閱讀與實驗：基于“法”“碼”平衡的計算思維學(xué)習探索

焦晨瀟 王愛勝

在信息科技新課程的推進中，進行一線教學(xué)資源的構(gòu)建將會促進多維度課程建設(shè)與教學(xué)研究的深入開展，對建設(shè)豐富的課程生態(tài)具有積極的意義。因此，本期解碼我們將探討師生創(chuàng)作與利用課程資源對課程生態(tài)的重要意義。

摘要：本文以通過探索信息科技新課程中“算法”邏輯主線的課程學(xué)習以達成“計算思維”學(xué)習目標的資源創(chuàng)新與創(chuàng)作為例，分析重“法”輕“碼”認知產(chǎn)生的學(xué)習瓶頸，采用類比閱讀與數(shù)據(jù)實驗的創(chuàng)新方式，嘗試探索貼近學(xué)生年齡特點的故事化“跨學(xué)科閱讀”與“不插電閱讀”的系統(tǒng)化設(shè)計，以“法”“碼”平衡為信息科技課程的“計算思維”探索趣味化的深度學(xué)習資源，助力豐富的課程生態(tài)建設(shè)。

關(guān)鍵詞：計算思維；類比閱讀；數(shù)據(jù)實驗

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）01-0025-04

隨著《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的頒布，“計算思維”成為信息科技課程培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，而“算法”這一邏輯主線將貫穿中小學(xué)信息科技課程。因此，如何更好地轉(zhuǎn)向以算法為邏輯線索的計算思維教育，共建中小學(xué)一體化的信息科技課程新形態(tài)變得十分重要。鑒于“計算思維”與“算法”在中小學(xué)信科技課程中的重要地位，筆者基于“法（算法）”“碼（代碼）”平衡的視角，嘗試系統(tǒng)探索程序、算法學(xué)習與計算思維培養(yǎng)融合的閱讀設(shè)計與數(shù)據(jù)實驗。

“法”與“碼”平衡的課程生態(tài)分析

由于新課標重視“算法”認知，在一定程度上弱化了“代碼”編程，而更傾向于用“碼”驗“法”的算法驗證，因此，如何通過技術(shù)實驗、數(shù)據(jù)驗證來學(xué)習算法成為新的研究方向。另外，受中考、學(xué)考及高考等的影響，對以代碼（C++、Python）編程為載體的程序、算法、計算思維的考查仍因極具“可操作性”而難以摒棄，要在短期內(nèi)弱化“代碼”的“支撐”作用，還存在很多困難。算法設(shè)計如果用“紙質(zhì)的形式化推演”來代替編程，會在算法深刻體悟、效率直觀認知及知識局限等方面發(fā)生“歧變”，單純的課堂學(xué)習也易走上“務(wù)虛”的說教式形式主義，更多教師會讓也不得不讓學(xué)生通過補學(xué)“代碼”來打基礎(chǔ)，這樣就會增加學(xué)生的課業(yè)負擔。因此，筆者基于計算思維的構(gòu)成要素，提煉基礎(chǔ)算法思想，濃縮中小學(xué)生必備程序知識，運用學(xué)生喜聞樂見的武俠故事設(shè)置學(xué)習情境，架構(gòu)類比閱讀的學(xué)習資源，從易到難，環(huán)環(huán)相扣，形成“閱讀學(xué)算法，不插電學(xué)編程”的新思路，讓學(xué)生在一個個精彩的故事中學(xué)習計算思維與算法，提高對算法與程序設(shè)計的整體認知。這種追求生動的課外閱讀活動，以故事類比閱讀幫助學(xué)生輕松了解、掌握算法思想與程序設(shè)計，培養(yǎng)了學(xué)生的計算思維、算法思想與工程思維，助推了信息科技課程系統(tǒng)、有機的“法”“碼”平衡學(xué)習生態(tài)建設(shè)。

閱讀設(shè)計：對程序、算法與計算思維進行擬人故事化處理

筆者在創(chuàng)作《編程江湖》一書時，以擬人化的系統(tǒng)故事情境及虛擬的武俠小說對“算法”“計算思維”與“程序”進行融合學(xué)習設(shè)計。全書分三卷、九章、三十六回，在尋劍、弩攻、爭鋒的故事場景中，把各種計算語言作為江湖門派，生動有趣，以程序?qū)嵗腿宋镄愿裾宫F(xiàn)算法與語言的特點，用劍術(shù)、劍法、劍道類比程序知識、算法思想和計算思維，以盤龍陣、飛花令、套娃、擊劍比賽、劍法擂臺賽及算術(shù)動物園、派森英雄榜等趣味程序項目實踐來降低認知難度，提高學(xué)習效益。

故事情境、人物語言與行為具有親和力和形象感是閱讀設(shè)計的效度要素。例如，人物的知識與技術(shù)融合中國功夫、兵家陣法等文化元素，以提高對編程技術(shù)與算法的理解力和應(yīng)用性；程序范例結(jié)合古今中外的經(jīng)典案例與優(yōu)秀算法，以提高算法學(xué)習的典型性與可操作性。故事中的人物相對獨立，但在學(xué)習中會將他們作為一個“程序、算法與計算思維的編程能力”整體來對待。例如，派森恩喜“劍術(shù)”，是Python編程知識的形象類比；韓青鋒會“劍法”，是算法思想的形象類比；姬思木懂“劍道”，是計算思維的形象類比。眾所周知，計算思維、算法與程序設(shè)計常需要融合學(xué)習，在閱讀中，讀者自然吸取各人之長，視他們?yōu)橐粋€團隊，或同一個“真實人”的多項能力。讀者在學(xué)習之外，會逐步兼具三人優(yōu)秀品質(zhì)，規(guī)避如姬思木體質(zhì)柔弱、派森恩話多語碎、韓青鋒沉默寡言等“暗喻”的缺陷。整個故事的發(fā)展，也正是三人相互促進、揚長避短、克服缺點的成長過程，如姬思木“健康”了（暗喻計算思維強化實踐），韓青鋒“愛笑”了（暗喻算法生動有趣），派森恩“務(wù)實”了（暗喻程序知識學(xué)以致用）等，對讀者極具不斷成長的教育意義。

