周燕 孫波

摘要：本文強(qiáng)調(diào)了計(jì)算思維在中小學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能中的重要性，提出要突破學(xué)段限制，將計(jì)算思維培養(yǎng)納入整個(gè)基礎(chǔ)教育視野，重視培養(yǎng)目標(biāo)的學(xué)段連續(xù)性和進(jìn)階發(fā)展。文章還以密碼驗(yàn)證問題為例，遵循“解決簡單問題—典型問題—普遍問題”這一線索，合理設(shè)計(jì)和實(shí)施了相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：密碼驗(yàn)證問題；信息科技；核心素養(yǎng)；計(jì)算思維；學(xué)段銜接

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）10-0015-04

計(jì)算思維是信息科技（技術(shù)）核心素養(yǎng)的重要體現(xiàn)，是中小學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能的顯著表征。學(xué)生能最終形成以計(jì)算思維來理解和解決問題的素養(yǎng)，需要教師在小學(xué)、初中、高中三個(gè)學(xué)段進(jìn)行連續(xù)和貫通的培養(yǎng)，即突破學(xué)段限制，將計(jì)算思維培養(yǎng)放在整個(gè)基礎(chǔ)教育視野中，深入理解計(jì)算思維在不同學(xué)段培養(yǎng)目標(biāo)的區(qū)別與聯(lián)系，從而合理設(shè)計(jì)和實(shí)施相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)。

算法學(xué)習(xí)是發(fā)展計(jì)算思維的重要途徑，本文嘗試以編程解決密碼驗(yàn)證問題為例，對標(biāo)計(jì)算思維在不同學(xué)段的發(fā)展目標(biāo)，探究核心素養(yǎng)目標(biāo)導(dǎo)向的信息科技（技術(shù)）課程教學(xué)。

計(jì)算思維的內(nèi)涵與階段培養(yǎng)目標(biāo)

1.課標(biāo)分析

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“義教新課標(biāo)”）與《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“高中新課標(biāo)”），對計(jì)算思維的內(nèi)涵分別闡述如下：

義教新課標(biāo)：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。具備計(jì)算思維的學(xué)生，能對問題進(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。

高中新課標(biāo)：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。具備計(jì)算思維的學(xué)生，在信息活動中能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)；通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案；總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中。

可以看出，在義務(wù)教育和高中學(xué)段，學(xué)生均需經(jīng)歷計(jì)算思維的全過程，具體表現(xiàn)如下頁圖1所示。

分析計(jì)算思維解決問題的過程，需要教師把握不同學(xué)段的培養(yǎng)目標(biāo)，掌握不同學(xué)段相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的“難度”設(shè)計(jì)，這樣才能讓學(xué)生的思維形成階梯式提升，既不盲目拔高，又不會無效重復(fù)。因此，首先要明晰計(jì)算思維在小學(xué)、初中、高中三個(gè)學(xué)段的階段培養(yǎng)目標(biāo)（如下表）。

2.學(xué)段培養(yǎng)目標(biāo)梳理

分析表1，可以梳理出以下計(jì)算思維學(xué)段培養(yǎng)目標(biāo)的發(fā)展路徑（如圖2）。

根據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，以問題復(fù)雜度來對比計(jì)算思維在小初高三個(gè)學(xué)段的培養(yǎng)目標(biāo)，可用簡單問題、典型問題、普遍問題（或真實(shí)問題）做階段劃分，學(xué)生經(jīng)歷了從整體認(rèn)知到典例分析，再到底層實(shí)現(xiàn)的過程，即在問題復(fù)雜度依次升級迭代的過程中，完成計(jì)算思維進(jìn)階發(fā)展。

密碼驗(yàn)證問題的學(xué)段解決方案示例

密碼驗(yàn)證問題是義教和高中課堂教學(xué)中常見的案例，教學(xué)對象不同，問題的規(guī)模和原理呈現(xiàn)程度也不同，因此，應(yīng)根據(jù)計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)合理的教學(xué)目標(biāo)。

1.小學(xué)：會將復(fù)雜問題“分解”或“簡化”為簡單問題

小學(xué)階段從列舉生活中的密碼驗(yàn)證問題入手，分析密碼驗(yàn)證的過程，利用圖形化編程工具解決簡單問題，可設(shè)計(jì)如下教學(xué)目標(biāo)：

