指向算法思維養(yǎng)成的課堂教學(xué)策略研究

張淑紅

【摘 要】算法是信息科技的課程標(biāo)準(zhǔn)六條邏輯主線之一。在課堂中我們可以運用自然語言描述算法、流程圖設(shè)計算法、編程驗證算法、在生活中的應(yīng)用算法四步驟逐步培養(yǎng)學(xué)生的算法思維，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

【關(guān)鍵詞】算法思維；分析問題；描述算法；流程圖

【中圖分類號】G434? ?【文獻標(biāo)志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）06-061-02

2022版信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)第三學(xué)段（5～6年級）“身邊的算法”模塊指出：“本模塊以身邊的算法為載體，使學(xué)生了解利用算法求解簡單問題的基本方式，培養(yǎng)學(xué)生初步運用算法思維的習(xí)慣，并通過實踐形成設(shè)計和分析簡單算法的能力?！盵1]算法是計算機科學(xué)的核心問題所在，算法思維可以理解為發(fā)現(xiàn)并確定問題、分析問題的構(gòu)成要素，對問題進行分析分解，為問題的解決提供相對有效的途徑和方法。新課標(biāo)進一步擴展了算法的范疇，指出算法教學(xué)的基本思路是從“計算機算法”發(fā)展到“身邊的算法”?！吧磉叀庇袃煞矫娴囊螅阂环矫媸峭ㄟ^算法，編寫計算機程序解決一些問題，這是“用”計算機解決身邊的問題；另一方面以算法的思路，形成與優(yōu)化問題解決的步驟，這是“以”計算機編程等的工程思維方式解決身邊更多的問題，是計算思維的體現(xiàn)[2]。

那如何在平時課堂中落實學(xué)生算法思維的培養(yǎng)呢？小學(xué)五年級的學(xué)生認(rèn)知發(fā)展處于從具象思維到抽象思維的過渡時期，結(jié)合學(xué)生的思維特點，我們可以選取貼近學(xué)生生活的例子，創(chuàng)設(shè)真實情境，運用自然語言描述算法、流程圖設(shè)計算法、編程驗證算法、在生活中的應(yīng)用算法的步驟展開教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的算法思維。描述算法主要是指梳理真實問題解決步驟，然后用自然語言描述；設(shè)計算法是指提取自然語言的關(guān)鍵詞，把問題解決步驟轉(zhuǎn)換為更符合計算機處理問題步驟的邏輯圖示；驗證算法是指運用圖形化編程把邏輯圖示轉(zhuǎn)換成計算機小程序；應(yīng)用算法是指運用學(xué)到的算法遷移到更廣泛的問題解決之中。

本文以“猜數(shù)游戲”為例具體闡述課堂如何實施教學(xué)。“猜數(shù)游戲”是編程學(xué)習(xí)中一個非常經(jīng)典的游戲，趣味性足，可以激發(fā)學(xué)生的探究興趣。在這個游戲中有明確的輸入（猜測的數(shù)字）和輸出（反饋“大了”“小了”“正確”），流程清晰簡單，比較適合作為算法學(xué)習(xí)的入門課。這個游戲設(shè)計算法的過程中需要應(yīng)用到分支和循環(huán)兩種結(jié)構(gòu)，設(shè)計算法的過程可以提升思維的縝密性，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣。同時猜數(shù)游戲中還包含著計算機經(jīng)典算法——二分法，可以讓學(xué)生在玩游戲的過程中去理解二分法，同時理解二分法在生活中的應(yīng)用。

親歷游戲，用自然語言描述算法

計算機解決問題時，算法通過程序能將一定規(guī)范的輸入在有限的時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為所要求的輸出。因此，在分析簡單問題時，學(xué)生首先要能對問題進行描述，其次對問題的條件進行分析，最后明確求解問題的目標(biāo)結(jié)果[3]。

上課伊始，教師出示游戲規(guī)則：老師隨機在紙上寫一個數(shù)，請學(xué)生來猜，老師會說“回答正確”“大了”“小了”，學(xué)生可根據(jù)老師的回答再次猜測，“回答正確”后游戲結(jié)束。接著教師提出問題，請學(xué)生用自己的語言描述一下游戲的步驟。學(xué)生1回答：老師寫一個數(shù)字、學(xué)生猜測、老師回答、游戲結(jié)束；學(xué)生2補充：我認(rèn)為他的描述不太完整，缺少一個步驟，應(yīng)該是老師寫一個數(shù)字、學(xué)生猜測、老師回答“大了”“小了”或“回答正確”、學(xué)生再次猜測直，到答對為止、游戲結(jié)束。

本教學(xué)環(huán)節(jié)教師先跟學(xué)生玩猜數(shù)游戲，當(dāng)學(xué)生對游戲有了一個整體感知的時候，教師再引導(dǎo)學(xué)生用自己的語言描述猜數(shù)游戲的步驟，促使學(xué)生深入思考游戲的整個過程，抽象出猜數(shù)游戲的關(guān)鍵步驟。總結(jié)梳理的過程讓學(xué)生對猜數(shù)游戲有了全面的認(rèn)識和系統(tǒng)的分析，從抽象到具象，提取出了問題的關(guān)鍵特征，從而促進學(xué)生思維的發(fā)展。

