基于編程教學(xué)的計(jì)算思維培養(yǎng)策略

林方東

摘 要：計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的根基，是信息社會數(shù)字公民的基本素養(yǎng)。編程教學(xué)是計(jì)算思維培養(yǎng)的主要途徑，被廣泛引入到中小學(xué)信息技術(shù)課程中。但目前中學(xué)階段的編程教學(xué)普遍存在重編程語言學(xué)習(xí)、輕思維訓(xùn)練的問題。本文從計(jì)算思維概念與當(dāng)前中學(xué)編程教學(xué)現(xiàn)狀入手，提出實(shí)踐中應(yīng)注意的評價計(jì)算思維能力的四個維度，進(jìn)而提出中學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)策略，可以為中學(xué)信息技術(shù)的編程教學(xué)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：編程教學(xué);計(jì)算思維;教學(xué)策略

一、計(jì)算思維概念界定

卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授于2006年提出“計(jì)算思維”的概念：“是個體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念來完成問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動”[1]。教育部2017版新課標(biāo)中提出的計(jì)算思維的概念是：“指個體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動”。

這些思維活動都強(qiáng)調(diào)分析問題、解決問題過程中的思維活動：抽象與建模，即形式化、模型化的思維活動;其次，這些思維活動通常要運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法：例如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、遞歸、迭代、效率分析等等，所產(chǎn)生的解決方案可以用計(jì)算機(jī)代理執(zhí)行。因此，計(jì)算思維實(shí)際上結(jié)合了數(shù)學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維方法，是學(xué)科核心素養(yǎng)的核心及關(guān)鍵要素，是一種從計(jì)算機(jī)角度出發(fā)看待問題、解決問題的思維，顯著影響著信息意識、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新以及信息社會責(zé)任這三個要素發(fā)展的質(zhì)與量，決定了學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展水平[2]。

二、中學(xué)編程教學(xué)現(xiàn)狀

目前我國中學(xué)信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)存在重視知識與技能的學(xué)習(xí)，忽視知識技能的內(nèi)在邏輯之間的聯(lián)系的現(xiàn)象，課堂教學(xué)常常授魚而不授漁。常運(yùn)用創(chuàng)設(shè)情境、任務(wù)驅(qū)動、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等教學(xué)策略，但著力點(diǎn)往往放在學(xué)生掌握技能完成任務(wù)，卻忽視了知識技能的內(nèi)在聯(lián)系，使學(xué)生無法深入了解問題的本質(zhì)。

從2003版課標(biāo)的教學(xué)實(shí)踐來看，中學(xué)信息技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容偏向于應(yīng)用軟件的使用，廣大中學(xué)信息技術(shù)教師困于固化的思維，面對新課標(biāo)，對教學(xué)內(nèi)容變化的存在一個逐步適應(yīng)的過程。一方面，基于舊教學(xué)思維習(xí)慣，面對編程教學(xué)這一新教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)重點(diǎn)往往落在概念講解和編程語言的學(xué)習(xí)方面，教學(xué)內(nèi)容多圍繞表達(dá)式和程序語言的三大結(jié)構(gòu)，最多涉及函數(shù)模塊的定義來展開。對計(jì)算機(jī)運(yùn)行原理、常用算法思想、“分析問題-建立模型-解決問題-評估回顧”這一思維過程沒有得到體現(xiàn)。造成的結(jié)果就是學(xué)生學(xué)習(xí)效果浮于表面，較難發(fā)展出解決問題的能力，面對新問題無從下手。另一方面，適合中學(xué)生編程學(xué)習(xí)的教材也良莠不齊，信息技術(shù)教材不是國家統(tǒng)編教材，編程解決問題又是新教材擴(kuò)展最多的教學(xué)內(nèi)容，各地教材五花八門，廣大教師面對這一變化，缺乏有效經(jīng)驗(yàn)應(yīng)對。

三、中學(xué)生編程學(xué)習(xí)中的計(jì)算思維能力的評價維度

計(jì)算思維本質(zhì)上是人們理解自然系統(tǒng)與社會系統(tǒng)的思維方法和思維活動，是使用科學(xué)工具進(jìn)行抽象模擬以尋求問題解決最優(yōu)化方案的系統(tǒng)過程，從計(jì)算思維實(shí)踐上來看，其包括組織、分析、簡化、抽象、建模、遞歸、回溯等基本過程[3]。

基于對計(jì)算思維概念的界定和對計(jì)算思維本質(zhì)的認(rèn)識，現(xiàn)階段中學(xué)編程教學(xué)中，評估學(xué)生計(jì)算思維能力的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下四個維度：

