基于計(jì)算思維的初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

黃小敏

［摘 要］計(jì)算思維是信息科技課程所要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一，也是高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，同時(shí)也是中學(xué)信息技術(shù)教育教學(xué)研究的熱點(diǎn)課題之一。Python程序設(shè)計(jì)是廣州市初中信息技術(shù)必修課，在計(jì)算思維引領(lǐng)下的Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，訓(xùn)練學(xué)生分解、抽象、算法設(shè)計(jì)、建模等多方面的思維能力。文章結(jié)合初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)的現(xiàn)狀，探索基于計(jì)算思維的初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)的一般流程與方法，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維與提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

［關(guān)鍵詞］計(jì)算思維；初中；Python程序設(shè)計(jì)

［中圖分類號(hào)］ ? ?G633.67 ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ ? ?A ? ? ? ?［文章編號(hào)］ ? ?1674-6058（2023）02-0095-04

2018年初，教育部發(fā)布《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》，將計(jì)算思維定為高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，要求高中信息技術(shù)課程教學(xué)著重培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維?！读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》也指出，計(jì)算思維是信息科技課程所要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)之一。對(duì)此，初中信息技術(shù)教學(xué)也應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。初中階段是學(xué)生抽象邏輯思維快速發(fā)展的重要階段，而計(jì)算思維是一種集合多種思維的綜合性思維，它可以促進(jìn)學(xué)生抽象邏輯思維、辯證思維的發(fā)展。因此，培養(yǎng)初中生的計(jì)算思維非常重要且必要。

一、初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)的現(xiàn)狀

程序設(shè)計(jì)不僅是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的理想平臺(tái)，而且是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的最佳切入點(diǎn)與途徑。近年來(lái)，Python教學(xué)迅速興起，山東、四川、浙江等地早已把Python納入初中信息技術(shù)課程體系。2021年，廣州市也將Python納入初中信息技術(shù)教材。面對(duì)新教材，教師在教學(xué)過(guò)程中總會(huì)有一些困惑與疑問(wèn)。下面筆者結(jié)合教材內(nèi)容和自身的教學(xué)實(shí)踐，分析本校學(xué)生學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計(jì)和教師教學(xué)Python程序設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀。

學(xué)生層面：我校位于城鄉(xiāng)接合部，大部分學(xué)生來(lái)自農(nóng)村以及來(lái)穗務(wù)工家庭，他們沒(méi)有Python程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，信息技術(shù)知識(shí)與技能基礎(chǔ)薄弱。一方面，學(xué)生普遍認(rèn)為Python 程序設(shè)計(jì)內(nèi)容深?yuàn)W，難以理解與掌握，只是機(jī)械地模仿教師的程序代碼，未能深刻理解程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，出現(xiàn)畏難心理。另一方面，由于信息技術(shù)并不是中考科目，一些學(xué)生不重視信息技術(shù)的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)態(tài)度也不夠端正，因而學(xué)習(xí)效果并不理想。

教師層面：Python剛進(jìn)入初中信息技術(shù)教材，相關(guān)教學(xué)參考資料不夠豐富，課堂同步教學(xué)資源較少，這就需要教師花大量的時(shí)間和精力來(lái)收集教學(xué)素材與教學(xué)資源。信息技術(shù)教材將VB語(yǔ)言改為Python語(yǔ)言，但教師還是沿用VB語(yǔ)言的思維習(xí)慣來(lái)組織教學(xué)，這不利于體現(xiàn) Python 語(yǔ)言的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)教學(xué)以講練結(jié)合為主，即教師把知識(shí)點(diǎn)講清楚，然后讓學(xué)生進(jìn)行相關(guān)練習(xí)。這種教學(xué)方法忽視了對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，使得學(xué)生對(duì)Python程序設(shè)計(jì)理解不深刻，導(dǎo)致有的學(xué)生只是簡(jiǎn)單地模仿，未能達(dá)到運(yùn)用程序去解決問(wèn)題的要求。

