基于計算思維培養(yǎng)的高中Python課程教學(xué)思路初探

林立

摘 要：高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）中被重點提出，其中一項重要內(nèi)容就是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。在課程改革背景下，高中的信息技術(shù)課程應(yīng)該不斷地為學(xué)生提供豐富的教學(xué)課程資源，使得學(xué)生能夠運用計算思維認(rèn)識和分析所遇到的問題，從而達(dá)到解決問題的目標(biāo)。其中易入門輕語法重算法的Python語言對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)起著不可替代的作用。因此本文以Python課程教學(xué)設(shè)計為例，從培養(yǎng)學(xué)生計算思維的角度出發(fā)，完善教學(xué)設(shè)計和教學(xué)策略，從而不斷培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和解決問題的能力，確保學(xué)生信息素養(yǎng)的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：高中；Python課程；計算思維；教學(xué)策略

在課程改革背景下，高中生應(yīng)該具備運用計算思維解決問題的能力[1]。Python課程教學(xué)承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重任。Python語言具有語法簡單、容易入門、類庫豐富、支持中文等特點，把它作為教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生更容易入門[2]。而且Python能夠讓學(xué)生盡可能將精力花在算法和邏輯的設(shè)計上，促使學(xué)生自主合作探究解決問題，培養(yǎng)獨立深入思考的習(xí)慣。作為信息技術(shù)教師，應(yīng)不斷深入探索計算思維的內(nèi)涵和特征，進而結(jié)合Python課程的相關(guān)內(nèi)容進行教學(xué)設(shè)計，提高Python課程的教學(xué)效率，提升學(xué)生計算思維水平。

一、高中階段培養(yǎng)計算思維的重要性

（一）計算思維概述

計算思維就是模擬計算機解決問題的思維模式?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）中對作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一的計算思維是這樣介紹的：“計算思維是指個體運用計算機科學(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[3]?！币虼?，計算思維是運用計算機科學(xué)相關(guān)知識解決實際問題的重要思維，學(xué)生應(yīng)該去掌握和使用這種概念化的基本技能，以此來充實內(nèi)化強大自己。與此同時，計算思維還可以豐富學(xué)生處理問題的思維層次，促進學(xué)生思維能力的發(fā)展，并使學(xué)生更好地適應(yīng)科技社會，為以后的學(xué)習(xí)、生活和工作打下基礎(chǔ)。

（二）高中階段培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要性

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）為高中信息技術(shù)課程改革指明了發(fā)展方向。其中計算思維是四大核心素養(yǎng)之一，它的培養(yǎng)不僅成為高中信息學(xué)科的重要內(nèi)容，而且也成為高中階段學(xué)生教育的重要目標(biāo)[4]。學(xué)生一旦擁有了計算思維，那么在面對不同的學(xué)習(xí)生活情境時，他們就會不由自主地利用現(xiàn)代信息技術(shù)，及時有效地去分析和解決自己所遇到的問題，而且還會將學(xué)過的信息理論知識和實際操作進行有效融合，從而使得自身的綜合能力得到一定的發(fā)展提高。因此，作為高中信息技術(shù)教師要為學(xué)生制訂明確且詳盡的教學(xué)計劃，在課堂上通過問題的設(shè)置和引導(dǎo)，有意識地對學(xué)生進行計算思維的培養(yǎng)，從而促進他們計算思維的不斷提升。

二、現(xiàn)階段高中信息技術(shù)計算思維培養(yǎng)存在的問題

近幾年，學(xué)生計算思維培養(yǎng)雖然受到了廣泛的關(guān)注，但是其定義以及培養(yǎng)的具體方式并不明確，所以教師在教學(xué)實踐的過程中，并不了解如何有效地進行教學(xué)。再加上信息技術(shù)學(xué)科在高中階段不作為高考科目，大多數(shù)學(xué)校對其重視程度不夠，教師在教學(xué)方面也比較機械化，學(xué)生也沒有深入掌握，更談不上計算思維的培養(yǎng)了。尤其是在程序語言的教學(xué)中，教師只是單一地滲透相關(guān)的理論知識，并為學(xué)生演示具體操作引導(dǎo)學(xué)生機械化地進行模仿鍛煉。如果讓學(xué)生獨立地進行程序設(shè)計，他們往往由于沒有獨立的思路，無法解決這一問題，同時此種教學(xué)模式也違背了素質(zhì)教育的目標(biāo)，并不利于學(xué)生自身的發(fā)展和建設(shè)。針對這一情況，在Python課程的教學(xué)中，教師應(yīng)該以培養(yǎng)學(xué)生計算思維為主要工作目標(biāo)，以掌握基礎(chǔ)理論為輔助，高效運用計算思維分析解決問題，不斷深化理論知識的內(nèi)涵，提高學(xué)生解決問題的能力，促進學(xué)生未來的全面發(fā)展。

