聚焦計(jì)算思維：高中“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”的教學(xué)研究

摘要：計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一。本研究以發(fā)展計(jì)算思維為目標(biāo)，通過創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境、創(chuàng)建數(shù)字活動(dòng)、創(chuàng)新測(cè)評(píng)方式，探討如何將計(jì)算思維滲透到高中信息技術(shù)學(xué)科“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”的教學(xué)中，提高學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)解決問題的能力，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；程序?qū)崿F(xiàn)；算法設(shè)計(jì)；信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）13-0034-04

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）將計(jì)算思維納入信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，并指出計(jì)算思維是指個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)?！陡咧行畔⒓夹g(shù)課程 必修1數(shù)據(jù)與計(jì)算》（華東師范大學(xué)出版社出版）第二單元“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”的內(nèi)容，包括“算法與算法描述”“程序設(shè)計(jì)語言基礎(chǔ)知識(shí)”“常用算法及其程序?qū)崿F(xiàn)”三部分。從單元內(nèi)容可以看出，它將計(jì)算思維滲透到課程教學(xué)中，圍繞簡單算法的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生理解當(dāng)今數(shù)字化世界的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，促使學(xué)生成為合格的數(shù)字公民。因此，通過“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”的教學(xué)培養(yǎng)高中學(xué)生計(jì)算思維顯得尤為重要。

創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境，滲透計(jì)算思維

課標(biāo)倡導(dǎo)通過項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，即依據(jù)信息技術(shù)學(xué)科理論性、工具性和實(shí)踐性并重的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)活動(dòng)情境，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中感受信息技術(shù)對(duì)日常生活的影響，提高利用信息技術(shù)解決問題的能力。因此，教師應(yīng)緊密聯(lián)系學(xué)生的現(xiàn)實(shí)生活和學(xué)習(xí)實(shí)踐，適度設(shè)置基于真實(shí)情境的學(xué)習(xí)任務(wù)、典型案例或研究性項(xiàng)目活動(dòng)，以引導(dǎo)學(xué)生在問題解決的過程中，將“學(xué)技術(shù)”與“用技術(shù)”有機(jī)融合，主動(dòng)理解知識(shí)、掌握技能、發(fā)展能力。

1.創(chuàng)設(shè)問題情境，激活學(xué)生思維

教師要善于創(chuàng)設(shè)不同的問題情境，鼓勵(lì)學(xué)生依據(jù)解決問題的需要，設(shè)計(jì)和表示簡單算法，運(yùn)用計(jì)算思維形成解決問題的方案。例如，在講解算法概念時(shí)，可引入經(jīng)典過河問題：農(nóng)夫要帶一匹狼、一只羊和一籃蔬菜過河，但小船每次只能載其中的一件，而且農(nóng)夫不在場(chǎng)時(shí)，狼會(huì)吃羊，羊會(huì)吃蔬菜，那么農(nóng)夫如何安全地帶它們過河？然后，通過對(duì)這一問題的分析（如下頁表），引導(dǎo)學(xué)生形成解決問題的方案，以此引出算法的概念。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生在解決過河問題的過程中感受算法，從而認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)使用算法對(duì)問題解決的重要意義。

2.創(chuàng)設(shè)生活情境，啟發(fā)學(xué)生思維

創(chuàng)設(shè)程序?qū)崿F(xiàn)的生活情境，有助于啟發(fā)學(xué)生的思維。教師應(yīng)選擇與學(xué)生日常生活相關(guān)的主題，設(shè)計(jì)項(xiàng)目情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用恰當(dāng)?shù)拿枋龇椒ê涂刂平Y(jié)構(gòu)，表示簡單算法。例如，生活中的智能跑步項(xiàng)目，教師可設(shè)計(jì)“計(jì)算BMI指數(shù)”“解密BMI指數(shù)”“平均BMI指數(shù)”等活動(dòng)情境，組織學(xué)生在解決BMI健康管理問題的過程中探究順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)的特征。在此，順序結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)按先后順序依次執(zhí)行算法中的各個(gè)步驟；分支結(jié)構(gòu)要求根據(jù)給定的條件進(jìn)行判斷，再依據(jù)判斷結(jié)果的不同來執(zhí)行不同的操作；循環(huán)結(jié)構(gòu)則根據(jù)條件重復(fù)執(zhí)行某一部分的操作，其中重復(fù)執(zhí)行的部分稱為循環(huán)體。學(xué)生通過智能跑步項(xiàng)目的實(shí)施，能分析生活中的BMI健康管理問題，并采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式抽象特征，設(shè)計(jì)解決生活問題的算法（如圖1）。

