竇穎

● 不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)

2014年8月，在第23屆中國(guó)兒童青少年威盛中國(guó)芯HTC計(jì)算機(jī)表演賽頒獎(jiǎng)典禮現(xiàn)場(chǎng)，魔術(shù)師表演的翻牌魔術(shù)引發(fā)了高潮。魔術(shù)師面向觀眾，站在他背后的同學(xué)無(wú)論怎么翻動(dòng)紙牌，魔術(shù)師轉(zhuǎn)過身都能很快辨認(rèn)出是哪張紙牌被翻動(dòng)了（如圖1），隨后筆者被邀請(qǐng)上臺(tái)做了魔術(shù)揭秘，作為一名教師，我怎么知道“魔法”的真相呢？其實(shí)，這個(gè)小魔術(shù)是與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)糾錯(cuò)知識(shí)相關(guān)的。

眾所周知，計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)是采用比特（二進(jìn)制數(shù)字）的形式存儲(chǔ)或傳送的，它們一般是不會(huì)發(fā)生改變的，不過有時(shí)一些故障也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)突然改變，有時(shí)可能只是CD表面的小劃痕就會(huì)把0變成了1，那么我們要怎樣才不用擔(dān)心發(fā)生這些意外呢？科學(xué)家發(fā)明了一種計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤并自動(dòng)修復(fù)的方法──奇偶校驗(yàn)（parity）。

聽起來是不是挺神秘的？其實(shí)，魔術(shù)中的雙面紙牌（正面紅色，背面藍(lán)色）對(duì)應(yīng)了計(jì)算機(jī)中的比特（0或1），根據(jù)紅色紙牌朝上（對(duì)應(yīng)比特“1”）的數(shù)量是奇數(shù)或偶數(shù)來進(jìn)行判斷（校驗(yàn)）。而采用何種判斷方式（校驗(yàn)）是事先規(guī)定好的（即紅色紙牌朝上的數(shù)量是奇數(shù)還是偶數(shù)），通過設(shè)置奇偶校驗(yàn)位（即魔術(shù)師會(huì)增加一些紙牌），用它使這組紙牌中紅色朝上（對(duì)應(yīng)比特“1”）的數(shù)量為奇數(shù)或偶數(shù)，從而確定翻動(dòng)了哪張紙牌（也保證了存儲(chǔ)或傳輸數(shù)據(jù)的正確性）。

用魔術(shù)來解釋計(jì)算機(jī)原理是不是感覺特別酷？這樣的創(chuàng)意活動(dòng)設(shè)計(jì)來自于“不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)”課程，它通過一些生動(dòng)有趣的活動(dòng)或游戲，采用開放和自主學(xué)習(xí)方式把培養(yǎng)計(jì)算思維能力融入青少年的信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)中，其創(chuàng)新點(diǎn)是不使用任何實(shí)體計(jì)算機(jī)就能達(dá)到學(xué)習(xí)“計(jì)算機(jī)科學(xué)”的目的，這也是不插電計(jì)算機(jī)科學(xué)的魅力和有趣之處。不插電計(jì)算機(jī)科學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)活動(dòng)原創(chuàng)于新西蘭Canterbury大學(xué)的教授和兩位中小學(xué)教師，他們依據(jù)實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，組織設(shè)計(jì)了豐富的教學(xué)活動(dòng)來提升思維能力。該項(xiàng)目是面向世界的信息科學(xué)技術(shù)訓(xùn)練項(xiàng)目，創(chuàng)新案例在世界范圍內(nèi)不斷充實(shí)。

有別于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)使用教程，不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)CS Unplugged著眼于：①在啟動(dòng)計(jì)算機(jī)之前先探尋、領(lǐng)悟計(jì)算機(jī)運(yùn)作及其解決問題的原理和思想，高效地使用計(jì)算機(jī)，并激發(fā)新的想法。②展示真實(shí)發(fā)生在計(jì)算機(jī)中的工作原理和工程。③通過具體的活動(dòng)指出與相關(guān)技術(shù)的聯(lián)系，理解計(jì)算機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)以及如何進(jìn)一步影響日常生活。④提高解決問題的能力。⑤培養(yǎng)計(jì)算思維（Computational Thinking）。⑥開心地學(xué)習(xí)（游戲教學(xué)）。

● 信息科技課程中不插電計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)

計(jì)算機(jī)作為一種信息自動(dòng)處理工具，不僅是工具應(yīng)用，更多的是工具處理信息的思想和方法，而且后者比前者更為重要。不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)不同于傳統(tǒng)課堂講授“如何使用計(jì)算機(jī)”，它更側(cè)重各種計(jì)算機(jī)技術(shù)原理的應(yīng)用，也并非完全展示計(jì)算機(jī)如何工作的全部細(xì)節(jié)，更多的是揭示那些被計(jì)算機(jī)科學(xué)家們運(yùn)用于設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多元化的思路和技術(shù)，把問題化繁為簡(jiǎn)，以激發(fā)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的興趣。