根據(jù)本校學(xué)生Python程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)以及教師Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)的現(xiàn)狀，筆者積極研究與探索基于計(jì)算思維的Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)方法，旨在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)學(xué)生信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)不斷發(fā)展。

二、基于計(jì)算思維的初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

在初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，教師不能枯燥地講解算法、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言格式以及其他知識(shí)點(diǎn)，更不能讓學(xué)生只停留在模仿教師的操作上，應(yīng)當(dāng)把各個(gè)知識(shí)點(diǎn)融入具體的生活案例當(dāng)中，讓學(xué)生通過(guò)分析實(shí)例、抽象模型、編寫代碼、調(diào)試與解決問(wèn)題等一系列活動(dòng)，體驗(yàn)一個(gè)完整的程序的設(shè)計(jì)過(guò)程，掌握運(yùn)用程序解決問(wèn)題的方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。下面筆者立足于自身的教學(xué)實(shí)踐，談?wù)勅绾位谟?jì)算思維有效開展初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)。

（一）展示生活案例，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的分解思維能力

廣州初中信息技術(shù)新教材中有許多生活案例，比如“分支結(jié)構(gòu)”中的蘋果打折、階梯電價(jià)、平年閏年、停車場(chǎng)收費(fèi)等案例。這類生活案例能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)讓學(xué)生明白程序設(shè)計(jì)與生活密切相關(guān)，且能夠解決生活中各種各樣的問(wèn)題。當(dāng)然，信息技術(shù)教材中也并非所有內(nèi)容都是與生活相關(guān)的，如《Python編程基礎(chǔ)》教材就注重知識(shí)點(diǎn)講解，內(nèi)容較為枯燥，對(duì)此筆者利用學(xué)生熟悉的主題內(nèi)容“我的校園”去貫穿課堂教學(xué)。如筆者通過(guò)“我的校園”來(lái)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)賦值語(yǔ)句，再通過(guò) “介紹我們班”“統(tǒng)計(jì)班級(jí)人數(shù)變化”等任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生理解和應(yīng)用賦值語(yǔ)句。而對(duì)于輸入語(yǔ)句input（ ），筆者則通過(guò) “班級(jí)表彰”的活動(dòng)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。最后是賦值語(yǔ)句與輸入語(yǔ)句的綜合應(yīng)用，把課本練習(xí)“求長(zhǎng)方形的面積”改為“求學(xué)校教室的面積”“求學(xué)校圓形花壇的面積”，讓學(xué)生去分析、去探索、去學(xué)習(xí)。這樣，利用生活案例，讓原來(lái)枯燥的教學(xué)內(nèi)容變得富有趣味，且讓學(xué)生了解到程序設(shè)計(jì)既來(lái)源于生活，又為生活服務(wù)，從而大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

生活案例能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情，可生活案例中的情景卻是較為煩瑣、復(fù)雜的，因此需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)生活案例進(jìn)行分析與分解。分解是計(jì)算思維的組成部分之一，一般是指將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解為更小、更簡(jiǎn)單的幾個(gè)問(wèn)題。面對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題，學(xué)生要對(duì)它進(jìn)行分析，將它化繁為簡(jiǎn)。學(xué)生在分析與分解問(wèn)題的過(guò)程中初步形成了分解思維。

