□孫秀芝 胡泉鎬

計(jì)算思維是個體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想方法來解決問題的一系列思維活動，是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的四個核心要素之一。隨著教材的再次修訂，體現(xiàn)信息技術(shù)學(xué)科本質(zhì)內(nèi)容，指向計(jì)算思維培養(yǎng)的知識模塊的比重大幅提升，這也給教師開展算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)帶來了更大挑戰(zhàn)。在實(shí)際教學(xué)中，邏輯不清、脫離算法、思維受限是“算法與程序設(shè)計(jì)”模塊初學(xué)者身上的常見問題，主要原因在于其對算法的關(guān)鍵步驟、程序的關(guān)鍵指令、作品的關(guān)鍵差異把握不準(zhǔn)。

鑒于此，教師從“算法與程序設(shè)計(jì)”模塊教學(xué)的三個關(guān)鍵點(diǎn)入手，通過梳理關(guān)鍵步驟、尋找關(guān)鍵指令、聚焦關(guān)鍵差異，采用合適的教學(xué)策略改進(jìn)當(dāng)前課堂現(xiàn)狀，幫助學(xué)生逐步養(yǎng)成計(jì)算思維。

一、梳理關(guān)鍵步驟，培養(yǎng)分解思維

對于算法的關(guān)鍵步驟，沒有厘清其邏輯結(jié)構(gòu)，是導(dǎo)致分析問題時思路混亂的主要原因。雖然教師會列舉生活中學(xué)生耳熟能詳?shù)陌咐?，但是學(xué)生在獨(dú)立思考時還是會遇到障礙。因此，教師需要引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行分解，抓住解決問題的關(guān)鍵步驟，并用自己的理解加以描述，以此使思維更清晰。

（一）要素分解，用自然語言描述關(guān)鍵步驟

對于邏輯思維處于發(fā)展階段的初學(xué)者來說，讓其分析計(jì)算機(jī)程序的算法并不容易，即便是相對簡單的程序也是如此。因此，教師在引導(dǎo)學(xué)生分析一個具體問題的算法時，要把握兩個要點(diǎn)：一是分析具體問題中包含的主要角色；二是將主要角色所要進(jìn)行的關(guān)鍵步驟進(jìn)行羅列，而對于次要信息予以暫緩考慮。分析過程可以借助一定的可視化工具來支持，比如思維導(dǎo)圖、表格等，但學(xué)生須用自己的語言來表達(dá)解決問題的思路。

【案例1】《詢問交互》一課算法分析

課堂上，教師提供了《中國詩詞大會》的視頻片段，請學(xué)生利用表格分析一次問答程序經(jīng)歷的步驟。（提示：只考慮關(guān)鍵交互過程）具體如表1。

表1 一次問答的關(guān)鍵步驟表

學(xué)生通過反復(fù)觀看視頻，理解計(jì)算機(jī)與用戶交互的過程，在表格中羅列出目標(biāo)程序所涉及的兩個角色——“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)角色”“用戶”。由于“用戶”就是使用者本身，不需要在計(jì)算機(jī)中設(shè)置，所以只需要添加一個角色——“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)角色”。接著，學(xué)生對于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)程序所需要的關(guān)鍵步驟進(jìn)行分解：第1步是“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)角色”出題，第2步是“用戶”輸入回答，第3步是“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)角色”判斷用戶回答是否與答案一致，第4步是“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)角色”根據(jù)判斷結(jié)果輸出不同的結(jié)果提示。

通過主要角色、關(guān)鍵步驟的分析訓(xùn)練，學(xué)生初步學(xué)會了抓住問題的核心，將主要精力集中于解決程序中最重要的“交互”問題，將次要問題（角色的初始化、程序的提示語、結(jié)果提示時的角色造型變化等）的處理調(diào)整到后續(xù)優(yōu)化環(huán)節(jié)，以此保證課堂的高效性。

