圖顯思維，開啟編程教學(xué)新樣態(tài)

洪勛

在人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，中小學(xué)信息技術(shù)課程改革不斷推進(jìn)，計算思維已成為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之核心。在信息技術(shù)學(xué)科中，數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)與信息社會這4個學(xué)科大概念所對應(yīng)的課程內(nèi)容其側(cè)重點有所不同。其中，算法與程序設(shè)計課程教學(xué)是目前培養(yǎng)計算思維最主要的手段;抽象能力作為計算思維的本質(zhì)之一，是加強計算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵;程序流程圖作為描述數(shù)據(jù)流程的工具，助力學(xué)生梳理程序設(shè)計思路，讓思維過程可視化，在抽象能力培養(yǎng)過程中起到了重要作用。

● 計算思維與抽象能力的辯證關(guān)系

計算思維的本質(zhì)可概括為抽象和自動化。筆者認(rèn)為計算思維中的抽象需要用特定嚴(yán)格的符號去描述、表示并使其形式化，進(jìn)而達(dá)到機械化執(zhí)行即自動化的目的。自動化是抽象的目的，而抽象則是自動化的前提和基礎(chǔ)。

抽象是指在對實際復(fù)雜問題求解過程中，通過獲取關(guān)鍵特征、化簡、降低復(fù)雜度等方式，構(gòu)造出計算機能夠處理的簡單模型。例如，可以將超市里琳瑯滿目的商品抽象成只含有商品編號、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、單價、折扣信息等若干符號化的屬性對象，將每件商品的計價過程抽象成根據(jù)商品的單價和折扣進(jìn)行自動化累加的過程。

從以上的諸多定義和特點可以發(fā)現(xiàn)，抽象作為計算思維中的一個維度，是計算思維不可或缺的環(huán)節(jié)。抽象能力對于塑造事務(wù)模型、重構(gòu)事務(wù)處理流程起著關(guān)鍵的作用，培養(yǎng)學(xué)生的抽象能力和意識，是發(fā)展學(xué)生計算思維的重要體現(xiàn)，也是提高學(xué)生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力之一。

● 探“尋”：程序設(shè)計之思維“盲區(qū)”

算法與程序設(shè)計教學(xué)需要從真實情境出發(fā)，通過引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題→分析問題→抽象出核心問題→設(shè)計算法→編寫程序→運行調(diào)試→問題解決等計算機解決問題的一般步驟來培養(yǎng)計算思維能力，并從計算機的基本工作原理出發(fā)，將具體的步驟抽象為一般的程序。因此，在程序設(shè)計學(xué)習(xí)過程中抽象能力的剛性要求會讓學(xué)生陷入“盲區(qū)”，從而成為直接制約計算思維培養(yǎng)的重要因素。

盲區(qū)1：語法技能中的算法“模糊化”

很多教師過分注重對一成不變的程序語法結(jié)構(gòu)和規(guī)則的機械式程序技能講解，而忽略了對程序邏輯結(jié)構(gòu)以及算法思想的深層次挖掘，學(xué)生學(xué)習(xí)僅限于掌握語法結(jié)構(gòu)。由于抽象思維能力培養(yǎng)不夠，學(xué)生很難將復(fù)雜問題進(jìn)行分解建模，無法形成明確的算法思維。例如，在教學(xué)“Python枚舉算法”時，列舉“百錢買百雞”“雞兔同籠”等問題只是為了讓學(xué)生掌握表達(dá)式、常用函數(shù)、循環(huán)語句等的基本語法和運行規(guī)則。在這些問題解決過程中由于學(xué)生受抽象能力限制，算法思維比較模糊，計算思維素養(yǎng)不能得到有效滲透。

盲區(qū)2：結(jié)果追求中的思維“碎片化”

在算法與程序設(shè)計教學(xué)過程中，多數(shù)情況只是讓學(xué)生模仿教師給出的參考范例，卻沒有根據(jù)整體思維進(jìn)行問題拆解，并分析每一個子模塊的功能。例如，在“Python的模塊”教學(xué)中，學(xué)生在處理《猜數(shù)字》游戲案例過程中，針對“random”模塊調(diào)用、用戶輸入、程序循壞、判斷是否正確等環(huán)節(jié)，只是獨立、機械式地書寫各個模塊，最后進(jìn)行簡單的順序調(diào)整，并未進(jìn)行整體考慮與設(shè)計，不能形成一條清晰的程序設(shè)計解決問題的思維過程。