首先針對(duì)我校學(xué)生信息技術(shù)知識(shí)與技能基礎(chǔ)薄弱的情況，筆者設(shè)計(jì)了相關(guān)習(xí)題，引導(dǎo)學(xué)生分析與分解問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的分解思維。比如學(xué)生做有關(guān)階梯電價(jià)的課后習(xí)題時(shí)無(wú)從下手，對(duì)此筆者引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)學(xué)的分段函數(shù)來(lái)分解問(wèn)題：（1）計(jì)算用電200度以內(nèi)的電費(fèi)；（2）計(jì)算用電200～500度的電費(fèi)；（3）計(jì)算用電500度以上的電費(fèi)。學(xué)生能較好地理解用電200度以內(nèi)的電費(fèi)，可是求解用電200～500度以及用電500度以上的電費(fèi)時(shí)卻無(wú)從下手了。對(duì)此，筆者引導(dǎo)學(xué)生再次分解，用電200～500度的電費(fèi)分解為用電200度的電費(fèi)和用電超過(guò)200度的電費(fèi)。同理，用電500度以上的電費(fèi)則可分解為用電200度的電費(fèi)、用電200～500度的電費(fèi)和用電超過(guò)500度的電費(fèi)。學(xué)生用自然語(yǔ)言分析與分解完題目后，便很容易得出表達(dá)式，再通過(guò)教師引導(dǎo)，學(xué)生基本能理解階梯電價(jià)的求解過(guò)程。學(xué)生把實(shí)際問(wèn)題分解成幾個(gè)可操作的步驟，初步算式已經(jīng)在腦海中形成，提高了分解思維能力。

（二）利用流程圖，厘清學(xué)生的抽象思維

抽象與建模思維是計(jì)算思維的重要組成部分。抽象是指從眾多的事物中提取出共同的、本質(zhì)的特征。在廣州初中信息技術(shù)新教材中程序設(shè)計(jì)的開篇第一課便講到了流程圖以及fChart流程圖直譯器，目的在于輔助學(xué)生理解算法，體驗(yàn)程序執(zhí)行過(guò)程。在學(xué)生分解探討上述的階梯電價(jià)問(wèn)題后，教師可引導(dǎo)學(xué)生使用fChart流程圖直譯器完善“階梯電價(jià)”流程圖（如圖1）。學(xué)生完善流程圖的過(guò)程，是學(xué)生用科學(xué)的概括性的符號(hào)來(lái)表示現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的求解步驟的過(guò)程，也是建立抽象思維的過(guò)程。通過(guò)利用流程圖，學(xué)生厘清了算法，提升了抽象思維能力。學(xué)生完善流程圖后，還可以用fChart流程圖直譯器來(lái)執(zhí)行流程圖，觀察其執(zhí)行過(guò)程與結(jié)果，厘清抽象思維。

（三）突出核心算法，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)方法，訓(xùn)練算法設(shè)計(jì)思維

算法是指解決問(wèn)題的步驟和方法。算法設(shè)計(jì)是計(jì)算思維的核心部分之一，也是初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)中最為關(guān)鍵與重要的環(huán)節(jié)，初中階段的Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)應(yīng)以算法為核心。在上一步驟中，學(xué)生已經(jīng)通過(guò)流程圖厘清了算法?？墒?，對(duì)我校學(xué)生而言，提煉算法形成程序代碼難度依然很大，有的學(xué)生會(huì)在程序語(yǔ)句表達(dá)中出錯(cuò)，有的學(xué)生未能完全理解算法。因此，在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，教師需要提供程序設(shè)計(jì)半成品，只讓學(xué)生對(duì)程序的核心部分進(jìn)行加工，同時(shí)結(jié)合流程圖進(jìn)行思考。大部分學(xué)生都能學(xué)會(huì)程序設(shè)計(jì)的方法，體驗(yàn)算法思想。在“階梯電價(jià)”案例中，教師給出了程序設(shè)計(jì)半成品（如圖2），學(xué)生只需要集中精力完成if...elif...else條件句結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)即可。這樣，既能突出重點(diǎn)條件句程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，降低程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)難度，又能達(dá)到訓(xùn)練算法設(shè)計(jì)思維的目的。