3.創(chuàng)設(shè)游戲情境，激發(fā)創(chuàng)新思維

對(duì)于游戲情境中創(chuàng)設(shè)的趣味性任務(wù)，學(xué)生通常會(huì)主動(dòng)挑戰(zhàn)，積極探索解決問題的方案。例如，對(duì)生活中最常見的“石頭、剪刀、布”游戲，教師可將其轉(zhuǎn)化為程序游戲，使游戲過程從學(xué)生自己與同學(xué)猜拳，轉(zhuǎn)變?yōu)楹碗娔X猜拳，以增強(qiáng)學(xué)生的探究欲望，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。學(xué)生通過活動(dòng)體驗(yàn)，能提取猜拳問題的基本特征，進(jìn)行抽象處理（如圖2），從而運(yùn)用合理的算法形成解決猜拳問題的方案。

創(chuàng)建數(shù)字活動(dòng)，培育計(jì)算思維

課標(biāo)指出，計(jì)算思維作為一種思維方式，需要在解決問題的過程中不斷經(jīng)歷分析思考、實(shí)踐求證、反饋調(diào)適而逐步形成。當(dāng)面對(duì)特定的問題時(shí)，往往需要根據(jù)設(shè)計(jì)的算法編寫特定的程序來解決問題。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生采用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法界定問題、抽象建模、設(shè)計(jì)算法、編程調(diào)試，逐漸形成解決問題的方案，并遷移到與之相關(guān)的其他問題的解決中。

1.設(shè)計(jì)算法，開拓思維

課標(biāo)指出，對(duì)問題的抽象或形式化描述是算法的基礎(chǔ)，算法的每一步都是一個(gè)準(zhǔn)確表達(dá)的步驟或指令，其目的在于用一系列這樣的步驟在有限的時(shí)間內(nèi)解決實(shí)際問題。因此，在設(shè)計(jì)算法時(shí)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生分析問題，將解決問題的方法歸納為一系列清晰準(zhǔn)確的步驟。學(xué)生在活動(dòng)體驗(yàn)中，可以理解利用算法進(jìn)行問題求解的基本思想和方法，明確算法的有窮性、確定性、可行性、有零個(gè)或多個(gè)輸入、有一個(gè)或多個(gè)輸出這五個(gè)特征，知道解決同一個(gè)問題可以有不同的算法。

以“智能跑步”項(xiàng)目為例，基于BMI指數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)算法，輸入身高（單位m）和體重（單位kg），計(jì)算出BMI指數(shù)，并判斷身體的健康情況。學(xué)生經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)解決BMI指數(shù)健康問題存在多種不同的算法，可以使用雙分支結(jié)構(gòu)，也可以使用多分支結(jié)構(gòu)。該問題的自然語言描述，需要五個(gè)有限步驟：①輸入身高；②輸入體重；③根據(jù)公式，計(jì)算BMI指數(shù)；④判斷BMI指數(shù)健康情況；⑤輸出健康狀況。而結(jié)合BMI指數(shù)參考標(biāo)準(zhǔn)，在判斷BMI指數(shù)健康情況時(shí)，可以分“正?！薄靶枳⒁狻眱煞N情況，也可以分“正常”“偏胖”“偏瘦”三種情況，甚至更多（如圖3）。

2.編寫程序，增強(qiáng)思維

課標(biāo)要求學(xué)生掌握一種程序設(shè)計(jì)語言的基本知識(shí)，使用程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)簡單算法；通過解決實(shí)際問題，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的基本流程。因此，教師可從實(shí)際問題入手，結(jié)合Python語言的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)算法設(shè)計(jì)，用Python語言編程解決實(shí)際問題。在解決問題的過程中，教師應(yīng)注重思路和方法的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維。