（二）圖形填空，用流程圖表示基本的算法

用流程圖描述算法，能更形象、直觀地表示算法，便于學(xué)習(xí)者理解，也便于指導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行程序的編寫。在學(xué)生初學(xué)流程圖這一描述方式時，教師依然需要引導(dǎo)學(xué)生抓住關(guān)鍵步驟，以此降低學(xué)習(xí)難度，從而幫助學(xué)生順利理出一個相對完整的流程圖。教學(xué)時，為了引導(dǎo)初學(xué)者入門，教師可以借助圖形填空的方式降低難度，讓學(xué)生將關(guān)鍵步驟組合成程序的流程圖。

【案例2】《詢問交互》一課算法分析

仍以問答程序中的算法分析過程為例，教師為學(xué)生提供學(xué)習(xí)單，請學(xué)生將右側(cè)的步驟拖到左側(cè)的線框內(nèi)，完成一次問答程序的流程圖，如圖1。

圖1

借助這樣的半成品流程圖，學(xué)生參與繪制的難度大大降低，絕大部分學(xué)生都能順利完成任務(wù)。在拖動的過程中，學(xué)生一邊理解算法，一邊熟悉流程圖符號。

實(shí)踐證明，利用圖形填空的方式，能更有效地幫助初學(xué)者掌握利用流程圖表示算法的方法，幫助學(xué)生建立對程序關(guān)鍵步驟的理解。有了程序流程圖，程序的編寫就更容易操作。需要注意的是，教師在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)單時，可以有意識地將流程圖的關(guān)鍵步驟進(jìn)行“挖空”處理，從而引起學(xué)生對關(guān)鍵步驟的關(guān)注，為后續(xù)教學(xué)關(guān)鍵指令做好鋪墊。

二、尋找關(guān)鍵指令，提升算法思維

初學(xué)計(jì)算機(jī)課程的學(xué)生尚未建立流程圖與程序之間的對應(yīng)關(guān)系，對于流程圖中的關(guān)鍵步驟使用何種關(guān)鍵指令存在認(rèn)知上的困難，從而導(dǎo)致程序編寫的過程脫離流程圖。因此，教師需要幫助學(xué)生在程序流程圖與計(jì)算機(jī)程序的各條指令間建立聯(lián)系，將算法真正落實(shí)到程序的實(shí)際腳本當(dāng)中。

（一）正向匹配，經(jīng)歷關(guān)鍵指令的探究過程

隨著算法越來越復(fù)雜，程序設(shè)計(jì)中所涉及的新指令也隨之增多。新指令的學(xué)習(xí)是除了算法分析外的另一個教學(xué)難點(diǎn)。因此，教學(xué)中，教師需要把握兩個要點(diǎn)：一是要給予學(xué)生充分的時間學(xué)習(xí)新指令，讓學(xué)生經(jīng)歷探究指令的過程；二是要將流程圖與指令進(jìn)行一一對應(yīng)，使知識產(chǎn)生前后的聯(lián)系。

【案例3】《列表存儲》一課程序設(shè)計(jì)

在分析完問答程序的升級版——隨機(jī)出題的問答程序后，流程圖隨即形成。教師讓學(xué)生選擇所需要的指令到腳本區(qū)。學(xué)生新建了“i”“得分”兩個變量，“問題”“答案”兩個列表，“在（）和（）之間取隨機(jī)數(shù)”“詢問”“回答”“如果…那么…否則……”等指令，將其拖到腳本區(qū)。