（一）變量界定能力

計(jì)算機(jī)能夠快速、自動化地解決問題，依靠的是馮諾依曼體系：二進(jìn)制存儲程序與數(shù)據(jù)，控制器與運(yùn)算器程控處理與計(jì)算，數(shù)據(jù)流程遵循“輸入—計(jì)算處理—輸出”的過程。這就要求學(xué)生能夠確定問題中的實(shí)體、屬性及其聯(lián)系，用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲，用合理的標(biāo)識符號表示。明確問題的已知量和未知量與基于這些變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所能夠施加的數(shù)據(jù)操作。明確哪些數(shù)據(jù)需要外部輸入，組織問題的分解并輸出。變量界定的過程是一個對現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)特征的分析抽象的過程，是問題分解與歸納的前提。

（二）問題的分解與歸納能力

能夠直接解決的問題都不是問題，復(fù)雜的模糊的問題可以根據(jù)需要分解成簡單問題解決，或者歸納問題的本質(zhì)，然后套用合適、準(zhǔn)確的模型來解決。對問題分解的方法要會具體問題具體分析。對于不同功能模塊，能明確功能模塊的規(guī)模，接口參數(shù)。對于求解步驟存在先后依賴關(guān)系的問題分解，要能夠用流程圖、甘特圖等工具描述子問題解決的先后次序與流程跳轉(zhuǎn)邏輯關(guān)系，更高的要求是能根據(jù)不同階段狀態(tài)變化歸納出狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程。對于具有最優(yōu)子結(jié)構(gòu)的問題，按問題規(guī)模大小分解，采用遞歸或遞推的方式求解，能夠明確問題的邊界。對問題的分解，做到子問題相互獨(dú)立，完全窮盡。對同類問題，能夠歸納匯總，舉一反三，建立問題求解模型，提出一般化的解決方法。

（三）算法評估能力

有評估算法的可讀性、正確性、健壯性等是否滿足解決問題需求的意識。同一問題的解法可能多種多樣，要會評估問題的數(shù)據(jù)規(guī)模，根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)模選擇相應(yīng)的算法，如當(dāng)問題規(guī)模較小時，選擇暴力枚舉代碼實(shí)現(xiàn)更簡單，但問題規(guī)模太大時，必須選擇二分、三分等分治算法才能有效降低時間復(fù)雜度。當(dāng)采用遞歸方法求解時，會評估遞歸次數(shù)與堆棧溢出的關(guān)系。會分別從時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度和代碼復(fù)雜度等不同角度評估算法是否最佳選擇。算法的評估能力需要學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

（四）代碼編寫能力

既然是編程解決問題，必然要求學(xué)生有良好的代碼編寫能力。要求學(xué)生能夠?qū)⒉煌ぞ呙枋龅乃惴皶r高效地轉(zhuǎn)換成具體編程語言寫的代碼，代碼是否能夠根據(jù)模塊功能劃分或問題求解需要做到模塊化。代碼的可讀性如何，是否有必要的注釋或說明文檔。代碼編寫能力考驗(yàn)學(xué)生編程語言語法規(guī)則的理解和熟練程度，考驗(yàn)常用算法的熟練運(yùn)用能力，也反映學(xué)生的邏輯思維能力。

四、編程教學(xué)中的計(jì)算思維培養(yǎng)策略

目前中學(xué)生的編程教學(xué)，在初中階段的教學(xué)工具，代碼編程與積木拖拽式的編程工具都有老師在應(yīng)用和研究，且有研究認(rèn)為積木式編程對計(jì)算思維的培養(yǎng)提升效果更明顯[4]，但圖形工具本身也有局限性，影響學(xué)生的代碼能力訓(xùn)練，學(xué)生進(jìn)入高中都要回歸到代碼編程。因此我的課題組研究確定在小學(xué)階段采用積木拖拽式編程教學(xué)，初中階段就開始代碼編程教學(xué)。針對中學(xué)生編程學(xué)習(xí)中的計(jì)算思維能力評價的重點(diǎn)維度，提出以下方面的教學(xué)策略。

（一）教學(xué)中重視學(xué)生對計(jì)算機(jī)運(yùn)行原理等編程學(xué)習(xí)前置知識的理解

在編程教學(xué)的前期，重點(diǎn)完成前置知識（包括各類型特別是數(shù)值型數(shù)據(jù)編碼方法與二進(jìn)制，馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)等知識）的學(xué)習(xí)。這類基礎(chǔ)知識理論性較強(qiáng)不好理解，以往教學(xué)中大多數(shù)老師僅是簡單這時學(xué)生對計(jì)算機(jī)運(yùn)行原理有了感性的認(rèn)識，能夠理解到所有能夠借助計(jì)算機(jī)解決的問題，都要把相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，通過控制器與運(yùn)算器在程序的控制邏輯下逐條運(yùn)行，在二進(jìn)制的形式下模擬現(xiàn)實(shí)世界的問題解決過程。學(xué)生有了數(shù)據(jù)存儲的意識，了解數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲形式，才會在界定各類變量的時候，采用合理的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存數(shù)據(jù)，才能夠做到對變量與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知其然又知其所以然。

