摘要：計算思維是信息技術(shù)學科的核心素養(yǎng)之一，學生計算思維的習得是需要教師根據(jù)學生認知特點和教學內(nèi)容去設計和深度挖掘的。本文針對編程模塊的Python程序結(jié)構(gòu)教學內(nèi)容，利用Turtle庫的繪圖功能，讓學生在設計圖形自動化繪制程序過程中，體驗問題分解，引導學生尋找規(guī)律，識別重復的模式，表示算法，編寫程序。在識別結(jié)構(gòu)、構(gòu)建結(jié)構(gòu)和駕馭結(jié)構(gòu)的過程中體驗和習得計算思維。

關鍵詞：Python;模式識別;編程;計算思維

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）12-0070-03

數(shù)字技術(shù)、數(shù)字經(jīng)濟是世界科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的先機，是新一輪國際競爭的重點領域，因此，提升計算思維，發(fā)展信息素養(yǎng)，成為信息技術(shù)教育的重中之中。

什么是計算思維？計算思維是利用計算機科學的基本概念解決問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為的思維活動。它包括問題分解、物理世界的抽象（根據(jù)需要把物理世界的信息抽象成計算機能夠理解的數(shù)字信息）、尋找規(guī)律、識別模式、設計算法。計算思維的培養(yǎng)方式與途徑有很多，編程是學生習得計算思維的重要途徑之一，計算思維和編寫代碼是計算機程序解決問題的兩個重要環(huán)節(jié)，計算思維在前，編寫代碼在后。目前，義務教育階段的信息技術(shù)課中已經(jīng)有了編程模塊，不管是圖形化編程還是代碼編程，教師都要引導學生體驗問題分解、現(xiàn)實抽象、模式識別、算法設計、程序排錯等過程，培養(yǎng)學生計算思維。

浙江省義務教育教科書《信息技術(shù)》八上的學習內(nèi)容是Python程序設計，因此，筆者結(jié)合第二單元“Python程序基本結(jié)構(gòu)”的教學內(nèi)容，嘗試利用Turtle模塊設計程序自動繪制圖形，在識別、構(gòu)建和駕馭結(jié)構(gòu)的過程中幫助學生習得計算思維。

● 過程可視，識別結(jié)構(gòu)

學習編程，首先要理解程序執(zhí)行過程。為了讓學生快速入門，教師可通過編寫畫圖程序，使程序執(zhí)行過程可視化，在可視化的條件下幫助學生更好地理解程序的結(jié)構(gòu)。

任務1：編程畫一個等邊三角形。

通過任務分析，總結(jié)出畫等邊三角形的步驟如下：先把畫三角形的問題分解為畫邊和轉(zhuǎn)角兩個子問題，然后表示成算法，最后編寫程序（如圖1）。程序運行就能看到三角形繪制的全過程，從而理解順序結(jié)構(gòu)，明白程序是由上到下依次執(zhí)行的。

如果用同樣的方法編程畫一個正方形、正六邊形、正六十邊形，代碼行數(shù)就會不斷增加，創(chuàng)設認知沖突引入循環(huán)結(jié)構(gòu)。

通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，畫邊、轉(zhuǎn)角、延時的代碼一樣，不同的是轉(zhuǎn)角的參數(shù)與代碼行數(shù)不同。

教師引導學生找出程序中重復執(zhí)行的代碼，作為循環(huán)體根據(jù)循環(huán)流程用For循環(huán)編程，編寫出程序（如圖2），體會循環(huán)結(jié)構(gòu)對減少代碼冗余的作用，并引導學生對比程序執(zhí)行的過程，理解循環(huán)結(jié)構(gòu)與順序結(jié)構(gòu)中的程序執(zhí)行過程其實是一樣的，只是循環(huán)結(jié)構(gòu)控制了循環(huán)體的執(zhí)行次數(shù)。

同樣，要求學生修改圖中程序的參數(shù)畫一個正方形、正六邊形、正六十邊形。在For循環(huán)程序中，只需修改循環(huán)次數(shù)和轉(zhuǎn)角度數(shù)，就能完成相應的圖形繪制，調(diào)試程序修改參數(shù)非常方便。

● 尋找規(guī)律，構(gòu)建結(jié)構(gòu)

任務1中代碼的重復是一個非常簡單的重復模式，通過前面修改循環(huán)次數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度可以畫出多種不同的正多邊形，引導學生觀察，找出繪制不同多邊形程序中的相同點和不同點，分析轉(zhuǎn)角的度數(shù)與邊數(shù)的關系，思考如何使程序變成一個能繪制任意正多邊形的程序。

