談計算思維在高中信息技術課的培養(yǎng)

劉海平

徐州市第三中學 江蘇徐州 221000

任何學科的教學開展都要注重對學生核心素養(yǎng)的提升。對于信息學科，核心素養(yǎng)的培養(yǎng)一定要強調(diào)學生的計算思維能力方面的培養(yǎng)。它是學生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，對計算思維能力培養(yǎng)的重視程度也關乎我國未來的創(chuàng)新競爭力。而創(chuàng)新競爭力恰恰是世界各國在新一輪競爭中要角逐的重點。國際社會的人才流動其實也是創(chuàng)新人才的流動。鑒于此，在新一輪普通高中信息技術課程標準中，計算思維能力被列入信息技術課程的核心素養(yǎng)。

下面，將結(jié)合自身的教學實踐，對如何在高中信息技術課堂中有效培養(yǎng)學生的計算思維進行探討。

一、計算思維培養(yǎng)的必要性

卡內(nèi)基-梅隆大學的周以真教授于2006年提出了計算思維(Computational Thinking)的概念。其實計算思維概念并非專指計算機學科，而是一種通用的思維方式。但相對于計算機學科，計算思維的概念特別定義為運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計、人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。其本質(zhì)是對問題模型的抽象和自動化。它類似于數(shù)學解題的“已知→求解”的過程，也就是通過將一個個具體問題及其解決方案表達成計算機可以處理的形式，并通過設計計算的方式，將我們感知的客觀世界解釋為一個復雜的信息處理過程。用更容易理解的方式，計算思維其實就是：把一個大問題分解為一個個子問題，再將子問題進一步分解成子子問題……直至無須分解為止。而問題解決方式是從底層開始，首先，分別執(zhí)行一個個最小規(guī)模的子問題；按照問題劃分的結(jié)構(gòu)將各個小問題的結(jié)果組合成整個問題的結(jié)果。也就是自上向下進行結(jié)構(gòu)化設計，然后將其“分而治之，各個擊破”。

當今社會已經(jīng)進入大數(shù)據(jù)時代，而這背后無不是信息技術在提供強力支撐，可以說信息技術工具的使用已經(jīng)滲透到人類生活的諸多方面，比如，人臉識別技術的使用，比如數(shù)據(jù)可視化的應用等。從小的方面講，每個個體都在感受著信息技術帶來的生活上的轉(zhuǎn)變，信息技術讓人們的生活更加方便、快捷且高效。從大的方面講，信息技術對國家的政策制定、經(jīng)濟走勢的判斷、就業(yè)形勢的分析等也起到了至關重要的作用，所以培養(yǎng)學生信息技術的技術思維能力變得比以往任何時候都重要。作為信息技術的教育工作者，我們應該明確培養(yǎng)學生的計算思維并不是要把每個學生培養(yǎng)成為計算科學家，而是要培養(yǎng)他們的思維能力，學會使用信息技術工具解決具體的問題，從而讓其更好地適應飛速發(fā)展的信息技術社會。而訓練計算思維的有效工具就是程序設計，有人曾經(jīng)做過調(diào)查，熱愛寫程序的學生，特別是掌握了方法，能夠熟練寫出較多程序的學生，在進入大學接受信息類專業(yè)學習，當他們接觸新的概念和抽象的理論，用所學知識靈活使用時，要比沒有接受編程訓練的同學有著明顯的優(yōu)勢，即使是非信息類課程的學習，他們也同樣表現(xiàn)優(yōu)秀。這充分體現(xiàn)出編程實踐對思想方法和思維定式的培養(yǎng)作用。因此，編程學習，不僅僅是一種技能的掌握，更是一種可以高效訓練計算思維的方式。

二、計算思維培養(yǎng)的方法、策略

(一)轉(zhuǎn)變教學理念，科學設計，滲透計算思維

隨著新一輪課堂改革的深入，以開放性、問題性、實踐性等功能見長的項目式學習逐漸備受關注。這種學習方式以其在信息時代培養(yǎng)學生信息意識、計算思維和數(shù)字化學習與創(chuàng)新等方面的明顯優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)講解式教學的不足。