我所在學(xué)校的生源相對(duì)較好，學(xué)生們對(duì)信息科技也有一定興趣，由此我自2013年9月起在六年級(jí)開設(shè)了《不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)》探究課。在教學(xué)中，我深深感受到探尋、領(lǐng)悟計(jì)算機(jī)運(yùn)作及其解決問題的精妙思想并將之運(yùn)用于現(xiàn)代生活已是信息時(shí)代人們需要掌握的基本技能之一。對(duì)于初中信息科技學(xué)科來說，課本的篇幅有限，一些學(xué)生感興趣的新技術(shù)鑒于篇幅無(wú)法列入基礎(chǔ)課的教學(xué)，而計(jì)算機(jī)如何儲(chǔ)存數(shù)據(jù)又鑒于課本的篇幅有限往往不能太過深入講解，推廣開展這樣的探究課程，可以幫助開發(fā)學(xué)生的“計(jì)算思維”，從而提高其解決問題的意識(shí)和能力。

● 不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)的教學(xué)案例展示

不插電計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)法靈活應(yīng)用游戲教學(xué)的方式，以學(xué)生為主體來提高思維能力、應(yīng)用能力是其宗旨。在文章伊始提到的表演賽的頒獎(jiǎng)活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，我就以“二進(jìn)制卡片”活動(dòng)為例，進(jìn)行了簡(jiǎn)短的現(xiàn)場(chǎng)展示。

引入：根據(jù)之前信息科技課程的學(xué)習(xí)，大家都知道，計(jì)算機(jī)上所有的數(shù)據(jù)，都是采用一系列0和1的形式存儲(chǔ)和傳送的。那么只有0和1這兩個(gè)數(shù)字，怎樣展示各種形式的信息呢？其實(shí)，我們可以借助“二進(jìn)制卡片”的活動(dòng)來展示如何只用數(shù)字0和1來表示所有的數(shù)字。

（1）師準(zhǔn)備圖2的活動(dòng)卡片。

（2）師：請(qǐng)四位同學(xué)手持卡片從左到右以數(shù)字的降序依次排列展示（如圖3）。問題是：①卡片上的圖案有怎樣的規(guī)律？②如果在這些卡片的左側(cè)增加一張卡片，這張卡片上需要畫幾個(gè)點(diǎn)？③如果向左側(cè)繼續(xù)再增加一張卡片，這張新的卡片上需要畫幾個(gè)點(diǎn)？④你是依照怎樣的規(guī)律來決定剛才新增卡片上的圖案的？

（3）卡片背面朝上代表二進(jìn)制數(shù)字0，正面朝上代表二進(jìn)制數(shù)字1。計(jì)算正面朝上卡片的點(diǎn)數(shù)之和就能表示出不同的十進(jìn)制數(shù)字（如圖4）。

問題是：①圖中表示的是數(shù)字幾？②是否可以找到另一種方式來獲得數(shù)字6？③四張卡片能表示的最大數(shù)字是多少？最小數(shù)字呢？

討論：如何能表示出更大的數(shù)字？

● 不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)表演賽

中國(guó)兒童青少年威盛中國(guó)芯HTC計(jì)算機(jī)表演賽中創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽、手機(jī)應(yīng)用開發(fā)賽等賽事項(xiàng)目要求學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)和科技實(shí)踐，從創(chuàng)意到實(shí)現(xiàn)的過程，正是從原理到應(yīng)用的過程。這與不插電計(jì)算機(jī)科學(xué)的理念也是契合的，而在2014年，表演賽也將不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)作為創(chuàng)新項(xiàng)目引入進(jìn)來，并開展活動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步的探究。

不插電計(jì)算機(jī)科學(xué)中的對(duì)計(jì)算機(jī)工作原理的闡釋可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，促使其更好地參與賽事。反過來，通過參與比賽，在思考、實(shí)踐、開發(fā)和反思的過程中能夠幫助學(xué)生更好地理解和運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)，更有效地激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造力，讓學(xué)生能夠主動(dòng)探索和積極思維，從而訓(xùn)練計(jì)算思維能力，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，領(lǐng)會(huì)科學(xué)技術(shù)服務(wù)于生活、讓生活更美好的本質(zhì)。

作為信息技術(shù)教師，作為多年帶隊(duì)參賽的指導(dǎo)教師，我深感與時(shí)俱進(jìn)的必要性，愿意從多方面接觸現(xiàn)代化的、開放的信息教育理念。而計(jì)算機(jī)表演賽不斷引入的諸多項(xiàng)目緊跟信息教育發(fā)展趨勢(shì)，為學(xué)生搭建了學(xué)習(xí)、展示信息技術(shù)、交流創(chuàng)新思想的活動(dòng)舞臺(tái)，也為我們教師自我提升提供了一個(gè)平臺(tái)。