)節(jié)是“創(chuàng)設(shè)情境”。情境是教學(xué)與學(xué)生心靈溝通的橋梁，情境創(chuàng)設(shè)巧妙，則學(xué)生更易入境生情，與學(xué)習(xí)內(nèi)容無縫對接。筆者在教學(xué)實(shí)踐中注重創(chuàng)設(shè)內(nèi)隱人文情懷的教學(xué)情境，其內(nèi)涵包括引發(fā)內(nèi)省、關(guān)注世界、追求真善美等。情境創(chuàng)設(shè)最終將教學(xué)活動引向了或求真、或向善、或臻美的境界。

教學(xué)過程的第二個環(huán)節(jié)是“問題分解，任務(wù)探究”。程序設(shè)計(jì)中的“問題”往往有復(fù)雜、繁瑣的特點(diǎn)，因而需要引導(dǎo)學(xué)生采用枚舉、遞歸、分治等方法進(jìn)行問題分解。對于學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循由易到難、由簡及繁的原則，應(yīng)符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。通過探究活動，促使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，然后嘗試分析、解決問題，學(xué)生的思維能力因此得到發(fā)展。

教學(xué)過程的第三個環(huán)節(jié)是“分享與評價(jià)”。在教學(xué)中教師應(yīng)及時、到位地評價(jià)學(xué)生的作品，還應(yīng)適時展示教師自創(chuàng)或其他人的優(yōu)秀作品，給予學(xué)生創(chuàng)新方向的引領(lǐng)，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行二次創(chuàng)作。最后再展示優(yōu)秀學(xué)生作品（或優(yōu)化后的作品），提升學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感，激發(fā)學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)動力。

最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)是“總結(jié)與提升”。教師挖掘、揭示教學(xué)任務(wù)背后內(nèi)隱的人文情懷，超越程序設(shè)計(jì)教學(xué)，引領(lǐng)學(xué)生感悟求真、向善、臻美的美好境界。

二、基于計(jì)算思維培養(yǎng)的中學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

下面筆者通過Python教學(xué)實(shí)例《愷撒密碼》來闡述自己是如何開展程序設(shè)計(jì)教學(xué)來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維的。

課堂伊始，筆者展示一些字母“Vhoi-lpsuryhphqw”，問學(xué)生是否了解其中的意義，然后引出密碼學(xué)相關(guān)概念及愷撒密碼的由來。從愷撒密碼用于古代戰(zhàn)爭的情境中，提出本節(jié)主要任務(wù)：通過Python編程，利用位移替換的方法自動加密信息或解密信息。

在第二個教學(xué)環(huán)節(jié)，筆者首先分析如何加密，例如將明文的字母按字母表的順序后移3位，明文為RETURN TO ROME，密文則為UHWXUQ WR URPH。接著引導(dǎo)學(xué)生抓住問題的關(guān)鍵：后移3位，明文與密文的運(yùn)算表達(dá)式該如何表達(dá)？通過進(jìn)一步的問題分析與引導(dǎo)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，字母c向后推移3個單位，可以表達(dá)為chr（ord（‘c’）+3）。當(dāng)學(xué)生編程調(diào)試后，會發(fā)現(xiàn)問題：不是26個英文都可以用上面式子運(yùn)算的。之后，筆者嘗試引導(dǎo)學(xué)生解決最后3個字母（X、Y、Z）的移位的運(yùn)算問題。抽象是計(jì)算思維的本質(zhì)，這里嘗試通過抽象的方法，分析數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)可計(jì)算的模型，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目標(biāo)。

當(dāng)學(xué)生通過編程，解密課前展示的密文“Vhoi-lpsuryhphqw”（密鑰為3）后，筆者再提出下一個探究任務(wù)：已知密鑰是1至13，請解密密文“Zbywhzz fvbyzlsm”。全班13個小組，每一個小組設(shè)計(jì)一個密鑰的解密程序。全班學(xué)生分工與合作，興致頗高，最終有一個小組發(fā)現(xiàn)了明文內(nèi)容“Surpass yourself”（超越自我）。至此，學(xué)生恍然發(fā)現(xiàn)本節(jié)課解密的內(nèi)容就是我校的校風(fēng)“自強(qiáng)不息，超越自我”。學(xué)生不知覺中掌握了字符串處理的重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容。

在學(xué)生能編程解密確定密鑰的密文后，筆者讓學(xué)生編寫加密程序，并繼續(xù)優(yōu)化程序，使其能按自定義的密鑰加密，或解密不確定密鑰的密文。在“分享與評價(jià)”環(huán)節(jié)，讓一小組學(xué)生給出密文，另一小組學(xué)生進(jìn)行解密，然后再自評或互評。之后，筆者展示了一個采用結(jié)構(gòu)化方法編寫的愷撒密碼程序。它有加密和解密兩種模式，它可直接羅列所有密鑰對應(yīng)的明文內(nèi)容，大幅度提高問題解決的效率。通過展示該程序，提升學(xué)生對編程方法的認(rèn)識，也為學(xué)生優(yōu)化程序提供了思路。

在最后的“總結(jié)與提升”環(huán)節(jié)，筆者總結(jié)字符串處理的基本方法;鼓勵學(xué)生查閱漢字加密的技術(shù)資料;重申本節(jié)課解密的內(nèi)容“自強(qiáng)不息，超越自我”，并勉勵學(xué)生弘揚(yáng)校風(fēng)精神，努力向上，剛毅堅(jiān)卓，不斷地自我完善。筆者通過將含有人文情懷理念的校園文化融入程序設(shè)計(jì)當(dāng)中，讓程序設(shè)計(jì)教學(xué)得到了升華。

經(jīng)過一個學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)基于計(jì)算思維培養(yǎng)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)模式，能夠有效發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維;而將人文情懷滲透到程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，學(xué)生均感受到了程序設(shè)計(jì)的溫度與美好，這對于學(xué)生良好品格和關(guān)鍵能力的形成大有裨益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳向東，王繼華.超越信息素養(yǎng)——“技術(shù)—文化”一體視域下的信息技術(shù)教育發(fā)展方向探討[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2014（05）：17-21.

[2] 王榮良.計(jì)算思維教育[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2014：125.

[3] 方少芹.人文情懷涵養(yǎng)下創(chuàng)新思維培養(yǎng)的策略[J].中國信息技術(shù)教育，2017（05）：13-15.