程建娜 天津市濱海新區(qū)塘沽教育中心

隨著信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的提出，“計(jì)算思維”就像一盞指路燈，定位了學(xué)科價(jià)值，也讓我們看到了學(xué)科發(fā)展的方向。但是在研讀《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）中，筆者發(fā)現(xiàn)其中對(duì)計(jì)算思維的概念描述還是比較抽象，雖然明確指出“計(jì)算思維是個(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過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)”，但是，計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中的思想方法有哪些、如何發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維等諸如此類的問題仍然困擾著許多一線教師。下面，筆者以最近兩年與多位一線教師一起設(shè)計(jì)的一節(jié)課——《基于枚舉算法的問題解決》為例，從“同課異構(gòu)”的角度分析它的三個(gè)版本設(shè)計(jì)，并分享在開展計(jì)算思維教學(xué)過程中的一些理解和認(rèn)識(shí)。

● 初版：突出任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)

第一版的教學(xué)設(shè)計(jì)源自《窮舉法與問題解決》（舊版中國地圖版高中信息技術(shù)選修1算法與程序設(shè)計(jì)）一節(jié)，由塘沽十三中蔣老師執(zhí)教。蔣老師在設(shè)計(jì)這節(jié)課時(shí)還沒有接觸新課標(biāo)，所以教學(xué)思路仍沿用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，通過完成“編程打印100以內(nèi)的質(zhì)數(shù)”任務(wù)，學(xué)習(xí)新知。具體的教學(xué)過程如表1所示。

表1

本課例依據(jù)“提出任務(wù)—分析任務(wù)—完成任務(wù)”的任務(wù)驅(qū)動(dòng)思路組織教學(xué)，將枚舉算法的學(xué)習(xí)融入到任務(wù)實(shí)現(xiàn)中。但由于“打印100以內(nèi)的質(zhì)數(shù)”的問題求解比較復(fù)雜，需要經(jīng)歷兩次枚舉，所以教師在分析任務(wù)時(shí)主要考慮該任務(wù)的算法設(shè)計(jì)過程，學(xué)生在編程時(shí)大部分精力也都耗費(fèi)在循環(huán)嵌套代碼的書寫和調(diào)試上，很少再去思考任務(wù)與枚舉算法的關(guān)系。這樣，枚舉算法只在提出任務(wù)時(shí)被明確，隨后就“束之高閣”，其思想在問題解決中的實(shí)際價(jià)值在課堂中沒能得到足夠重視。

● 再版：突出枚舉算法在問題解決中的方法引領(lǐng)

2018年11月，在天津市高中信息技術(shù)課改培訓(xùn)的案例展示活動(dòng)中，筆者結(jié)合新課標(biāo)的學(xué)習(xí)，對(duì)這節(jié)課進(jìn)行了第一次迭代處理，試圖反映一些計(jì)算思維培養(yǎng)的痕跡。迭代后的設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注學(xué)生對(duì)枚舉算法思想的理解，因?yàn)楣P者認(rèn)為要培養(yǎng)學(xué)生用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法解決問題，首先要讓他們真正認(rèn)識(shí)并理解這些思想方法的本質(zhì)。修改后的教學(xué)過程如表2所示。

表2

第二版的教學(xué)設(shè)計(jì)是在原版基礎(chǔ)上進(jìn)行的修改，課堂任務(wù)沒變，但教學(xué)思路突出了對(duì)枚舉算法思想、方法和本質(zhì)的理解，并將其貫穿于分析問題、設(shè)計(jì)算法、編寫實(shí)現(xiàn)等問題解決全過程。同時(shí)，加入算法效率的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解優(yōu)化算法的必要性，整個(gè)學(xué)習(xí)相對(duì)比較系統(tǒng)。

在實(shí)際教學(xué)中，筆者和多位一線教師也感覺到上面兩個(gè)版本設(shè)計(jì)的任務(wù)較難，內(nèi)容較多，符合舊教材選修1《算法與程序設(shè)計(jì)》的教學(xué)需求，但直接遷移到新教材必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》的學(xué)習(xí)中，難度會(huì)較大。

● 三版：突出在經(jīng)歷問題解決全過程中發(fā)展計(jì)算思維

2019年9月，南開中學(xué)濱海生態(tài)城學(xué)校的李敏老師參加全國高中信息技術(shù)優(yōu)質(zhì)課展示交流活動(dòng)，筆者和李老師借此機(jī)會(huì)對(duì)這節(jié)課進(jìn)行了第二次迭代，聚焦如何設(shè)計(jì)問題解決活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。在擬定教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，我們結(jié)合新課標(biāo)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)業(yè)要求，考慮活動(dòng)當(dāng)?shù)貙W(xué)生的具體學(xué)情（學(xué)生沒有學(xué)習(xí)Python語言，不了解算法流程圖），降低了課堂中學(xué)生編程的難度，不強(qiáng)調(diào)學(xué)生編寫完整的程序，而是采用半成品的程序語句填空方式，重點(diǎn)突出對(duì)枚舉算法本質(zhì)的學(xué)習(xí)，通過“解密唐朝詩人之間關(guān)系”的項(xiàng)目研究，掌握枚舉算法求解問題的思想和過程。再改后的教學(xué)過程如下頁表3所示。