（四）自主調(diào)試與小組糾錯(cuò)相結(jié)合，鞏固計(jì)算思維

調(diào)試是程序設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，貫穿于程序設(shè)計(jì)的各個(gè)過(guò)程。學(xué)生從設(shè)計(jì)程序開始，就需要不斷地進(jìn)行調(diào)試。學(xué)生在調(diào)試程序的過(guò)程中進(jìn)行分析與分解、抽象與建模，然而并不是每名學(xué)生都能如愿調(diào)試出正確的程序結(jié)果。對(duì)部分計(jì)算思維能力較弱的學(xué)生而言，他們的程序設(shè)計(jì)可能錯(cuò)漏百出，有的學(xué)生中英文標(biāo)點(diǎn)符號(hào)出錯(cuò)，有的學(xué)生忘記縮進(jìn)，有的學(xué)生不能理解程序代碼，而當(dāng)這部分學(xué)生不能獨(dú)立調(diào)試出程序時(shí)，他們的學(xué)習(xí)積極性就會(huì)下降。因此，在學(xué)生獨(dú)立調(diào)試后，教師可采用小組糾錯(cuò)的方式，給計(jì)算思維能力較弱的學(xué)生提供支持與幫助，提高他們的課堂練習(xí)參與度，增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的自信心，而計(jì)算思維能力強(qiáng)的學(xué)生則可通過(guò)教授與幫助他人，再次鞏固自己的計(jì)算思維。

（五）歸納拓展，遷移思維

在初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，教師除了要讓學(xué)生梳理與回顧所學(xué)的知識(shí)，還要讓學(xué)生通過(guò)類比等方式將一個(gè)問(wèn)題的解決方法拓展、遷移應(yīng)用到同類型的問(wèn)題中。學(xué)生在歸納知識(shí)與完成拓展任務(wù)的過(guò)程中，需再次經(jīng)歷分解、抽象、算法設(shè)計(jì)等思維訓(xùn)練，從而提升了計(jì)算思維能力。在“分支結(jié)構(gòu)”的學(xué)習(xí)中，學(xué)生完成階梯電價(jià)的求解后，教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)按照上述流程與方法，自主探究與小組合作設(shè)計(jì)“平年閏年”程序、停車場(chǎng)收費(fèi)程序等，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)綜合應(yīng)用與思維遷移。由淺入深、螺旋式上升的學(xué)習(xí)拓展活動(dòng)，能讓學(xué)生逐步遷移思維。

三、基于計(jì)算思維的初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐效果

為了驗(yàn)證基于計(jì)算思維的初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)的有效性，筆者通過(guò)易學(xué)系統(tǒng)對(duì)教學(xué)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行了分析。其中3班、4班為實(shí)驗(yàn)組，采用的是基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)教學(xué)方法；1班、2班為對(duì)照組，采用的是“講練結(jié)合”教學(xué)方法。筆者一共做了兩次分析，第一次分析是在“二選一、多選一結(jié)構(gòu)”教學(xué)中的即時(shí)反饋，本次檢測(cè)內(nèi)容以課本例題以及課后習(xí)題為主。第二次分析是在完成了“分支結(jié)構(gòu)”教學(xué)后的一個(gè)星期，再次對(duì)學(xué)生分支結(jié)構(gòu)知識(shí)的掌握情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，本次檢測(cè)內(nèi)容與第一次大致相同，只做了簡(jiǎn)單的變式。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示第一次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組差異不大（如圖3），學(xué)習(xí)效果也相當(dāng)，正確率高達(dá)90%。使用同類型題目進(jìn)行第二次檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯差異（如圖4），實(shí)驗(yàn)組正確率在80%以上，而對(duì)照組正確率卻低于70%。