三、課標(biāo)下Python在計算思維培養(yǎng)方面的優(yōu)勢

在課改背景下，Python程序語言進入高中信息技術(shù)課程，可見其優(yōu)越性。Python是一種簡單的程序設(shè)計語言，它不僅具有簡潔性、易讀性以及可擴展性的特點，而且它上手快、學(xué)習(xí)難度低，對初學(xué)者進行計算機語言學(xué)習(xí)很有幫助。高中生在學(xué)習(xí)Python的相關(guān)課程中可以不用花太多的精力在處理這些代碼的格式錯誤上，另外也不用糾結(jié)一些語法細(xì)節(jié)，他們的注意力應(yīng)該在尋求不同情境解決問題的辦法、探究程序自身的算法以及其各個領(lǐng)域的應(yīng)用上。這無形當(dāng)中訓(xùn)練了學(xué)生的計算思維。因為計算思維的核心內(nèi)容就是將復(fù)雜的問題進行分解，使其變?yōu)橐粋€個簡單模塊，然后對這些模塊進行分析研究，最終解決所有的問題。簡單說，就是化繁為簡。因此在Python課程中進行計算思維的培養(yǎng)，會讓抽象復(fù)雜的問題更加具體化、簡單化，學(xué)生通過問題的轉(zhuǎn)化，建立起模型，進而通過Python程序有效實現(xiàn)解決問題。由此可見，Python課程在對學(xué)生進行計算思維的培養(yǎng)中有著得天獨厚的優(yōu)勢。通過Python程序有效解決問題，學(xué)生的注意力主要會集中在分析問題和解決問題的過程中，不再只是面對抽象的程序設(shè)計的理論與算法，同時還可以將各自專業(yè)和學(xué)科知識融入其中?？傊?，在高中信息技術(shù)教學(xué)活動中應(yīng)用Python分析和解決問題，讓學(xué)生不斷深入思考、自主合作探究，對于學(xué)生計算思維構(gòu)建有著極大的意義[5]。

四、基于計算思維培養(yǎng)的高中Python課程教學(xué)模式思考

在課標(biāo)背景下，教師應(yīng)當(dāng)圍繞對學(xué)生進行計算思維培養(yǎng)的思路對Python課程進行教學(xué)設(shè)計進行，充分發(fā)揮Python的特點。在教學(xué)活動設(shè)計中，首先制訂一個項目任務(wù)，然后根據(jù)項目任務(wù)需求構(gòu)建若干個問題模型，教師在設(shè)置問題時，需要把握問題的層次性、導(dǎo)向性、多樣化等特點，充分發(fā)揮問題驅(qū)動教學(xué)模式的優(yōu)勢，刺激學(xué)生思考探究。因此在課前階段開展自主探究環(huán)節(jié)，通過創(chuàng)設(shè)問題情境引導(dǎo)分析問題，在課中階段開展合作探究、解決問題環(huán)節(jié)，在課后階段開展評價、改進、總結(jié)環(huán)節(jié)等多種教學(xué)模式，重視學(xué)生在課堂中的主體地位，構(gòu)建一個完善的問題驅(qū)動課堂，引導(dǎo)學(xué)生擺脫對教師的依賴，形成養(yǎng)成獨立深入思考的習(xí)慣和自主解決問題的能力，實現(xiàn)計算思維的培養(yǎng)。