這次迭代設(shè)計(jì)，我們在項(xiàng)目任務(wù)上做了重構(gòu)，通過解密唐朝詩人關(guān)系，提供給學(xué)生一種基于數(shù)據(jù)研究唐詩或其他內(nèi)容的視角，感受用計(jì)算機(jī)解決問題的特點(diǎn)和方法。本課在第六屆全國高中信息技術(shù)優(yōu)質(zhì)課展示交流活動(dòng)中被評(píng)為示范課，李敏老師也在閉幕式上受邀做說課展示。

● 探索計(jì)算思維教育的幾點(diǎn)感悟

《基于枚舉算法的問題解決》一課的三個(gè)版本設(shè)計(jì)（如下頁圖2），清晰地展示了筆者和多位一線教師對(duì)計(jì)算思維教育從初識(shí)到探索的過程，當(dāng)然，第三個(gè)版本并不是終點(diǎn)，還有很多需要改進(jìn)的地方。迭代的過程是不斷突破已有框架的定勢進(jìn)行成長的過程，也是筆者用自己的方式探索計(jì)算思維教育、理解基于學(xué)科核心素養(yǎng)的信息技術(shù)教學(xué)的過程。

首先，筆者認(rèn)為計(jì)算思維教育不是對(duì)過去信息技術(shù)教學(xué)的完全顛覆。例如，三個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)，都強(qiáng)調(diào)了讓學(xué)生經(jīng)歷“人工枚舉→計(jì)算機(jī)枚舉”的過程，這不僅能夠加深對(duì)枚舉算法思想普適性以及模式的識(shí)別和歸納，還能幫助學(xué)生更好地理解計(jì)算機(jī)解決問題的優(yōu)勢。同時(shí)，三個(gè)設(shè)計(jì)都在用流程圖幫助學(xué)生梳理問題解決的過程，顯性化地呈現(xiàn)思維過程，加深學(xué)生對(duì)算法步驟的理解，并且都在課堂最后關(guān)注了知識(shí)的歸納與方法的遷移，引導(dǎo)學(xué)生舉一反三解決更多問題。因此，在探索指向計(jì)算思維的教學(xué)時(shí)，可以先反思以往教學(xué)中“成功”之處，對(duì)照計(jì)算思維的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行繼承和強(qiáng)化，挖掘其中深層價(jià)值并在教學(xué)中加以突破。

表3

圖2

其次，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維不是簡單地回歸“編程教學(xué)”，而是讓學(xué)生經(jīng)歷完整的問題解決過程，充分參與到分析問題、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)抽象、算法設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)中，不能只關(guān)注編程代碼是否編寫運(yùn)行成功。很多注重實(shí)踐的教師和學(xué)生會(huì)認(rèn)為前者相對(duì)比較“枯燥”，沒有動(dòng)手過程，不如后者有具體作品或程序的“成就感”，但對(duì)學(xué)生發(fā)展而言，設(shè)計(jì)出問題解決方案更具有長久價(jià)值，因?yàn)榫幊痰钠脚_(tái)和軟件可以不斷替換，但其中問題解決的方法卻具有一定的“穩(wěn)定性”，能夠內(nèi)化為思維幫助學(xué)生更好地發(fā)展、更有效地認(rèn)識(shí)世界。新課標(biāo)在必修1中加入了“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”內(nèi)容，并不是要讓每位學(xué)生通過學(xué)習(xí)成為編程專家，而是讓學(xué)生通過經(jīng)歷用計(jì)算機(jī)解決問題的過程，理解信息社會(huì)思考與問題解決的獨(dú)特方式，進(jìn)而具備數(shù)字化勝任力，更自如自信地生活。

再次，教學(xué)中要結(jié)合具體學(xué)情，嘗試從信息技術(shù)專家解決問題的視域來設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)或項(xiàng)目，關(guān)注數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的真實(shí)問題解決，讓學(xué)生在參與問題解決中，理解如何將現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化為計(jì)算模型加以解決，從中理解人與技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系。學(xué)生參與解決問題的過程，就是其知識(shí)技能學(xué)習(xí)和思維發(fā)展的過程，在此過程中，需要注意的是，如果導(dǎo)入的問題情境比較大，可以先引導(dǎo)學(xué)生聚焦小范圍問題的求解，提供給學(xué)生一種分解或簡化問題的思路。當(dāng)學(xué)生完成對(duì)指定的“某個(gè)問題”求解后，教師要順勢引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行聚類處理，思考該方法可以解決的“某類問題”，再擴(kuò)展到“可以解決的問題”，由此實(shí)現(xiàn)真正的方法內(nèi)化，進(jìn)而發(fā)展思維。

以上只是筆者與多位一線教師以枚舉算法作為切入點(diǎn)，對(duì)《基于枚舉算法的問題解決》一課進(jìn)行兩次迭代設(shè)計(jì)的實(shí)踐體會(huì)，實(shí)際上，有關(guān)計(jì)算思維教育的認(rèn)識(shí)仍在不斷發(fā)展中，計(jì)算思維的培養(yǎng)是一個(gè)長期的潛移默化的過程。作為信息技術(shù)教師，要將這種探索貫穿到整個(gè)教學(xué)過程中，在學(xué)習(xí)中實(shí)踐，在實(shí)踐中反思再改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)自身和學(xué)科的迭代發(fā)展。