王 芳 陳仕洪

一、引言

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)。具備計(jì)算思維的學(xué)生能對(duì)問題進(jìn)行抽象、分解、建模，并通過設(shè)計(jì)算法形成解決方案；能嘗試模擬、仿真、驗(yàn)證解決問題的過程，反思、優(yōu)化解決問題的方案，并將其遷移運(yùn)用于解決其他問題。［1］

國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）聯(lián)合計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）共同給出計(jì)算思維操作性定義：計(jì)算思維是一個(gè)問題解決的過程，該過程包括確認(rèn)問題、分析數(shù)據(jù)、抽象、設(shè)計(jì)算法、選擇最優(yōu)方案、遷移推廣6大要素。

結(jié)合信息技術(shù)解決一般性問題的具體特點(diǎn)，我們認(rèn)為，一般性問題解決中的計(jì)算思維培養(yǎng)應(yīng)該具備若干特定要素（如下頁表1所示）。

表1 一般性問題解決中的計(jì)算思維培養(yǎng)應(yīng)具備的要素

中小學(xué)信息技術(shù)非程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容存在大量計(jì)算思維培養(yǎng)的核心要素。北京市特級(jí)教師李冬梅認(rèn)為，中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)需要從學(xué)科價(jià)值、思維方式的角度重新組織教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生即使不編寫程序，只是運(yùn)用現(xiàn)成的技術(shù)和軟件工具去解決問題，也屬于計(jì)算思維的參與過程。［2］

也就是說，在表格處理、動(dòng)畫制作、網(wǎng)頁制作等軟件學(xué)習(xí)中，學(xué)生借助工具解決問題，感受計(jì)算機(jī)處理問題的過程，可以提升應(yīng)用信息技術(shù)解決問題的意識(shí)，發(fā)展計(jì)算思維。

本研究的一般性問題解決指在中小學(xué)信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)過程中，使用計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件計(jì)算思維解決問題、完成任務(wù)、設(shè)計(jì)項(xiàng)目等。一般性問題解決的步驟、方法究竟如何體現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)的基本要求呢？

中小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)往往采用遞進(jìn)式的設(shè)計(jì)，各個(gè)任務(wù)的設(shè)計(jì)均可以滲透計(jì)算思維的培養(yǎng)，或者說可以按照計(jì)算思維培養(yǎng)的要求去設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)。另外，中小學(xué)信息技術(shù)課程中不同應(yīng)用軟件都有其特有的功能和操作特征，并且對(duì)應(yīng)不同類型問題的解決，其培養(yǎng)計(jì)算思維的內(nèi)容和方法也各有側(cè)重。下面以表格數(shù)據(jù)處理為例闡述如何在一般性問題解決中培養(yǎng)計(jì)算思維。

二、基于計(jì)算思維培養(yǎng)的表格數(shù)據(jù)處理教學(xué)案例

表格數(shù)據(jù)處理是中小學(xué)信息技術(shù)課程中的常見內(nèi)容，本課例《公式與函數(shù)》選自蘇教版教材《初中信息技術(shù)》第3 章第2 節(jié)。本課的主要任務(wù)是學(xué)習(xí)公式及常用函數(shù)的使用，是后期學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)挖掘與分析的基礎(chǔ)。本案例圍繞在電子表格中模擬拋硬幣實(shí)驗(yàn)展開，在明確問題的基礎(chǔ)上分析問題、抽象數(shù)據(jù)；再選用合適的結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)，從而將問題轉(zhuǎn)換成可以用計(jì)算機(jī)解決的問題，為自動(dòng)化執(zhí)行奠定基礎(chǔ)；最后遷移推廣，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題。

（一）界定問題

根據(jù)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對(duì)計(jì)算思維的解讀，問題界定是關(guān)鍵要素之一，是指向計(jì)算思維培養(yǎng)的問題解決的起點(diǎn)。

本節(jié)課的主要任務(wù)是用電子表格模擬拋硬幣實(shí)驗(yàn)。學(xué)生要先明確拋硬幣實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，以及在拋硬幣實(shí)驗(yàn)中會(huì)得到哪些結(jié)果，需要統(tǒng)計(jì)哪些結(jié)果，拋硬幣實(shí)驗(yàn)的目的是什么，等等。唯有對(duì)課堂問題有清晰的認(rèn)識(shí)，才能更好地設(shè)計(jì)問題解決方案，感受計(jì)算機(jī)解決問題的過程，發(fā)展計(jì)算思維。

根據(jù)本研究對(duì)計(jì)算思維的關(guān)鍵要素的規(guī)定，解決問題的過程先是界定問題，即明確一個(gè)能夠用計(jì)算機(jī)來處理的問題，再針對(duì)該問題分析和組織數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)合理的算法以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化解決方案，最后對(duì)解決方案進(jìn)行總結(jié)。

（二）分析數(shù)據(jù)，抽象特征

通過對(duì)問題的確認(rèn)，讓學(xué)生明確本節(jié)課的主要目標(biāo)，即用電子表格來模擬拋硬幣實(shí)驗(yàn)。有了明確的問題，下一步需要分析如何用電子表格工具來模擬拋硬幣實(shí)驗(yàn)的過程，收集實(shí)驗(yàn)中可能需要收集的數(shù)據(jù)。