以“查找水仙花數(shù)”項(xiàng)目為例，可通過讓學(xué)生編寫程序，實(shí)現(xiàn)輸出所有的“水仙花數(shù)”，從而用枚舉算法解決經(jīng)典數(shù)學(xué)問題“水仙花數(shù)”。“水仙花數(shù)”是一個(gè)三位數(shù)，其每個(gè)位上的數(shù)字的立方和等于該數(shù)本身，如153，有153=13+53+33。學(xué)生在用Python語言實(shí)現(xiàn)枚舉算法時(shí)，需要明確“水仙花數(shù)”的枚舉范圍是100～999之間的整數(shù)，且步長為1；其驗(yàn)證條件為“百位數(shù)3+十位數(shù)3+個(gè)位數(shù)3==數(shù)本身”。教師可以結(jié)合學(xué)生學(xué)情，著眼于最近發(fā)展區(qū)，分層設(shè)計(jì)不同難度系數(shù)的數(shù)字活動(dòng)。例如，“水仙花數(shù)入門挑戰(zhàn)”的活動(dòng)難度系數(shù)最低，教師提供大部分代碼，要求學(xué)生填寫枚舉范圍“range（100，1000）”和驗(yàn)證條件“i**3+j**3+k**3==n”。又如，“水仙花數(shù)探秘之旅”的活動(dòng)難度系數(shù)為中，教師提供部分代碼，不僅要求學(xué)生填寫枚舉范圍和驗(yàn)證條件，還要求學(xué)生設(shè)計(jì)個(gè)位數(shù)、十位數(shù)和百位數(shù)的程序代碼。

3.調(diào)試運(yùn)行，優(yōu)化思維

調(diào)試運(yùn)行是指通過對(duì)編寫的程序進(jìn)行測(cè)試，修正其中可能有的語法錯(cuò)誤或邏輯錯(cuò)誤的過程。調(diào)試、優(yōu)化是保證程序更加正確合理的必不可少的步驟。學(xué)生通過不斷調(diào)試程序，理解程序執(zhí)行的邏輯過程，提高用信息技術(shù)解決問題的能力。在編寫程序時(shí)，學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)五花八門的錯(cuò)誤，常見的錯(cuò)誤有數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤、語法錯(cuò)誤、邏輯錯(cuò)誤等，教師要善于捕捉這些動(dòng)態(tài)生成的資源，引導(dǎo)學(xué)生在“嘗試→驗(yàn)證→修正”的試錯(cuò)過程中，反復(fù)經(jīng)歷計(jì)算思維的全過程，逐漸形成解決問題的方案。

（1）數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤

數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤是指在程序中對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行不正確的操作，如字符串型與整型相加。在計(jì)算BMI指數(shù)時(shí)，學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤，編寫的錯(cuò)誤代碼為：weight=input（“請(qǐng)輸入體重（kg）：”）。該賦值語句返回的體重的數(shù)據(jù)類型為字符串型，導(dǎo)致后續(xù)BMI公式計(jì)算時(shí)程序錯(cuò)誤或異常。為了解決這個(gè)問題，學(xué)生對(duì)代碼進(jìn)行了優(yōu)化，修改為：weight=float（input（“請(qǐng)輸入體重（kg）：”））。這段代碼將輸入的體重作為字符串接收，并使用float（）函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型，從而確保了數(shù)據(jù)類型的一致性，使得后續(xù)操作能正確進(jìn)行。這種優(yōu)化方式有效地解決了數(shù)據(jù)類型的錯(cuò)誤問題，確保了程序的穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）語法錯(cuò)誤

語法錯(cuò)誤是指在程序中違反編程語言的語法規(guī)則，如拼寫錯(cuò)誤、缺少分號(hào)或冒號(hào)、括號(hào)不匹配等。語法錯(cuò)誤是學(xué)生編程過程中最常見的一種錯(cuò)誤類型，通常是程序無法編譯或解釋的主要原因之一。學(xué)生在使用Python編程時(shí)，通常會(huì)在編寫分支結(jié)構(gòu)的代碼時(shí)犯一些常見的錯(cuò)誤，如忘記在if語句后面添加冒號(hào)，在編寫輸入、輸出的代碼時(shí)往往出現(xiàn)括號(hào)、引號(hào)不匹配等現(xiàn)象。這些簡單的語法錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致程序無法正常運(yùn)行，因此教師需著重指導(dǎo)學(xué)生通過觀察Python程序運(yùn)行的及時(shí)反饋，從標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、拼寫錯(cuò)誤等語法角度重新審視程序，并不斷進(jìn)行調(diào)試、優(yōu)化，從而使程序能夠正常運(yùn)行。