類比演繹：把程序知識通俗融入算法與計算思維

類比式演繹知識與實踐，是對較難理解的技術(shù)、原理有效“破壁”的策略之一，為教師“闡釋”和學(xué)生“理解”提供橋梁作用。在《編程江湖》一書中，筆者不僅發(fā)揮了常規(guī)類比的作用，還以故事來演繹類比，讓過程更具可讀性。

第一，程序知識的類比演繹。例如，以基本功類比“交互式”程序命令，將“套路”演繹程序作為指令整體的“算法”流程意義。將輸入、運算、輸出類比為“吸氣”“運氣”“呼氣”的基本過程，將int（）、round（）函數(shù)類比成“斷舍離”劍術(shù)，將字符串的切片類比成“斬蜂群”，將列表和復(fù)合列表類比成“盤龍陣”和“群龍陣”，以及將自定義函數(shù)和調(diào)用類比成“戰(zhàn)隊”與“指揮”，在故事演繹中用各種生動、形象、貼切的類比讓學(xué)習更有趣、理解更有效。

第二，算法設(shè)計的類比演繹。通過在行軍中對順序、判斷和循環(huán)的類比演繹，不斷發(fā)展到在戰(zhàn)斗中“弩攻”時循環(huán)發(fā)射及死循環(huán)、中斷等類比演繹，扣人心弦又直觀有趣。對難度較大的“遞歸”算法，以套娃類比演繹，以“劍法”演繹遞歸過程，準確把握遞歸結(jié)構(gòu)與特點。在對數(shù)據(jù)搜索算法闡述時，以“尋箭”演繹，對照草地上的矩陣劃分，讓算法可懂又可用。對“排序”等算法，更是用大量篇幅進行劍法類比演繹，如在擂臺賽時把標準函數(shù)類比為“一劍封喉”的劍法，將“桶排序”類比為挑水舞蹈，將“冒泡排序”類比成冒泡劍法，將“插入排序”類比成插撲克牌游戲等，通過類比對基礎(chǔ)算法的描述、特征、應(yīng)用、功能進行演繹，讓算法變得好玩、好懂、好用。

第三，計算思維的類比演繹。一方面，筆者將計算思維的分解、抽象、模式、算法進行故事演繹。例如，用“各個擊破”分解猴群，用“化繁為簡”的簡筆畫探查敵情，用“照貓畫虎”識別背單詞的詞序模式。另一方面，通過有一定規(guī)模的作品設(shè)計，如“飛花令”“口算游戲”“剪刀石頭布”“派森英雄榜”等，融合計算思維與工程思維進行作品創(chuàng)作，讓學(xué)生系統(tǒng)體驗需求分析、問題分解、模塊化設(shè)計、抽象建模、技術(shù)迭代與產(chǎn)品泛化的計算思維綜合應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)與技能。

數(shù)據(jù)實驗：用數(shù)據(jù)測試、觀察、分析、揭示算法的過程與功能

為直觀地體驗、理解算法，筆者設(shè)計了“數(shù)據(jù)實驗”開展各種方式的數(shù)據(jù)觀察，不僅提供如字符串、列表、數(shù)據(jù)類型等程序設(shè)計知識進行“程序執(zhí)行過程的數(shù)據(jù)觀察實驗”，更以“武功秘笈”的形式提供數(shù)據(jù)實驗“模板”，以“簡約高效”的實驗策略進行數(shù)據(jù)觀測與分析。例如，用“運行時間差異實驗”直觀對比不同算法的運行效率，實驗過程如圖1所示。

測試數(shù)據(jù)要具有可實驗的樣本效益，要么現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，要么提前準備數(shù)據(jù)文件，還可以隨機生成數(shù)據(jù)等。現(xiàn)場采集的風險非常大，因為采集失敗或數(shù)據(jù)質(zhì)量對后期教學(xué)影響是巨大的。提前準備數(shù)據(jù)文件，文件形式可以是文本文件或電子表格等。因電子表格讀取需要安裝并引入pandas庫，且數(shù)據(jù)存儲、讀取要符合規(guī)范，所以使用時須謹慎。文本文件相對容易操作，但文本文件讀取時有不同的格式。

為此，筆者在實驗中引導(dǎo)觀察，使用“容錯”方法改進實驗，既體現(xiàn)了計算思維的技術(shù)細節(jié)“迭代”思維，又滲透了算法通用化的“泛化”思維。例如，對不同文本文件格式的容錯測試可用try/except來適應(yīng)多種數(shù)據(jù)提供模式，代碼如圖2所示。

綜上所述，筆者通過通俗閱讀算法故事，類比演繹算法基本思想和計算思維基本要素，降低認知難度，即通過數(shù)字素養(yǎng)與技能培育為信息科技課程的實施助力，通過構(gòu)建豐富的課程資源為“法”“碼”平衡的課程生態(tài)大廈添磚加瓦。

參考文獻：

[1]王愛勝.編程江湖[M].北京：清華大學(xué)出版社，2023.

[2]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.