盲區(qū)3：語言轉(zhuǎn)換中的支架“空白化”

在程序設(shè)計教學(xué)中，學(xué)生思維沒有有效利用可視化工具做支撐，他們在面對一些較復(fù)雜的情境問題時，由自然語言直接過渡到程序語言普遍存在較大困難。例如，在《循環(huán)結(jié)構(gòu)——for循環(huán)》一課中，筆者嘗試以植物大戰(zhàn)僵尸游戲為課堂情境，要求學(xué)生輸出植物10次攻擊的隨機攻擊值，并判斷10次攻擊的攻擊總和能否阻擋該橄欖球僵尸（生命值為500）。但在引導(dǎo)學(xué)生將實際情景抽象成數(shù)學(xué)模型時，筆者只用了大量的自然語言簡單描述，未直觀呈現(xiàn)思維加工全過程，導(dǎo)致教學(xué)事倍功半，收效甚微。

● 巧借“支架”之燈，點亮“思維”之路

在程序設(shè)計教學(xué)中，程序是結(jié)果，而算法設(shè)計才是靈魂。流程圖是有效的可視化工具之一，從問題情境中抽取的對象、指令、模式等通過流程框、輸入輸出框等加以表征，然后使用順序、選擇、循環(huán)等結(jié)構(gòu)建構(gòu)它們之間的關(guān)系，實現(xiàn)對同類型問題的抽象與提煉。通過可視化流程圖的繪制、解讀、修改等環(huán)節(jié)，建立自然語言與程序語句之間的橋梁，將學(xué)生隱性的思維過程清晰地呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生分析問題、抽象核心問題，建構(gòu)解決問題的模型，從而能夠順利地設(shè)計算法和編寫程序，實現(xiàn)問題的解決，讓思維在編程中可見。

1.抽象問題圖形化，思維聚合 “關(guān)聯(lián)”性

在程序設(shè)計抽象環(huán)節(jié)，需要分析并找到問題的關(guān)鍵。在真實情境問題分析之后，幫助學(xué)生將復(fù)雜的問題進(jìn)行分解、簡化，即將現(xiàn)有的問題關(guān)聯(lián)學(xué)生原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，找到解決問題的關(guān)鍵點，明確解決問題的核心。

例如，在Python中的for循環(huán)遍歷應(yīng)用教學(xué)中，采用《讀心術(shù)》游戲作為問題情境，依次出示4張卡片，對方只需根據(jù)自己的真實生肖情況回答“在”或者“不在”卡片上，就能準(zhǔn)確預(yù)判出對方生肖。

該問題屬于模擬類游戲，對“抽象”的要求非常高。學(xué)生要用程序?qū)崿F(xiàn)這個讀心游戲，就必須弄清楚該游戲系統(tǒng)中的卡片（抽象出要素）、這些卡片之間有怎樣的關(guān)系（要素之間的關(guān)系）等問題，通過程序性的思維聚合，與學(xué)生已積累的知識和技能（二進(jìn)制）建立相關(guān)認(rèn)知關(guān)聯(lián)，明確該問題的核心問題，用可視化方式抽象出模型，形成流程化的問題解決的邏輯序列。

2.抽象語言圖形化，思維理解“簡約”性

隨著學(xué)生認(rèn)知能力的不斷發(fā)展，圖形化的方式更加符合學(xué)生的認(rèn)知偏好。因此，學(xué)生在問題的分析和解決過程中，將抽象語言圖形化，會使問題的解決更加簡練和準(zhǔn)確。程序流程圖在排除多義性和廣義性的同時，能簡潔、濃縮邏輯思維的推理步驟，準(zhǔn)確而清晰地表達(dá)解決問題的思維，從而實現(xiàn)以簡約的思維理解獲得最佳效果的目標(biāo)。

例如，在《循環(huán)結(jié)構(gòu)——for循環(huán)》一課的案例中，一個僵尸穿過院子到達(dá)戴夫家會受到植物10次攻擊，攻擊力隨機生成，試問僵尸能否攻入？筆者這樣引導(dǎo)學(xué)生建立初步模型：設(shè)置一個變量sum記錄10次攻擊的總和;用for循環(huán)語句表述10次攻擊，循環(huán)變量代表攻擊次數(shù);思考sum的計算應(yīng)該在循環(huán)體內(nèi)部還是外部進(jìn)行？判斷僵尸是否死亡又應(yīng)該在循環(huán)體的內(nèi)部還是外部執(zhí)行？思考sum的初始值0應(yīng)該在循環(huán)體的內(nèi)部還是外部賦予？如下頁圖1所示。

