新課標(biāo)視域下基于算法思維的初中Python教學(xué)實(shí)踐探索

趙劍曉

摘要：2022年4月《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》發(fā)布，提出將“算法”作為信息科技課程的六條邏輯主線之一。所謂算法本質(zhì)上是一種問題解決的思維模式。本文以算法思維解決問題的思維模式為基礎(chǔ)，建構(gòu)出基于算法思維的初中Python教學(xué)模式，并以“猜數(shù)游戲”為例展開具體教學(xué)實(shí)踐，得出了在初中Python教學(xué)中要關(guān)注思維過程而非知識技能，要關(guān)注問題解決方法而非結(jié)果。

關(guān)鍵詞：信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)；計(jì)算思維；算法思維；Python教學(xué)

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）11-0044-04

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）明確了義務(wù)教育階段信息科技課程的六條邏輯主線，分別是數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全以及人工智能。新課標(biāo)同時(shí)提出信息科技課程的四大核心素養(yǎng)，其中，培養(yǎng)計(jì)算思維的本質(zhì)是培養(yǎng)學(xué)生抽象、分解、建模以及算法等一系列思維活動。[1]可以說，“算法”是新版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)關(guān)鍵詞。王榮良教授認(rèn)為，算法本質(zhì)上是能將一個(gè)問題分解成小問題并簡化解決問題的一種思維方式。[2]所以，在一定程度上可以認(rèn)為算法思維是一種問題求解思維，而對序列、分解、轉(zhuǎn)換、條件、循環(huán)等計(jì)算機(jī)基本概念的學(xué)習(xí)是算法思維以及問題解決能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。[3]因此，算法思維是值得教師在教學(xué)中借鑒的一種思維模式，通過對情境的創(chuàng)建，使學(xué)生能從全局上對問題情境進(jìn)行預(yù)設(shè)，挖掘問題的本質(zhì)和邏輯，分解算法從而分步解決問題，以此來提高學(xué)生的思維能力和問題解決能力，最終促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

模式構(gòu)建

新課標(biāo)提出讓學(xué)生初步具備解決問題的能力，發(fā)展計(jì)算思維?？梢?，在目前的信息科技教學(xué)中，讓學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的主要目的是培養(yǎng)其思維。算法思維是計(jì)算思維的一個(gè)重要組成部分，其本質(zhì)上是一個(gè)分步求解問題的思維。因此，結(jié)合算法思維的思維模式，綜合本節(jié)課教學(xué)特點(diǎn)，筆者構(gòu)建了適合初中Python教學(xué)的教學(xué)模式（如下頁圖1）。此模式從教師活動、教學(xué)流程以及學(xué)生活動三個(gè)維度互相對照展示了基于算法思維的初中Python教學(xué)模式。通過“創(chuàng)設(shè)情境、提出問題；分解問題、逐一突破；可視化表征、梳理問題；自主學(xué)習(xí)、解決問題”這一系列環(huán)節(jié)，最終指向?qū)W生的思維培養(yǎng)與問題解決能力的提升。

教學(xué)實(shí)踐

本次教學(xué)實(shí)踐以“猜數(shù)游戲”為總?cè)蝿?wù)，讓學(xué)生通過編寫“猜數(shù)游戲”的程序代碼，掌握while循環(huán)的使用，同時(shí)掌握while循環(huán)嵌套選擇結(jié)構(gòu)。借助算法思維解決問題的相關(guān)思維模式，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地解決每一個(gè)小任務(wù)，最終完成達(dá)成目標(biāo)。通過這些環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的信息科技核心素養(yǎng)，讓學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，運(yùn)用合理的編程算法編寫程序，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)流程，感受算法的效率，掌握程序調(diào)試和運(yùn)行的方法，提升計(jì)算思維水平。同時(shí)，善于借助學(xué)習(xí)平臺完成探究，體驗(yàn)數(shù)字化學(xué)習(xí)過程，適應(yīng)數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，養(yǎng)成數(shù)字化學(xué)習(xí)能力。

1.創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，體驗(yàn)問題

教學(xué)中的情境往往是由教師依據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合具體的現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件設(shè)計(jì)的，具有真實(shí)性。創(chuàng)設(shè)情境往往伴隨問題，教師從具體情境出發(fā)，以教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，讓學(xué)生根據(jù)具體情境來解決某些問題。[4]

課堂伊始，筆者選擇一位學(xué)生作為游戲主持人，主持人心里想1～20之間的一個(gè)數(shù)（整數(shù)），玩家（學(xué)生）猜測主持人心里想的數(shù)字，主持人只需要回答比心里想的數(shù)大了還是小了（讓學(xué)生沉浸游戲，真實(shí)體驗(yàn)猜數(shù)游戲）。學(xué)生猜測幾輪，猜中正確答案的得到獎勵。在游戲結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試用5句話來總結(jié)猜數(shù)游戲步驟并精煉語句（如圖2），同時(shí)引出課題：用Python來玩猜數(shù)游戲。