在表格中模擬拋硬幣的過程可以分解為：

1.規(guī)劃工作表，設(shè)計(jì)合理的字段名；

2.生成隨機(jī)數(shù)表示硬幣是正面向上或者反面向上（0表示反面，1表示正面）；

3.模擬多次拋硬幣過程；

4.統(tǒng)計(jì)正面向上和反面向上的次數(shù)；

5.計(jì)算正面向上和反面向上次數(shù)的比值。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下問題鏈來引導(dǎo)學(xué)生思考，尋找解決方案（如表2所示）。

表2 拋硬幣實(shí)驗(yàn)問題鏈

通過以上幾個(gè)問題，學(xué)生明確了拋硬幣實(shí)驗(yàn)中需要用到的數(shù)據(jù)，進(jìn)而思考這些數(shù)據(jù)如何產(chǎn)生，如何用電子表格來存儲(chǔ)，如何統(tǒng)計(jì)匯總正面（反面）向上的次數(shù)等問題。

在此環(huán)節(jié)中，通過對(duì)問題的分析，學(xué)生能夠明確問題解決過程中需要收集和處理的數(shù)據(jù)，明確分析數(shù)據(jù)的目的是為了合理地組織數(shù)據(jù)和為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的邏輯化組織奠定基礎(chǔ)。

（三）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化

分析數(shù)據(jù)的目的是結(jié)構(gòu)化組織數(shù)據(jù)，并以此設(shè)計(jì)解決問題的算法。在上一個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生已經(jīng)分析了模擬拋硬幣實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，接下來應(yīng)對(duì)照工作表的規(guī)劃，設(shè)計(jì)合理的工作表標(biāo)題名和字段名。

本環(huán)節(jié)的主要目的是將問題抽象成表格。唯有經(jīng)過抽象，才能將現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)化成可以用計(jì)算機(jī)解決的符號(hào)或系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

（四）設(shè)計(jì)自動(dòng)化解決方案

自動(dòng)化解決是計(jì)算思維的核心，只有將問題轉(zhuǎn)換成可以用計(jì)算機(jī)或其他工具解決的方案才能體現(xiàn)計(jì)算思維的意義。本案例中主要是生成隨機(jī)數(shù)，將1（0）與正面（反面）對(duì)應(yīng)起來，并統(tǒng)計(jì)出正面或反面的次數(shù)，主要借助RANDBETWEEN（最小整數(shù)，最大整數(shù)）、IF（測(cè)試條件，真值，假值）以及COUNTIF（數(shù)據(jù)區(qū)，條件）三個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。這一環(huán)節(jié)讓學(xué)生經(jīng)歷自動(dòng)化計(jì)算的過程，感受自動(dòng)化計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生樹立用計(jì)算機(jī)解決問題的意識(shí)，形成計(jì)算思維。

（五）遷移推廣

將所學(xué)知識(shí)推廣應(yīng)用，是遷移能力的體現(xiàn)。本環(huán)節(jié)依然圍繞拋硬幣實(shí)驗(yàn)展開，提出一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題：一次拋硬幣是否能夠代表概率問題？并基于此設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)子問題：

問題1：如何模擬多次拋硬幣實(shí)驗(yàn)？

問題2：如何統(tǒng)計(jì)多次拋硬幣實(shí)驗(yàn)中正面向上和反面向上的次數(shù)？

這個(gè)環(huán)節(jié)主要考查的是學(xué)生對(duì)已有知識(shí)填充柄工具的應(yīng)用，以及COUNTIF（單元格區(qū)域，“正面”）函數(shù)的應(yīng)用。本節(jié)課中學(xué)生已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何統(tǒng)計(jì)一次拋硬幣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在此，推廣至統(tǒng)計(jì)多次拋硬幣的結(jié)果，加深了對(duì)COUNTIF函數(shù)的理解，實(shí)現(xiàn)了對(duì)課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的檢驗(yàn)，也是對(duì)該技能的遷移應(yīng)用。

三、總結(jié)

本節(jié)課圍繞拋硬幣實(shí)驗(yàn)展開，經(jīng)歷計(jì)算思維培養(yǎng)的主要過程，即界定問題、分析數(shù)據(jù)、抽象特征、結(jié)構(gòu)化組織數(shù)據(jù)、自動(dòng)化解決方案和遷移推廣（如圖1 所示）。在該項(xiàng)目實(shí)踐中學(xué)生感受計(jì)算機(jī)處理問題的過程，在拋硬幣實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象描述中培養(yǎng)學(xué)生問題分析能力，在工作表的規(guī)劃中培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，在數(shù)據(jù)處理中培養(yǎng)學(xué)生的算法實(shí)現(xiàn)能力，在對(duì)拋硬幣實(shí)驗(yàn)完整過程的總結(jié)歸納中培養(yǎng)學(xué)生的遷移應(yīng)用能力。

圖1 計(jì)算思維培養(yǎng)的過程