合作探究，運用流程圖設(shè)計算法

算法是通過明確的、可執(zhí)行的操作步驟描述的問題求解方案。設(shè)計算法需要學(xué)生在明確輸入輸出的基礎(chǔ)上，將問題的求解方案設(shè)計為明確的、可執(zhí)行的操作步驟。熊璋教授曾指出，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)計語言的掌握，而應(yīng)讓學(xué)生學(xué)習(xí)使用計算機解決問題的思維和實踐方法。

本環(huán)節(jié)教師再次提出問題：能否用流程圖來描述一下猜數(shù)游戲的過程。師生先一起梳理游戲的關(guān)鍵步驟：教師出數(shù)字，學(xué)生猜數(shù)字，教師回答大了、小了或正確，重復(fù)猜測直到答對為止；再思考這些步驟對應(yīng)到Kitten里面是哪些積木塊，學(xué)生能很快思考出“教師出數(shù)”對應(yīng)設(shè)置一個變量為隨機數(shù)，“猜數(shù)字和回答”對應(yīng)“詢問……并獲得答復(fù)”積木塊，重復(fù)猜測需要用到重復(fù)積木塊，判斷的過程需要用到“如果……否則……”。至此，學(xué)生完成了由自然語言向計算機語言的轉(zhuǎn)換。這正是促使學(xué)生分解、抽象、建模，用計算機解決問題的思維去思考問題的過程。

接著教師出示流程圖模塊，要求學(xué)生小組合作運用在線流程圖編輯軟件繪制猜數(shù)游戲流程圖并展示匯報。學(xué)生在繪制流程圖的過程中提出疑問：為什么沒有“猜小了”這個積木塊？教師引導(dǎo)學(xué)生可以自己添加并思考這個積木塊是否必要。學(xué)生在匯報的過程中出現(xiàn)一正一誤兩種流程圖。教師引導(dǎo)學(xué)生思考分析兩種流程圖所代表的計算機程序執(zhí)行方式，指出計算機在執(zhí)行任務(wù)時只能逐步判斷，不能一下子判斷三種情況，所以錯誤的流程圖不符合計算機語言的執(zhí)行流程；思考的過程讓學(xué)生把現(xiàn)實問題的步驟與計算機解決問題的步驟對應(yīng)起來，逐步養(yǎng)成算法思維。最后教師再次提出問題“猜小了”這個積木塊是否必須，學(xué)生意識到除了判定“猜對了”“猜大了”就只有第三種情況，因此非必須。在修正流程圖的過程中，學(xué)生學(xué)會以計算機解決問題的方式去分解問題、設(shè)計算法，從而促進了學(xué)生思維的發(fā)展。

動手實踐，運用圖形化編程驗證算法

從計算機解決問題的途徑來看，學(xué)生需要將形式化的描述轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詫崿F(xiàn)的結(jié)果。編寫程序、執(zhí)行程序是驗證算法實現(xiàn)的一種方式。從學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展角度來看，學(xué)生需要將描述算法時的推演結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)榫幊痰念A(yù)測結(jié)果，然后執(zhí)行程序驗證結(jié)果，從而完成從自然語言到程序設(shè)計語言的過程。

當(dāng)猜數(shù)游戲流程圖拼完整后，教師提出問題：根據(jù)流程圖嘗試用Kitten編寫猜數(shù)小程序。教師指導(dǎo)學(xué)生分析算法流程圖中每個步驟對應(yīng)的積木塊，提供編寫好的積木塊，讓學(xué)生動手拼接在一起，降低編寫程序的難度。學(xué)生動手拖動組合完成猜數(shù)小游戲的程序。編完后，試玩的過程會出現(xiàn)問題，如有的小組只能猜測一次，有的小組每次猜測的反饋是相反的，該說“大了”卻說“小了”。教師指導(dǎo)學(xué)生對照流程圖修改程序錯誤，讓學(xué)生建立流程圖描述算法與程序設(shè)計語言執(zhí)行算法的聯(lián)系，對計算機執(zhí)行算法有個整體的感知。

拓展提升，在生活中應(yīng)用算法

猜數(shù)游戲的猜數(shù)技巧涉及二分法。二分法在生活中有著廣泛的應(yīng)用。教師提出問題：如何用盡量少的次數(shù)猜中數(shù)字？學(xué)生很快想到要先猜中間數(shù)字，并說出可以把猜數(shù)的范圍縮小一半的想法，教師適時提出二分法。了解二分法的概念后，教師拋出電線電纜故障問題，100公里長的電纜中間出現(xiàn)故障，如何快速找到故障點，學(xué)生根據(jù)二分法作出反應(yīng)，先從中間50公里處開始找，然后逐步縮小范圍，只需經(jīng)過6次檢測就可以把故障點鎖定在0.2公里之內(nèi)了。由猜數(shù)游戲到二分法，讓學(xué)生由了解算法、掌握算法到在生活中以算法的思維去解決真實問題，體現(xiàn)了更高的學(xué)科價值與作用。

參考文獻

李鋒. 新版課程標(biāo)準(zhǔn)解析與教學(xué)指導(dǎo)·小學(xué)信息科技[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

武健，康小微.從算法、思維到問題解決實踐：三步轉(zhuǎn)譯編程教學(xué)法引發(fā)的思考[J]. 中國信息技術(shù)教育，2023（15）： 9-11.

黃榮懷，熊璋.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）解讀[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.