（二）注重思維活動可視化的訓(xùn)練

計(jì)算思維活動是高階的思維活動過程，從計(jì)算思維在編程教學(xué)活動中的應(yīng)用狀況來看，“抽象”“分解”“建?！薄皻w納”等思維活動都可以用可視化的方法呈現(xiàn)。例如“實(shí)體-聯(lián)系圖”可用于描述問題中實(shí)體之間的聯(lián)系結(jié)構(gòu)，“算法流程圖”常用于模塊化分解問題解決過程中的流程控制，“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖”用于描述對象間的繼承、迭代關(guān)系，這類圖示工具以可視化的形式呈現(xiàn)思維過程，有利于學(xué)生方便地進(jìn)行知識網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)，積累解決問題的經(jīng)驗(yàn)，也有利于教師了解學(xué)生的思維品質(zhì)發(fā)展過程?？梢暬夹g(shù)對計(jì)算思維培養(yǎng)方式基本遵循了“隱性思維顯性化—顯性思維工具化—高效思維自動化”的規(guī)律[5]。因此在編程教學(xué)中不能忽視以可視化的方式對“抽象”“分解”“建?！薄皻w納”等方法的訓(xùn)練。

（三）注重一題多解對評估算法的優(yōu)劣能力的影響

對同一道題，可以暴力枚舉，可以搜索回溯，可以遞推遞歸，不同方法有不同的時空效率。當(dāng)前中學(xué)生普遍一周一節(jié)課的信息技術(shù)課程，實(shí)際只能開展普及性的編程教學(xué)，有限的課時條件下讓學(xué)生整體理解各種算法擁有實(shí)現(xiàn)一題多解的能力是不現(xiàn)實(shí)的。但教師可以自己一題多解，并且讓學(xué)生比較不同解法的特點(diǎn)，特別注重對比時間與空間復(fù)雜度，讓學(xué)生掌握基本的評價標(biāo)準(zhǔn)與評價方法。一題多解可以讓學(xué)生從不同角度看待問題，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)體系，可以讓學(xué)生意識到計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度再快也是有限的，并把這種意識滲透到自己編寫的代碼中去。例如在解“猜數(shù)字”的游戲中，讓學(xué)生比較在數(shù)據(jù)規(guī)模對比懸殊的條件下，枚舉法與二分法在猜測次數(shù)上面的幾個數(shù)量級的區(qū)別，并與計(jì)算機(jī)的計(jì)算次數(shù)比較，體會算法對解決問題的重要性。

（四）加強(qiáng)代碼能力訓(xùn)練

代碼能力是用編程語言編寫出程序解決具體問題的能力，是建立在熟練掌握編程語言的基礎(chǔ)上的。計(jì)算思維的培養(yǎng)不能脫離基本的代碼能力訓(xùn)練，成為空中樓閣。在編程語言的初學(xué)階段，一定程度的模仿樣例程序是必不可少的且高效的。然后是解同類的題型，有助于形成知識遷移，積累解同類問題的經(jīng)驗(yàn)，同時也提高代碼編寫的熟練度。利用在線判題平臺OJ組織學(xué)生形成在OJ上提交代碼的習(xí)慣，能夠提高學(xué)生自學(xué)的效率。代碼能力不是老師長時間講出來的，而是學(xué)生在解決具體問題的過程中，在不斷地積累寫代碼的經(jīng)驗(yàn)中，形成的。只有足夠量的代碼編寫積累才能切實(shí)提高代碼能力。

（五）調(diào)動學(xué)習(xí)主動性

代碼編程有一定的難度，容易產(chǎn)生畏難情緒，教學(xué)中可以做到幾點(diǎn)：1.創(chuàng)設(shè)趣味情境，吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。2.適當(dāng)拔高學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)生解決問題后給予適當(dāng)?shù)募?，激發(fā)學(xué)生自豪感和學(xué)習(xí)動力。3.注重團(tuán)隊(duì)氛圍建設(shè)，在學(xué)習(xí)小組或?qū)W習(xí)團(tuán)隊(duì)中建立競爭意識。4.參加信息學(xué)奧賽等各類競賽。5.充分利用課后時間。6.適當(dāng)補(bǔ)充數(shù)學(xué)知識。只有克服畏難情緒主動學(xué)習(xí)，才能提高學(xué)習(xí)效率，更好地提高思維的品質(zhì)。

結(jié)束語

基于對計(jì)算思維內(nèi)涵的界定，以及對中學(xué)編程教學(xué)現(xiàn)狀的分析，我們提出了在中學(xué)生編程教學(xué)中評價計(jì)算思維品質(zhì)的四個維度，并提出圍繞這四個維度開展編程教學(xué)的五個教學(xué)策略。通過對這些教學(xué)策略在具體課堂教學(xué)過程中的不斷實(shí)施和驗(yàn)證，可以進(jìn)一步探索總結(jié)適合中學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)模式，為中學(xué)生計(jì)算思維品質(zhì)的培養(yǎng)提出了實(shí)踐的方案。

參考文獻(xiàn)

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本文系福州市教育信息技術(shù)研究課題《編程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的實(shí)踐研究》（課題編號FZDJ2019B20）主要研究成果之一。