教師應積極轉(zhuǎn)變教學理念，將課堂的工作重點聚焦到對新課標、新教材、新教法的研究上，深入了解新課程的理念，明晰新課標的要求，將先進的教學理念應用于程序設計的課堂，通過設計卓有成效的項目活動將計算思維的培養(yǎng)滲透到課堂活動的各個環(huán)節(jié)，使得課程項目化、課堂活動化、學習個性化。讓計算思維真正得到全面發(fā)揮，從而使學生能夠充分認識到計算思維形成的重要性。

例如，在講授“周而復始的循環(huán)”這一節(jié)內(nèi)容時，我將課堂設計成一個圍繞游戲展開的項目活動。先通過學生熟悉的“游戲幣”導入話題：“如果你是游戲的后臺管理員，將如何統(tǒng)計游戲參與者最終的游戲幣數(shù)量？”試圖讓學生理解循環(huán)的概念并用計算思維的理念引導學生去分析問題，設計方案，進而根據(jù)教師設定的經(jīng)驗值晉級規(guī)則編程計算選手經(jīng)驗值的問題，最終實現(xiàn)讓學生掌握循環(huán)結(jié)構(gòu)。通過該項目活動，教師明顯感覺比采用傳統(tǒng)的講解法更能激發(fā)學生探究的樂趣，而且在項目活動推進的過程中，學生能體驗到學以致用的獲得感，教師也能夠把計算思維中的迭代思想貫穿到課堂教學的各個環(huán)節(jié)。

(二)以興趣為著力點，優(yōu)化課堂教學，落實計算思維

許多人聽到編程兩字會產(chǎn)生畏難等抵觸情緒，認為編程是和枯燥乏味、晦澀難懂的一行行數(shù)字、字母打交道，產(chǎn)生很大的距離感?？陀^地講，編程涉及很多數(shù)理邏輯方面的知識，導致部分參與學習的人提不起興趣，往往剛開始就敗下陣來。作為教學者，必須要知道興趣才是最好的老師，所以要仔細研讀教材，鉆研教法，根據(jù)不同的教學內(nèi)容選擇最合適的教學方法，尋找學生的興趣點，努力讓課堂的氣氛變得活躍，讓學生發(fā)現(xiàn)編程的邏輯之美，從而提高其內(nèi)驅(qū)力，愿意積極、主動參與到教學的全過程，這是很有必要的。從興趣尋找著力點，學生就能完成課堂角色的轉(zhuǎn)變，從知識的被動接受者轉(zhuǎn)化為主動自主探究者，從“要我學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W”，當學生轉(zhuǎn)變學習觀念時，計算思維的滲透也就是一件水到渠成的事情。

1.創(chuàng)設情境，激發(fā)興趣

個人認為可以從學生實際方面出發(fā)，選擇合適的、更能引起學生學習興趣的生活案例來踐行于教學中，使抽象的知識形象化。這樣就可以把真實的生活情境和抽象的算法之間建立起聯(lián)系，課程生活化，有助于學生計算思維能力的提升。

例如，程序設計中經(jīng)常會遇到一些經(jīng)典算法：二分查找、迭代、遞推和遞歸等。這些算法理解起來相對抽象，如果單純地給學生介紹算法思想，教學效果勢必會不理想。在講授這類問題時，教師可以嘗試將問題放到生活情境中，以學生熟悉的生活事實來闡述抽象枯燥的知識，讓學生學會主動分析、綜合、歸納、想象情境提供的信息以便找到解決問題的規(guī)則和方法，從而達到對算法思想的理解和領悟。同時，教師還可以根據(jù)需要借助一些形象的比喻或者輔助一些益智類的游戲，讓學生更好地體驗生活以及游戲中所蘊含的算法思想，從而強化學生抽象思維的養(yǎng)成。

2.循序漸進，由淺入深

程序設計教學個人認為要從易入手，先簡后難，循序漸進。在課堂教學中，教師可依據(jù)自頂向下的結(jié)構(gòu)化程序設計思想將大的項目分解為小項目、大的問題分解為小問題去解決，從而避免造成學生學習的障礙而失去學習的興趣。