問題進(jìn)一步復(fù)雜：每天晚上有12個僵尸試圖進(jìn)攻戴夫的家，試問是否會攻克？筆者在上一個案例所展示流程圖的基礎(chǔ)上，逐個設(shè)問，讓學(xué)生逐步完善流程圖：每個僵尸執(zhí)行流程圖中哪些環(huán)節(jié)？在哪里判斷僵尸總數(shù)超過12？死亡僵尸數(shù)在哪里累加？Death的初始值在哪里賦值？從而完成了如圖2所示的流程圖。

3.抽象過程圖形化，思維呈現(xiàn)“動態(tài)”性

程序流程圖在運行時體現(xiàn)的是動態(tài)可視化，在程序不斷運行過程中，流程圖可以非常清晰地用圖的形式將各種變量值及其邏輯關(guān)系呈現(xiàn)給學(xué)生。通過抽象過程的動態(tài)呈現(xiàn)，學(xué)生可以很清楚地了解當(dāng)前指令的執(zhí)行狀態(tài)，讓計算思維更深入。

例如，在《while循環(huán)應(yīng)用實例》的教學(xué)中，筆者采用“五猴分桃”案例，結(jié)合學(xué)生的學(xué)情，大多數(shù)會采用一般性解法，即采用變量a作為最后的桃子數(shù)，x作為原始的桃子數(shù)，通過問題分析得到邏輯表達(dá)式：a=（（（（（（x-1）*4/5-1）*4/5）-1）

*4/5-1）*4/5-1）*4/5。對x進(jìn)行遍歷，同時a也隨著動態(tài)變化。若a為整數(shù)，則x，a為所求。

然而對于計算機的解決思路，則采用自頂向下的分治策略。

主問題過程思路：①變量x=1;②循環(huán)，如果x不能被5個猴子分掉，則執(zhí)行③;③x=x+1，轉(zhuǎn)②;④輸出x;⑤結(jié)束。

子問題過程思路（x個桃子能否被5個猴子分掉）：①循環(huán)（5次），每次執(zhí)行x=x-1，如果x能被5整除，則執(zhí)行x=x/5*4，否則轉(zhuǎn)②;②程序結(jié)束，返回“假”;③程序成功（5次循環(huán)成功結(jié)束），返回“真”。

很顯然，基于這樣的文字描述，很難直觀感受整個問題解決的思維過程。而通過流程圖支架則更便于整個過程動態(tài)化呈現(xiàn)出來（如圖3）。

在程序動態(tài)運行時，可視化思維培養(yǎng)方式非常重要。多重循環(huán)又是課程的難點，流程圖使兩重循環(huán)的抽象過程完全圖形化，每一個設(shè)問都可以作為一個獨立的思維框架添加到流程圖的相應(yīng)位置。在用流程圖抽象實際問題、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時，課堂效果顯著提升，教學(xué)目標(biāo)容易達(dá)成，學(xué)生在思考程序的動態(tài)運行過程時不容易出錯，一舉突破了循環(huán)作用的范圍、變量的初始化等重難點。

4.抽象思路圖形化，思維形成“直觀”性

算法與程序設(shè)計課程注重培養(yǎng)學(xué)生利用計算機解決實際問題的能力，程序流程圖的構(gòu)建，意味著學(xué)生已經(jīng)從實際問題中提取了有效信息，將問題抽象成了特定符號，建立了一般化的數(shù)學(xué)模型，找到了解決問題的方法。程序流程圖能夠幫助他們梳理思路，明確解決方案，減少復(fù)雜問題所帶來的盲目性，也為后續(xù)實現(xiàn)方案的具體程序設(shè)計提供指導(dǎo)。

例如，在“Python程序結(jié)構(gòu)while循環(huán)”教學(xué)模塊中，筆者以繪制多彩的精美圖形為教學(xué)情境案例，根據(jù)繪制目標(biāo)，抽象分析案例中背景色、線條的顏色、粗細(xì)等要素，形成繪制思路（包含循環(huán)體內(nèi)的思路步驟）。

通過引導(dǎo)學(xué)生針對圖形案例直觀分析，形成解決思路。

任務(wù)1思路：定義海龜模塊，設(shè)置線條屬性及背景;

任務(wù)2思路：循環(huán)體分別為四種顏色的線條繪制：①i%4==0，繪制紫色;②i%4==1，繪制黃色;③i%4==2，繪制紅色;④i%4==3，繪制藍(lán)色。（如圖4）