五、基于計算思維培養(yǎng)的高中Python課程教學(xué)策略

（一）課前階段

教師可以借助微課視頻引導(dǎo)學(xué)生開展自主探究項目學(xué)習(xí)。選擇恰當(dāng)?shù)囊曨l內(nèi)容，并在視頻里設(shè)置相關(guān)課程問題以新穎的形式呈現(xiàn)出來，不僅吸引了學(xué)生的注意力，還能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，使得他們對本節(jié)課所學(xué)的內(nèi)容進行自主探究學(xué)習(xí)，內(nèi)化相關(guān)的知識。例如：在學(xué)習(xí)《認(rèn)識“人工智能”》這一章節(jié)內(nèi)容時，教師可以在上課前，讓學(xué)生自主復(fù)習(xí)Python程序語言的基本語法、數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)及函數(shù)內(nèi)容等基礎(chǔ)知識。那么在這節(jié)課微課視頻導(dǎo)入末尾處，就可以提出相關(guān)問題讓學(xué)生進行自主探究項目：如何將家里電燈改造讓其也有語音控制功能。學(xué)生會根據(jù)這個情境進行思考分析，接著觀看視頻資源再次思考什么是人工智能。隨后設(shè)置問題：1.人工智能應(yīng)用有哪些？（提供《漫談人工智能》視頻）2.LD3322智能語音控制模塊功能了解（教師提供LD3322控制繼電器及串口使用視頻及智能公元平臺IO口配置說明），這部分讓學(xué)生了解改造語音控制電燈原理資源及相應(yīng)算法邏輯結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生明白現(xiàn)實世界和計算機世界邏輯關(guān)系，讓學(xué)生明白電路開關(guān)在程序中就是一個選擇結(jié)構(gòu)模型。3.領(lǐng)悟問答機器人原理。人機是如何進行對話的？對這些不同情境問題的思考都在不斷刺激著學(xué)生的探索求知欲，一定程度上促進著他們個性思維的形成，從而實現(xiàn)對學(xué)生抽象、算法、歸納等計算思維能力的培養(yǎng)。

（二）課中階段

對課堂問題進行答疑解惑并且小組合作探究思考分析解決問題，是課中階段要進行的主要任務(wù)。也是對學(xué)生進行計算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵所在。在課堂答疑解惑環(huán)節(jié)中，教師通過問題驅(qū)動開展課程，在學(xué)生明確問題后，教師通過任務(wù)驅(qū)動讓學(xué)生了解本節(jié)課中的各類針對點，以此逐步促進學(xué)生學(xué)習(xí)知識點。例如：可以為學(xué)生設(shè)置體驗任務(wù)：體驗計算機視覺（手勢識別），讓學(xué)生體驗在攝像頭前面比畫手指數(shù)量，計算機能識別數(shù)字。組織學(xué)生小組合作探究環(huán)節(jié)（語音識別）：利用LD3322智能語音控制模塊對電燈語音控制小組探究實踐等。此過程需要教師把握情境設(shè)置，情境設(shè)置能夠促進學(xué)生對問題的理解程度以及學(xué)生有對相應(yīng)硬件及控制邏輯關(guān)系理解程度。無論是情境還是問題的提出都應(yīng)該在學(xué)生自身知識結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，并且還應(yīng)該重視引導(dǎo)方式，讓學(xué)生能夠在問題分析時，形成自我判斷和認(rèn)知的過程。通過語音控制電燈（用12v電燈，電源，線路模擬電燈環(huán)境）讓學(xué)生了解了控制過程邏輯關(guān)系。學(xué)生在分組合作情況下完成任務(wù)，并體驗語音控制電燈開關(guān)樂趣，這個過程是對課前階段認(rèn)知進一步驗證，此過程也是建設(shè)計算思維的關(guān)鍵所在。