利用真實(shí)游戲場景讓學(xué)生有興趣地進(jìn)入教學(xué)主題“猜數(shù)游戲”，并且引導(dǎo)學(xué)生分解“猜數(shù)游戲”，使學(xué)生建立分解意識與思維，讓學(xué)生在接下來的環(huán)節(jié)中可以自主自覺使用分解思維來分析問題與解決問題。

2.結(jié)構(gòu)化分解，簡化問題

算法是Python教學(xué)中必不可少的內(nèi)容，但在Python教學(xué)中，大多數(shù)教師更加關(guān)注學(xué)生對不同算法的知識技能的掌握，而對算法思維的培養(yǎng)有所欠缺。[5]利用算法思維解決問題，第一步是分解問題，即將問題按算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解，具體來說就是面對一個(gè)復(fù)雜問題，將其分解為可以逐個(gè)解決的子問題，這些子問題互相具有一定的聯(lián)系，解決上一個(gè)子問題是下一個(gè)子問題解決的必要條件，但是它們又彼此獨(dú)立。分解問題使得問題簡單化。

學(xué)生通過體驗(yàn)猜數(shù)游戲各環(huán)節(jié)，基本都可以用5個(gè)步驟總結(jié)猜數(shù)游戲的具體過程。要將現(xiàn)實(shí)中猜數(shù)游戲與Python編程進(jìn)行聯(lián)結(jié)，還需要指導(dǎo)學(xué)生完成與5個(gè)步驟對應(yīng)的Python編程步驟，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)實(shí)游戲向Python編程的過渡，并且將利用Python編寫猜數(shù)游戲這一個(gè)問題分解成5個(gè)編程子問題，逐一解決。在具體教學(xué)實(shí)踐過程中，筆者要求學(xué)生登錄易加學(xué)院自主學(xué)習(xí)平臺，完成兩個(gè)猜數(shù)游戲的對照填空，總結(jié)出Python編寫猜數(shù)游戲的5個(gè)步驟。

讓學(xué)生將“1.玩家猜數(shù)”

“2.if…else選擇結(jié)構(gòu)判斷大小”

“3.Python隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)”

“4.若不一致，則重復(fù)B和C兩個(gè)步驟”

“5.while循環(huán)語句”這五句話序號對應(yīng)填寫在上表中。

通過平臺的數(shù)據(jù)反饋，筆者發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生的答題正確率僅為60%（如圖3），大部分學(xué)生對Python猜數(shù)游戲編寫過程中是先用while循環(huán)還是先用if…else選擇結(jié)構(gòu)不清楚。針對此問題，如果用上表來講解，可能大部分學(xué)生能理解，但這其實(shí)是教師在解決問題。而信息技術(shù)課堂要體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，教師只應(yīng)是主導(dǎo)者，負(fù)責(zé)給學(xué)生提供問題解決的腳手架。所以，筆者沒有給學(xué)生講解錯誤的問題，而是讓學(xué)生帶著錯誤問題完成下面一個(gè)任務(wù)：繪制猜數(shù)游戲的流程圖。這樣做旨在讓學(xué)生通過對流程圖的繪制來完成邏輯梳理，從而理解到底是先用while循環(huán)，還是先用if選擇結(jié)構(gòu)。

3.可視化表征，梳理問題

知識可視化就是用圖解手段來構(gòu)建和傳遞復(fù)雜知識?？梢暬碚靼ɡ昧鞒虉D、思維導(dǎo)圖等輔助手段，幫助學(xué)生將Python編程過程中隱形的思維過程呈現(xiàn)出來，對思維加工過程進(jìn)行理解和認(rèn)知。[3]Python編程教學(xué)的大部分內(nèi)容可以借助流程圖的繪制來幫助學(xué)生梳理邏輯。但如果讓學(xué)生從無到有繪制流程圖一方面會浪費(fèi)大量的教學(xué)時(shí)間，另一方面可能會讓學(xué)生無從下手從而產(chǎn)生畏難情緒。對Python猜數(shù)游戲的流程圖繪制，可給學(xué)生提供繪制了一半流程圖的學(xué)案（如圖4），讓學(xué)生將合適的語句填寫到流程圖中對應(yīng)的空格內(nèi)，從而幫助學(xué)生梳理邏輯。