例如，教材中“可以復用的代碼”這節(jié)課，教材中采用擺火柴棒的教學案例，將復用代碼的必要性和在生活中的應用很好地融入項目教學中，非常具有典型性。但在實際教學中，教師發(fā)現(xiàn)本案例涉及列表、常用算法、函數(shù)等多方面的知識，整個項目實現(xiàn)起來相對有難度。如果教師一開始就將復雜的問題一股腦地全部交給學生，會造成學生學習的障礙。所以，教師有必要對教材中的相關知識根據(jù)難易程度進行分類重組，在學習該項目之前，需要提前把列表和統(tǒng)計各數(shù)位之和的算法逐一抽取出來，事先做好知識鋪墊，然后由點觸面，各個擊破。這樣一來，教師在推進擺火柴棒項目時，就可以把著眼點聚焦在代碼復用的必要性和使用方法上，這樣將復雜的項目簡單化，處理起來就變得容易多了。

3.體現(xiàn)主體，大膽質(zhì)疑

新課程理念強調(diào)學生是課堂的主體，教師的責任就是幫助和引導學生在自主探究的過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、建構(gòu)知識、學會獨立思考的能力。設計算法類似于求解數(shù)學題，解決一個數(shù)學問題通常有多種途徑，算法也一樣，這就是算法的多樣性。算法的多樣性更強調(diào)和鼓勵學生獨立思考，自主探究，大膽質(zhì)疑，盡可能讓每一個學生自己找出解決問題的方法，獲得成功的體驗。

例如，教材第四章第一節(jié)中找出被污染的藥丸案例。該案例試圖培養(yǎng)學生能根據(jù)實際情況找到更合理的算法，更快捷地解決問題，從而達到算法的優(yōu)化，讓學生感受程序解決實際問題的便捷性和準確性。那么，如何突出學生主體地位，讓學生獲得更多的自主探究的空間和學習主動權(quán)，引導學生從多種解決方案中找到最優(yōu)解，需要教師充分調(diào)動學生的主動參與意識，把課堂變成學生學習的天堂，鼓勵學生獨立思考，多樣化、個性化地解決問題，計算思維能力的培養(yǎng)才能落到實處。

4.自主學習，合作探究

在高度融合的信息社會里，合作意識是現(xiàn)代人必須要具備的一種思維品質(zhì)。合作能力更是學生未來實現(xiàn)自我價值的必備能力。教師要有意識地在課堂教學中貫穿合作理念，通過促進學生群體間的交流、學生個體間的交流，讓每個學生都能通過合作互相學習，產(chǎn)生思維的碰撞，體驗合作的成功，并能有機會展示自我、享受成功。學生能夠在合作與交流中對問題進行多角度、多維度的思考，增進對問題的認識，從而自覺、自愿對目標問題進行整理、修正與補充，達到思維深入與發(fā)展。教師在預設分組活動時，要從任務設置、成員分工、成果匯報、小組評價等多方面落實小組探究，充分發(fā)揮每個組員在探究活動中的作用；同時加強小組間的交流與合作，分享交流成果，相互取長補短。

例如，“尋找丟失的ID”教學案例，該案例試圖在學生初步了解算法優(yōu)化思想的基礎上，讓學生明確還可以利用數(shù)值及計算的特點將復雜的查找過程換成簡單的計算，體會到編程的重要性和便捷性。在該案例的處理上，教師可以嘗試分組探究，引導學生分別從常規(guī)查找和數(shù)值及計算的特點兩個方面設計問題解決的方案，進而在小組匯報環(huán)節(jié)通過比較兩者的時間效率，加深學生對編程時間和空間復雜度的理解。