例如：在分析問題時，教師可以采取兩種方式讓學(xué)生對問題進行分析。首先是自主分析，在自主分析結(jié)束后選擇合作分析，開發(fā)每一個人的思維，并且綜合每一個學(xué)生的結(jié)論，教師對其進行整合。在分析問題時，教師還應(yīng)該循序漸進由簡到難，按照這樣的過程進行問題分析。在智能問答系統(tǒng)中，用戶向智能機器人提問后，智能問答系統(tǒng)首先從FAQ庫中尋找是否包括用戶的問題（問句），如果包含問句，則直接返回問句對應(yīng)的答案給用戶，從而省去后面一系列步驟；否則，進入問題理解模塊。FAQ庫主要用于提高智能問答系統(tǒng)的效率，其主要技術(shù)就是問句相似度計算和候選問句的選擇。再把排序后相似度最高的結(jié)果作為答案反饋給用戶。這個過程中計算機是如何把系統(tǒng)中已有的相似問題的正確答案按問句相似度進行排序的？計算機是按“if.then.”的形式給出判斷，判斷分析過程中是按Jaccard（杰卡德）相似度算法（兩個數(shù)據(jù)集合交集個數(shù)除以兩個數(shù)據(jù)集合并集個數(shù)），在討論過程中實現(xiàn)組內(nèi)修正并形成最終方案，隨后根據(jù)方案通過Python程序軟件進行代碼實現(xiàn)，進行調(diào)試產(chǎn)生結(jié)果（jaccard算法如下所示）。教師在合作探究過程中針對各組情況進行個別輔導(dǎo)，并對問題進行點評，給予肯定及修改意見。

#計算jaccard系數(shù)

def jaccard（p，q）：

common=0

for item in p：

if item in q：

common += 1

if common==0：

return 0

print（common）

return float（common/len（p） + len（q） -common）

#注意：在使用之前必須對兩個數(shù)據(jù)集去重

a=[“空調(diào)機”“有”“什么”“功能”“？”]

b=[“空調(diào)機”“的”“功能”“有”“哪些”“？”]

res=jaccard（a，b）

print（res）

（三）課后階段

課后階段同樣需要教師起到一定的引導(dǎo)作用，適當(dāng)?shù)卮偈箤W(xué)生可以將學(xué)習(xí)中所遇到的各類問題制作成相應(yīng)的報告內(nèi)容，讓學(xué)生結(jié)合報告內(nèi)容總結(jié)實際學(xué)習(xí)問題，為后續(xù)提高教學(xué)效率和質(zhì)量做出鋪墊。教師應(yīng)該結(jié)合各組評價進行反思總結(jié)，其中包含了自評、他評、教師評價，以此促進學(xué)生改進，不斷總結(jié)經(jīng)驗，從而提高自身學(xué)習(xí)能力。同時教師可以根據(jù)Python對Jaccard相似度算法的教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供具有針對性的練習(xí)內(nèi)容，促使其能夠結(jié)合實際教學(xué)課程和網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容對習(xí)題進行完善，再次鍛煉學(xué)生的計算思維。因此這節(jié)課后作業(yè)：教師讓學(xué)生計算下列兩個語句的Jaccard相似度系數(shù)，并利用Python語言編程求出Jaccard相似度系數(shù)。A：小鳥最初的振翅試飛不就是為了將來能夠搏擊長空、履行反哺之義嗎？B：小鳥最初的振翅試飛就是為了將來能夠搏擊長空、履行反哺之義。思考如何提煉這關(guān)鍵字？用第三方庫jieba中文分詞組件實現(xiàn)，實現(xiàn)問題驅(qū)動模式的遞進，從而對Jaccard工作原理更深入地理解，再次鍛煉了學(xué)生的計算思維。這些課后任務(wù)完成情況就必須依靠網(wǎng)絡(luò)課程平臺來幫助教師查看學(xué)生掌握本節(jié)內(nèi)容情況，學(xué)生也可以通過平臺帶動學(xué)生回憶課程教學(xué)內(nèi)容，以此完成課后練習(xí)題，并且進行查缺補漏，針對自身不理解內(nèi)容，通過網(wǎng)絡(luò)平臺可以對其深化，以便于學(xué)生自己找出自身缺陷。此過程為此項課程提供良好的后期授課條件，同時也促成了計算思維的再次鞏固，為下節(jié)課的教學(xué)提供資料支持，便于Python課程的高效開展。

結(jié)束語

綜上所述，首先在課前準(zhǔn)備中教師利用問題的提出，讓學(xué)生對問題進行解決，促使思維運轉(zhuǎn)；其次教師引導(dǎo)學(xué)生在項目解決過程中將問題中的難點提煉出來，讓其開始討論分析問題，此時學(xué)生的思維在不斷運轉(zhuǎn)之中；最后在分析出結(jié)論之后，教師結(jié)合學(xué)生自身實際情況，合理設(shè)定擴展內(nèi)容，逐步讓思維循環(huán)運作，以此在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力。

參考文獻

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