通過(guò)兩次檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，傳統(tǒng)的“講練結(jié)合”教學(xué)方法與基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)教學(xué)方法在課堂即時(shí)反饋中都取得較好的效果，原因是在當(dāng)堂的教學(xué)過(guò)程中學(xué)生能通過(guò)模仿教師的程序范例，較好地完成練習(xí)（這其中包括完全能理解與應(yīng)用該知識(shí)的學(xué)生，也包括只會(huì)簡(jiǎn)單模仿教師的程序范例的學(xué)生）。而在第二次檢測(cè)中，我們發(fā)現(xiàn)兩組學(xué)生的答題正確率都有所下降，但對(duì)照組學(xué)生的答題正確率出現(xiàn)較大幅度的下降，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的答題正確率下降的幅度較小。分析其原因有兩個(gè)：第一，學(xué)生對(duì)知識(shí)存在遺忘；第二，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握不夠扎實(shí)。實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握得較好，大多能理解并運(yùn)用程序去解決問(wèn)題，知識(shí)遺忘率也較低。于是，在脫離課堂范例的情況下，依然能應(yīng)用知識(shí)去解決同類問(wèn)題。而采用傳統(tǒng)的“講練結(jié)合”教學(xué)方法，學(xué)生的知識(shí)掌握不夠扎實(shí)，有部分學(xué)生只會(huì)模仿程序，不理解程序，更不會(huì)運(yùn)用程序去解決問(wèn)題，知識(shí)遺忘率較高。綜合兩次檢測(cè)的數(shù)據(jù)，筆者發(fā)現(xiàn)基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)教學(xué)方法比“講練結(jié)合”教學(xué)方法更好。

四、小結(jié)與展望

對(duì)初中生來(lái)說(shuō)，程序設(shè)計(jì)是相對(duì)較為復(fù)雜且枯燥的內(nèi)容，計(jì)算思維的引領(lǐng)能讓學(xué)生的程序設(shè)計(jì)思路清晰，并透徹理解知識(shí)。因此，筆者在探索課程標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算思維理論的基礎(chǔ)上提出了初中Python程序設(shè)計(jì)教學(xué)的一般流程與方法，該流程與方法的應(yīng)用對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)起著積極的促進(jìn)作用。首先，學(xué)生分析與分解問(wèn)題的思維能力得到了提升。通過(guò)對(duì)生活案例的分析，學(xué)生了解到程序設(shè)計(jì)與生活密切相關(guān)，能夠自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析分解問(wèn)題，初步形成分解思維。其次，學(xué)生抽象思維能力有一定的提高，學(xué)生學(xué)會(huì)抓住問(wèn)題核心，化繁為簡(jiǎn)并且厘清思維，提升抽象思維能力。再次，學(xué)生的算法設(shè)計(jì)思維能力得到了提升。在算法提煉與程序設(shè)計(jì)過(guò)程中訓(xùn)練了計(jì)算思維，在調(diào)試糾錯(cuò)與歸納拓展過(guò)程中鞏固了計(jì)算思維。最后，學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的態(tài)度發(fā)生了改變，過(guò)去學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)的態(tài)度是“害怕”“不理解”“機(jī)械模仿”，而在計(jì)算思維的引領(lǐng)下，學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)有了更為深刻的認(rèn)識(shí)，能夠靈活運(yùn)用程序解決生活中的問(wèn)題，對(duì)程序設(shè)計(jì)也產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，能積極參與課堂活動(dòng)，提高學(xué)習(xí)效率。然而，由于Python剛納入廣州市初中信息技術(shù)教材，關(guān)于計(jì)算思維在初中Python程序設(shè)計(jì)中的培養(yǎng)方法的研究還需要在實(shí)踐中不斷總結(jié)、不斷思考、不斷探索，只有這樣，才能形成適合本校學(xué)生并具有區(qū)域推廣意義的教學(xué)方法。

［ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ］

［1］ ?WING J M. Computational thinking［J］.Communication of the ACM，2006（3）：33-35.

［2］ ?中華人民共和國(guó)教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《普通高中課程方案和語(yǔ)文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的通知［EB/OL］.（2017-12-29）［2018-01-20］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/201801/t20180115_324647.html.

［3］ ?段青.《基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2012版）》義務(wù)教育階段基礎(chǔ)模塊內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)解讀［J］.中國(guó)電化教育， 2012（10）：28-32.

（責(zé)任編輯 黃春香）