(三)借助算法和流程圖，強化計算思維

算法是程序設計的靈魂，借助流程圖能加深學生對算法的理解，增強學生邏輯思維能力的鍛煉，增加學生對問題解決的嚴謹性，更好地培養(yǎng)學生的計算思維。因此，信息技術教師要善于利用畫程等工具軟件教給學生制作流程圖的方法，并在實踐中借助流程圖更好地指導課堂教學。一方面，借助流程圖教師可實現(xiàn)與學生之間的良好溝通，使學生更清楚問題解決的思路，對于入手寫代碼的思路更加清晰；另一方面，借助流程圖，可幫助學生更容易地發(fā)現(xiàn)程序邏輯上的漏洞，以便盡早補充完善。這樣，在寫代碼之前，就把流程圖梳理好，對于代碼的設計和優(yōu)化實在大有益處，特別是邏輯較為復雜的時候。

三、關于計算思維培養(yǎng)的思考

教學計劃的設計合理與否，對于學生信息技術知識體系的構(gòu)建和計算思維能力的培養(yǎng)有著舉足輕重的作用。教師在研究課程體系，并據(jù)此制訂教學計劃的過程中，要力求科學、合理，符合學生的年齡階段、心理特點和認知能力。根據(jù)認知規(guī)律，教師首先應該讓學生對學習“數(shù)據(jù)與計算”有一個初步的了解，切入點要小。在起步階段，教師可以安排一些寓教于樂，容易為學生接受并掌握的算法小游戲，讓學生在好奇中得到愉悅的體驗，從而激發(fā)其學習編程的樂趣。接著可以通過完成一個個經(jīng)過科學設計的具體的項目活動，在項目式學習中逐步滲透、分析、歸納、總結(jié)編程的基礎知識和基本原理，讓學生在問題解決中體驗到編程的神奇之處，從而產(chǎn)生獲得感，得到成功的體驗。最后通過參考、比對、分析、模仿他人的程序設計作品，從成功的范例中借鑒程序設計的思想和方法，讓自己的編程水平逐步提高。這樣，學生不僅能夠更加系統(tǒng)地學習到有關編程方面的知識，他們還能夠真正認識到計算思維在實踐過程中的有效性，從而使其計算思維的能力和意識得到培養(yǎng)和提高。

在教學實踐中，特別是在課程初始階段，好多學生會遇到各種語法和語義方面的困擾，從而降低了對編程學習的熱情。遇到這種情況，教師不要急于幫助學生指明錯誤原因，而應引導學生嘗試分析程序設計思路，通過逐行閱讀程序代碼追蹤變量的方式，自主發(fā)現(xiàn)錯誤原因。另外，在教學中教師還要有意識地培養(yǎng)學生為比較長的代碼寫注釋的習慣，有效避免因時間間隔較長導致閱讀代碼效率的降低，從而快速地幫助學生計算思維的養(yǎng)成。

還要補充的是，符合計算思維的解題步驟與已經(jīng)習慣的人類解題思維有著非常大的差別。在設計算法、編寫程序的過程中，學生要將自己已經(jīng)習慣了多年的思考、解決問題的方式拋開，學會按照描述一個具體解題步驟的方法來考慮問題。不僅如此，學生還需要思考這個問題應該怎么使用程序設計語言來實現(xiàn)，使用哪一個語句會更有效，采用哪一種結(jié)構(gòu)更合理。綜合以上兩方面的原因，信息技術教師要對計算思維有一個全面透徹的了解，在教學中注意規(guī)避和弱化常規(guī)思維的干擾作用，將計算思維的培養(yǎng)滲透到課堂教學的活動中去，引導學生用計算思維的理念尋求問題解決的方法和途徑，進而運用抽象思維將其描述成一系列可操作、可實施的方法和步驟。

總之，在編程教學中進行計算思維培養(yǎng)正在成為信息技術教育的關注重點。信息技術教師要將課堂的工作重點聚焦到對新課標、新教材、新教法的研究上，將程序設計知識以一種新的方式教授給學生。在教學實踐中，要善于通過設置卓有成效的項目活動將計算思維的培養(yǎng)滲透到課堂活動的各個環(huán)節(jié)，使得計算思維真正得到全面發(fā)揮，從而使學生能夠充分認識到計算思維形成的重要性。