教師進(jìn)一步引導(dǎo)：變量i的取值范圍是多少？

生：有多少題目，就取到多少。

師：用“在（）和（）之間取隨機(jī)數(shù)”怎么表示？

生：表示成“在（1）和（題目數(shù)量）之間取隨機(jī)數(shù)”。

師：“題目數(shù)量”有沒有更好的表示方法？請你去“變量”類指令的面板區(qū)找一找。

經(jīng)過一番查找，學(xué)生找到了關(guān)鍵指令。

這時，教師請學(xué)生鉤選變量“i”前面的方框，使其顯示，再單擊指令觀察變量“i”的值有什么變化。

圖2

通過教師的提問引導(dǎo)，學(xué)生提出猜想、驗(yàn)證猜想，理解了新指令“隨機(jī)數(shù)”的含義。同樣，對于其他幾個關(guān)鍵的新指令，教師也可讓學(xué)生先行探究、嘗試，從而實(shí)現(xiàn)知識的內(nèi)化。

在這個過程中，教師以流程圖為藍(lán)本，一步步引導(dǎo)學(xué)生對其中的關(guān)鍵步驟所需要的指令進(jìn)行探究、嘗試、驗(yàn)證。學(xué)生經(jīng)歷了新知識的發(fā)現(xiàn)過程，將流程圖與指令、腳本聯(lián)結(jié)在一起，整體梳理了程序設(shè)計(jì)的思路。

（二）反向解析，強(qiáng)化對關(guān)鍵指令的理解

教師也可以通過讓學(xué)生給程序腳本添加注釋的方法，檢查學(xué)生對關(guān)鍵指令的理解程度。一般的程序設(shè)計(jì)軟件都帶有給腳本添加注釋的功能。按照教師的要求，學(xué)生可以在關(guān)鍵指令處添加注釋，寫明所用指令的用途。

【案例4】《列表存儲》一課程序設(shè)計(jì)

以《列表存儲》一課為例，關(guān)鍵指令的注釋如圖3。

圖3

通過正向?qū)⒘鞒虉D與關(guān)鍵指令進(jìn)行匹配，反向給關(guān)鍵指令添加注釋的方式，學(xué)生經(jīng)歷了兩次程序的梳理，對流程圖和程序腳本之間的對應(yīng)關(guān)系有了更深刻的理解，對關(guān)鍵指令的使用方法也更明確，知識得以內(nèi)化。

三、聚焦關(guān)鍵差異，培養(yǎng)迭代思維

缺乏能激發(fā)真實(shí)需求的情境是導(dǎo)致學(xué)生較難提出合理化改進(jìn)建議的原因之一。一方面，受到思維局限，學(xué)生對于自身制作的程序設(shè)計(jì)作品難以進(jìn)行自我更新；另一方面，學(xué)生對于一些新指令的陌生感則限制了想象力的發(fā)揮。因此，在作品的改進(jìn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，教師要有意識地創(chuàng)設(shè)能激發(fā)真實(shí)需求的情境，多角度發(fā)散學(xué)生的思維，鼓勵學(xué)生說出自己的改進(jìn)思路。

（一）自我修正，借助多維優(yōu)化更新程序

對于程序設(shè)計(jì)的優(yōu)化，學(xué)生思維受限的原因之一是缺少創(chuàng)新角度的點(diǎn)撥。課堂中，如果教師沒有提前設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)支架，有效提示學(xué)生進(jìn)行程序腳本的改進(jìn)，而是直接讓學(xué)生自由發(fā)揮，往往很難達(dá)到預(yù)期的效果。在程序設(shè)計(jì)的拓展環(huán)節(jié)，教師可以設(shè)計(jì)能激發(fā)學(xué)生探索新指令、解決新問題的合理情境或任務(wù)，讓學(xué)生找出關(guān)鍵差異，然后帶著問題進(jìn)一步探索。

【案例5】項(xiàng)目學(xué)習(xí)“有趣的圖形”中程序設(shè)計(jì)的改進(jìn)

項(xiàng)目學(xué)習(xí)“有趣的圖形”中，學(xué)生通過循環(huán)嵌套的方式，學(xué)會了畫出一個由基本圖形旋轉(zhuǎn)而成的組合圖形。在后續(xù)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，教師引導(dǎo)學(xué)生逐步優(yōu)化程序，并通過一組圖形的變化，尋找關(guān)鍵差異，學(xué)習(xí)新指令，從而不斷地將“過程”這一程序設(shè)計(jì)中的重要概念學(xué)實(shí)、學(xué)透。