運用變量來概括性描述規(guī)律，尋找重復模式，是構(gòu)建循環(huán)的利器。這里的變量就像數(shù)學中用字母表示數(shù)一樣，有助于揭示概念或規(guī)律的本質(zhì)特征，實現(xiàn)對一類問題的抽象。

教師可引導學生通過觀察與分析，明確畫正多邊形的每次轉(zhuǎn)角的度數(shù)，即外角的度數(shù)。外角的大小可以從內(nèi)角和定理180-（n-2）*180/n推導出。也可以這樣推導：正多邊形的外角和為360度，旋轉(zhuǎn)一周回到起始位置，n條邊，旋轉(zhuǎn)n次，每次旋轉(zhuǎn)的角度就是360/n。這樣，程序就能根據(jù)n的取值畫出相應的正多邊形，變量n就泛指大于3的任何整數(shù)。

任務2：編程畫出圖3中的某一個圖形。

在拆解復雜問題時，需要遵循置頂向下的原則，從宏觀到中觀，從中觀再到微觀，尋找規(guī)律，識別重復模式。圖3（a）可以理解為一個正三角形重復旋轉(zhuǎn)4次而形成的，因此把宏觀的圖形的問題分解為畫正三角形和旋轉(zhuǎn)角度兩個中觀問題，由此構(gòu)建外循環(huán)，再考慮中觀的正三角形的實現(xiàn)，構(gòu)建內(nèi)循環(huán)。

由圖3（a）遷移可知，圖3（b）可以看成由正五邊形等角旋轉(zhuǎn)5次而成;圖3（c）可理解為正六邊形等角旋轉(zhuǎn)6次而成，由于有幾條邊重合，有點難以辨別。

通過分析發(fā)現(xiàn)3個圖形的繪制方法相同，可以理解為一個正多邊形經(jīng)過多次重復等角旋轉(zhuǎn)而成，從而形成一個統(tǒng)一的重復模式，流程圖與程序如下頁圖4所示。

● 封裝提取，駕馭結(jié)構(gòu)

應用計算思維解決問題是培養(yǎng)計算思維的重要途徑和最佳方式，臨近期末，創(chuàng)客社團需要通過激光雕刻制作一批社團考核展示牌，在激光雕刻之前需要設計圖形（如下頁圖5）。

任務3：編寫自動化繪制社團展示牌的程序。

一批展示牌，具體數(shù)量暫時不定，要求程序能根據(jù)具體要求快速繪制出所需要圖形。通過觀察分析發(fā)現(xiàn)，展示牌都是由LOGO、星級、社團名和矩形框元素組成，其中LOGO圖、星級數(shù)量和社團名各不相同。由此決定把四個元素的程序分別封裝到自定義函數(shù)print_rectangle（）、print_logo（）、print_star（）和print_name（）中，對可變的元素分別通過傳送參數(shù)的方式進行改變。

有了元素的自定義函數(shù)，只要確定好每個元素的繪制位置就能把展示牌圖案繪制出來。

根據(jù)展示牌案樣式中各元素的相對位置，以外框的左下角位置（x，y）為參照點，內(nèi)框的左下角位置為（x+10，y+10），LOGO繪制位置為（x+60，y+75），組名繪制的起始點位置為（x+120，y+55），星星從（x+260，y+40）繪制位置開始畫，每畫完一個向左移動30。

把組名、星級、LOGO類型分別按順序添加到列表中，在循環(huán)中引用列表中的值作為參數(shù)傳給自定義函數(shù)，輸入想繪制的展示牌的行數(shù)與列數(shù)，就能繪制出想要的所有展示圖案（如圖6）。

計算思維能幫助我們理解計算機世界和AI背后的運行機理，掌握解決大規(guī)模復雜問題的思考方法。“計算思維的內(nèi)涵其實就是一種轉(zhuǎn)換，是人類理解向著機器執(zhí)行之間的轉(zhuǎn)換，是復雜問題解決向著機器基本操作的轉(zhuǎn)換”，需要運用分層、抽象、封裝和迭代去構(gòu)建結(jié)構(gòu)，設計算法，在平時的教學中，還需要教師去挖掘程序算法與數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)之美。

參考文獻：

[1]諸葛越.未來算法：下一個十年贏在計算思維[M].北京：中信出版社，2021，6.

[2]費海明.回歸本源：再論信息技術(shù)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成[R].寧波：江北教育局教研室，2021，11.

作者簡介：劉宏中（1970—），男，高級教師，浙江省初中信息技術(shù)教材編委。