（3）邏輯錯(cuò)誤

邏輯錯(cuò)誤是指在程序代碼中的錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致程序能夠執(zhí)行，但無法產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果。邏輯錯(cuò)誤通常是由學(xué)生對(duì)問題的理解不正確，或者算法實(shí)現(xiàn)有誤引起的。與語法錯(cuò)誤不同，邏輯錯(cuò)誤不一定會(huì)阻止程序的編譯或運(yùn)行，但會(huì)導(dǎo)致程序結(jié)果異?；蝈e(cuò)誤。例如，當(dāng)面對(duì)枚舉算法的驗(yàn)證條件為“是否能被57或67整除”時(shí)，學(xué)生可能對(duì)邏輯運(yùn)算符and和or的理解存在偏差，編寫了錯(cuò)誤的判斷條件i%57==0andi%67==0，從而導(dǎo)致程序能夠運(yùn)行，但是結(jié)果出錯(cuò)。為了解決這個(gè)問題，需要重新審視代碼，分析錯(cuò)誤產(chǎn)生的可能原因，以此引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)測(cè)試Python程序時(shí)所發(fā)現(xiàn)的問題，做進(jìn)一步診斷，找出原因，想出辦法，逐步提升問題解決的效率和質(zhì)量。

創(chuàng)新測(cè)評(píng)方式，發(fā)展計(jì)算思維

評(píng)價(jià)應(yīng)依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，聚焦學(xué)科核心素養(yǎng)，將編程解決問題的四個(gè)步驟——抽象建模、設(shè)計(jì)算法、編寫程序、調(diào)試運(yùn)行，融入測(cè)評(píng)活動(dòng)，讓學(xué)生在合作、探究、反思中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法分析、解決問題，形成這一類問題的解決方案，發(fā)展計(jì)算思維。

1.表現(xiàn)性評(píng)價(jià)，點(diǎn)亮個(gè)體思維

評(píng)價(jià)方式可以多樣化，但應(yīng)注重鼓勵(lì)性、發(fā)展性，如示意全班同學(xué)一起鼓掌，或自己點(diǎn)頭表示肯定并伴以一兩個(gè)贊賞性詞語等。在高中“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”單元實(shí)施測(cè)評(píng)時(shí)，教師應(yīng)尊重學(xué)生的編程水平的個(gè)體差異，不能僅依賴于傳統(tǒng)的分?jǐn)?shù)或等級(jí)來評(píng)估學(xué)生的表現(xiàn)，或僅依賴于是否完成編程作品來評(píng)估學(xué)生的表現(xiàn)，而要適時(shí)采用表現(xiàn)性評(píng)價(jià)語言，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

2.過程性評(píng)價(jià)，強(qiáng)化過程思維

過程性評(píng)價(jià)要求記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，客觀評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。因此，在高中“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”單元實(shí)施測(cè)評(píng)時(shí)，教師還應(yīng)采用過程性評(píng)價(jià)，從計(jì)算思維出發(fā)，記錄學(xué)生使用Python語言編程解決問題的形式化、模型化、自動(dòng)化的發(fā)展過程，強(qiáng)化過程中的計(jì)算思維運(yùn)用。

3.總結(jié)性評(píng)價(jià)，發(fā)展綜合思維

總結(jié)性評(píng)價(jià)著眼于學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)的學(xué)習(xí)成果和綜合能力的發(fā)展，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)科核心素養(yǎng)，全面評(píng)估項(xiàng)目活動(dòng)的最終效果。在高中“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”單元實(shí)施測(cè)評(píng)時(shí)，教師可以通過編程項(xiàng)目活動(dòng)進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)，具體從算法與算法描述、程序設(shè)計(jì)語言基礎(chǔ)知識(shí)、常用算法及其程序?qū)崿F(xiàn)三方面評(píng)估學(xué)生是否已達(dá)到相應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展，進(jìn)而幫助學(xué)生發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)，促使學(xué)生培養(yǎng)信息社會(huì)的責(zé)任意識(shí)，從而更好地適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的需求。

參考文獻(xiàn)：

中華人民共和國教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.