當(dāng)程序代碼調(diào)試出現(xiàn)錯誤時，又可借助直觀的流程圖來修改代碼編寫中的錯誤，避免了學(xué)生漫無目的地做嘗試。

● 行動實踐：人人卷入，“圖”育素養(yǎng)

基于《循環(huán)結(jié)構(gòu)——for循環(huán)》一課的教學(xué)內(nèi)容，筆者給出例題1的標(biāo)準(zhǔn)代碼，要求學(xué)生編寫應(yīng)用型例題2和提高練習(xí)的程序。將流程圖融入到課堂中，讓學(xué)生圍繞真實情境進(jìn)行抽象、建模，引導(dǎo)學(xué)生用流程圖對抽象內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計、實現(xiàn)、驗證和遷移，以此來探究流程圖對程序設(shè)計學(xué)習(xí)的影響。

例題1：一個僵尸穿過院子到達(dá)戴夫家會受到植物10次攻擊，攻擊力隨機生成，試問僵尸能否攻入？例題2：問題進(jìn)一步復(fù)雜，每天晚上有12個僵尸試圖進(jìn)攻戴夫的家，試問是否會攻克？提高練習(xí)：一周有7天，每天都有12個僵尸來襲，每個僵尸會受到10次植物的攻擊，試問戴夫的后院一周有幾天會被僵尸攻克？

1.橫向?qū)Ρ?，區(qū)分抽象能力

筆者在兩個平行班分別采用不同的方式教學(xué)實踐，A班采用正常流程圖進(jìn)行授課，B班采用自然語言簡單描述作為鋪墊。通過采集學(xué)生用編程解決問題的過程，得出結(jié)論：受限于代碼調(diào)試能力，兩個班級能編寫代碼并調(diào)試完成例題2的學(xué)生并不多;但是統(tǒng)計前兩項“邏輯正確”的人數(shù)，用流程圖教學(xué)的A班有30人，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過用自然語言教學(xué)的B班。A班中甚至還有5位學(xué)生在完成了例題2之后，繼續(xù)修改例2的流程圖，并利用該流程圖完成了提高練習(xí)，可見流程圖對于提升學(xué)生的抽象能力、提高解決問題的速度都大有裨益。

2.縱向?qū)Ρ?，重現(xiàn)抽象能力

鑒于B班的教學(xué)效果不佳，筆者在B語言描述的鋪墊基礎(chǔ)上，也采用了流程圖對學(xué)生進(jìn)行抽象能力訓(xùn)練。通過評價量規(guī)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在問題解決和思維遷移上都有了很大的提升。課后要求學(xué)生填寫調(diào)查問卷并統(tǒng)計了結(jié)果，得出學(xué)生在理解程序邏輯結(jié)構(gòu)過程中，抽象能力、建模能力都得到了充分體現(xiàn)。由此可知，程序流程圖對學(xué)生進(jìn)一步理解for循環(huán)語句作用顯著。

通過教學(xué)實踐，課堂體驗解決實際問題的方法和思維，進(jìn)一步驗證了基于可視化程序流程圖的計算思維培養(yǎng)教學(xué)方式的有效性，學(xué)生計算思維能力得到發(fā)展，解決問題能力有所增強。

● 實踐總結(jié)

筆者通過實踐明確，借助流程圖的可視化方式能有效地加強學(xué)生對程序設(shè)計解決問題的思維理解，在提升學(xué)生抽象思維能力的同時展現(xiàn)了問題解決過程中主題元素之間的邏輯關(guān)系和演繹過程。學(xué)生在真實情境下復(fù)雜的程序設(shè)計變得有跡可循，程序思維可見。

在中學(xué)的算法與程序設(shè)計課程體系中，教師對知識點的傳授、程序語法的講解相對比較到位，但容易忽略對學(xué)生求解問題能力的培養(yǎng)，而這恰好是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵點之一。程序設(shè)計課程不應(yīng)該為了編程而編程，而應(yīng)該重視將實際問題概括、抽象成特定符號，建立一般化的數(shù)學(xué)模型，再利用計算機具備的強大運算、存儲能力找到解決辦法的能力。在這個過程中，程序流程圖確實能夠起到事半功倍的效果，引導(dǎo)學(xué)生以計算思維的視角認(rèn)識和思考日新月異的信息社會，并做出更加信息化的判斷，有效提升計算思維水平，提升學(xué)生的信息技術(shù)核心素養(yǎng)。