在學(xué)生梳理邏輯后，教師引導(dǎo)其回到上一個(gè)結(jié)構(gòu)分解環(huán)節(jié)，解決while循環(huán)和if選擇結(jié)構(gòu)的前后問題，并對本次教學(xué)內(nèi)容的難點(diǎn)以及while循環(huán)的重點(diǎn)進(jìn)行突破，為接下來的Python編程做鋪墊。在突破教學(xué)重難點(diǎn)的過程中，在學(xué)生思考m和n相等還是不等這一循環(huán)問題時(shí)，筆者借助圖4所示的循環(huán)圖讓學(xué)生直觀感受。在可視化狀態(tài)下，學(xué)生可以理解圖4右邊的部分循環(huán)，就此可以引導(dǎo)學(xué)生理解循環(huán)是在m和n不相等的時(shí)候才發(fā)生的，因?yàn)閣hile循環(huán)是滿足條件時(shí)才執(zhí)行循環(huán)的。至此，上一個(gè)環(huán)節(jié)中未解決的問題——到底是先用while循環(huán)還是先用if選擇結(jié)構(gòu)，得以解決。

4.自主探究，解決問題

在前兩個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生將猜數(shù)游戲的大任務(wù)已經(jīng)分解成一個(gè)個(gè)的小任務(wù)并且利用流程圖進(jìn)行了邏輯梳理。在具體的編程實(shí)踐中，筆者在易加學(xué)院自主學(xué)習(xí)平臺中準(zhǔn)備random模塊導(dǎo)入的資料和半成品程序以及注釋學(xué)案，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生完成程序的編寫。學(xué)生自主探究random模塊的導(dǎo)入，并展示與講解自己的導(dǎo)入結(jié)果，同時(shí)根據(jù)教師提供的學(xué)案，完成Python猜數(shù)游戲的程序代碼編寫。最后，讓進(jìn)度快的學(xué)生展示自己的程序代碼，并測試與講解，教師根據(jù)學(xué)生的編程結(jié)果進(jìn)行總結(jié)與錯誤反饋。

5.完善算法，拓展問題

算法思維雖然具有一定的程序性，但卻不是單一的思維，而是具有創(chuàng)造性的。因此，筆者采用了分層教學(xué)，要求學(xué)生思考兩個(gè)問題：

①在猜數(shù)游戲中為何要用while循環(huán)不用for循環(huán)；②在導(dǎo)入環(huán)節(jié)的游戲中猜了幾輪猜到了正確答案？如果想讓Python輸出猜中了幾次，應(yīng)該如何操作？第一個(gè)問題幾乎所有學(xué)生都可以思考得出答案，因?yàn)椴聰?shù)游戲并不能提前知道具體可以猜中幾次，因此選擇while循環(huán)，而不是for（計(jì)數(shù)）循環(huán)。第二個(gè)問題則是讓部分完成度較快較好的學(xué)生能進(jìn)一步思考與完善算法。

實(shí)踐反思

1.關(guān)注思維過程，而非知識技能

新課標(biāo)提出需要學(xué)生了解算法在問題解決過程中的作用，領(lǐng)會算法價(jià)值。何為算法的價(jià)值？在大部分Python教學(xué)常態(tài)化課堂上，多數(shù)教師對于if選擇結(jié)構(gòu)、while循環(huán)的教學(xué)是先講解這些算法是什么，然后利用習(xí)題幫助學(xué)生理解。因此，這些算法的學(xué)習(xí)對于學(xué)生而言并不是一種思維模式的訓(xùn)練，而是一種知識技能學(xué)習(xí)。而新課標(biāo)關(guān)注的是對學(xué)生思維的培養(yǎng)，因此，教師應(yīng)通過對各種算法的講授，將算法知識與其他知識體系進(jìn)行聯(lián)結(jié)，讓學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況選擇算法、描述算法、執(zhí)行算法，從而最終獲得解決問題的策略或方法。

2.關(guān)注問題解決方法，而非結(jié)果

熊璋教授說，信息科技課程不應(yīng)該局限于讓學(xué)生對現(xiàn)有程序設(shè)計(jì)語言的掌握，而應(yīng)讓學(xué)生學(xué)習(xí)使用計(jì)算機(jī)解決問題的思維和實(shí)踐方法。[6]因此，對于程序設(shè)計(jì)語言課程的教學(xué)，更應(yīng)該關(guān)注在教學(xué)過程中學(xué)生是否掌握了具體的問題解決方法。在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中，教師應(yīng)將課堂交給學(xué)生，借助各類腳手架，如現(xiàn)實(shí)問題與計(jì)算機(jī)問題對照、問題分解、可視化表征問題等，幫助學(xué)生解決問題，教師更多的是教授學(xué)生解決問題的方法，而不是關(guān)注學(xué)生是否掌握了該語言的某些語法規(guī)則等。

參考文獻(xiàn)：

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[6]熊璋，趙健，陸海豐，等.義務(wù)教育階段信息科技課程的時(shí)代性與科學(xué)性——《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》解讀[J].教師教育學(xué)報(bào)，2022，52（04）：63-69.