1.圖形組的第一次變化（關(guān)鍵差異：基本圖形）

教師請學(xué)生說說腳本應(yīng)該如何修改。

學(xué)生：將每一段畫圖形的腳本中“內(nèi)層循環(huán)”改成畫正方形的腳本，即重復(fù)4次，右轉(zhuǎn)90度。

教師：這樣修改需要改動多處，有些麻煩，使用“過程”，一次修改即可。

（學(xué)生學(xué)習(xí)“過程”指令的運(yùn)用）

學(xué)生：把三角形這一“過程”的名稱改成“正方形”，然后把過程腳本修改一次，主程序中的“過程”指令就自動改過來了。

2.圖形組的第二次變化（關(guān)鍵差異：基本圖形及其邊長）

學(xué)生已經(jīng)可以使用學(xué)過的“過程”指令來修改基本圖形的變化，但邊長的變化學(xué)生尚未掌握。

學(xué)生：每個正五邊形的邊長都不一樣，每次都要去修改正五邊形這個“過程”。

教師：“過程”是一段固定的、可多次使用的腳本，一經(jīng)定義，一般不隨意修改。嘗試添加一個參數(shù)“邊長”，有什么發(fā)現(xiàn)？

學(xué)生：有了參數(shù)，就可以在帶參過程“正五邊形（邊數(shù)）”里輸入數(shù)字，自由控制邊長。

3.圖形組的第三次變化（關(guān)鍵差異：基本圖形的邊長、邊數(shù)）

通過前期優(yōu)化程序的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生能夠想到再增加一個參數(shù)“邊數(shù)”，使用帶參過程“正多邊形（邊長）（邊數(shù)）”來解決這個問題，其對“過程”的認(rèn)識進(jìn)一步豐富。通過三次優(yōu)化，學(xué)生經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)差異、學(xué)習(xí)新指令、修改腳本的過程，從而實(shí)現(xiàn)了程序迭代優(yōu)化。學(xué)生對于“過程”這一新知識點(diǎn)的認(rèn)識由表及里，由淺入深，對于“過程”的應(yīng)用也更加得心應(yīng)手。

（二）分享互學(xué)，借鑒他人之長優(yōu)化程序

在優(yōu)化程序的過程中，學(xué)生思維受限的另一個原因是缺少同伴間的交流分享。在分享作品、改善作品的過程中，抓住關(guān)鍵差異，聚焦優(yōu)化程序的切入點(diǎn)是非常重要的。此時，教師需要精心設(shè)計(jì)互學(xué)分享的支架，幫助學(xué)生打開思路，表達(dá)創(chuàng)意。

【案例6】《創(chuàng)編游戲》一課中的程序優(yōu)化

在教學(xué)《創(chuàng)編游戲》一課時，教師請學(xué)生先自主嘗試，在完成課本要求的基礎(chǔ)上，改進(jìn)自己的游戲程序。一段時間后，教師請學(xué)生帶著學(xué)習(xí)單找找其他同學(xué)的作品，記錄變化。如圖4，生1在游戲中設(shè)置了多條路徑；如圖5，生2在游戲中添加了障礙物。

圖4

圖5

通過觀察記錄，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了同伴設(shè)計(jì)中的亮點(diǎn)，記錄下了互學(xué)體驗(yàn)，新的創(chuàng)意在交流中不斷迸發(fā)，作品在相互借鑒中不斷臻于完善。

實(shí)踐證明，運(yùn)用梳理關(guān)鍵步驟、尋找關(guān)鍵指令、聚焦關(guān)鍵差異等策略，能夠在一定程度上鍛煉學(xué)生的分解思維、算法思維、迭代思維，從而幫助學(xué)生更高效地達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，形成計(jì)算思維。