①能將密碼驗(yàn)證問題分解為輸入—判斷—輸出三個(gè)步驟。

②明確各步驟中的數(shù)據(jù)關(guān)系，將生活問題抽象為數(shù)理邏輯問題。

③能用自然語言或流程圖描述解決方案。

④編程實(shí)現(xiàn)算法，并嘗試優(yōu)化問題解決方案。

下頁圖3給出了初級算法和進(jìn)階算法的參考代碼。

小學(xué)階段注重生活體驗(yàn)，初步學(xué)習(xí)從真實(shí)問題中抽象特征，將復(fù)雜問題“分解”或“簡化”為簡單問題并編程解決?？梢暬姆e木塊封裝了絕大部分的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，復(fù)雜問題以步驟或模塊的形式呈現(xiàn)出來，學(xué)生能將精力集中于算法關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，對問題解決方案形成初步認(rèn)知。

因?yàn)橐呀?jīng)有了利用圖形化編程工具解決簡單密碼驗(yàn)證問題的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，學(xué)生應(yīng)能遷移解決紅綠燈、迷宮游戲、成語大賽、計(jì)算比賽、小型開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等類似問題。

2.初中：能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)較完善的算法，解決典型問題

初中階段解決密碼驗(yàn)證問題，應(yīng)分析生活中的真實(shí)情境，確定典型需求，在“輸入—判斷—輸出”三個(gè)步驟的基礎(chǔ)上，將問題進(jìn)一步分解，實(shí)現(xiàn)設(shè)定密碼強(qiáng)度、限制驗(yàn)證次數(shù)、實(shí)現(xiàn)多重密碼等功能。此外，還要實(shí)現(xiàn)從圖形化編程到Python代碼編程的過渡?？梢栽O(shè)計(jì)如下教學(xué)目標(biāo)：

①能細(xì)化密碼驗(yàn)證問題的各個(gè)環(huán)節(jié)，明確典型問題。

②抽象建模，設(shè)計(jì)算法并編程實(shí)現(xiàn)。

③能追蹤數(shù)據(jù)在算法中的變化，根據(jù)實(shí)際問題優(yōu)化算法。

④遷移解決同類典型問題。

圖4給出了參考流程圖及部分代碼示例。

初中階段學(xué)生逐步建立理性思維，能對步驟和環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)化，并能理解更復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系。Python語言的代碼編程方式有助于學(xué)生進(jìn)一步理解計(jì)算機(jī)解決問題的過程，其豐富的模塊庫又適當(dāng)降低了編程難度，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)較完善的算法，解決典型問題。

因?yàn)橛羞^利用Python編程解決密碼驗(yàn)證問題的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，學(xué)生應(yīng)能遷移解決身份證號識別、賬號密碼匹配、石頭剪刀布游戲、垃圾分類、智能家居模擬等類似問題。

3.高中：逐步求精，能以形式化方式描述和解決普遍問題

高中階段解決密碼驗(yàn)證問題，應(yīng)在“輸入—判斷—輸出”三個(gè)步驟的基礎(chǔ)上，熟練分解問題并細(xì)化求精，抽象特征，以形式化的方式描述問題，總結(jié)字符密碼、圖像密碼、人臉識別、指紋聲音識別等生物密碼的解決規(guī)律，初步以模塊化思想設(shè)計(jì)算法?？梢栽O(shè)計(jì)如下教學(xué)目標(biāo)：

①能分析生活中真實(shí)的密碼驗(yàn)證問題，明確各環(huán)節(jié)問題特征，抽象建模，以形式化方式設(shè)計(jì)并描述算法。

②能對算法各環(huán)節(jié)進(jìn)一步求精，還原真實(shí)問題解決過程。

③以數(shù)字化手段獲取、分析或組織數(shù)據(jù)，靈活應(yīng)用經(jīng)典算法優(yōu)化解決方案。

④遷移解決同類較復(fù)雜問題。

下頁圖5給出了人臉識別程序的模塊化設(shè)計(jì)及部分功能流程圖。

高中階段學(xué)生知識儲備與生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步豐富，有能力對算法進(jìn)一步求精，最大程度還原真實(shí)問題。能綜合義教學(xué)段編程解決問題的學(xué)習(xí)積累，初步形成自頂向下、逐步求精的模塊化程序設(shè)計(jì)思路。針對復(fù)雜問題，應(yīng)能以形式化的方式描述算法，借助Python庫函數(shù)或功能模塊等“部分封裝”方式實(shí)現(xiàn)算法，并能調(diào)整和設(shè)置關(guān)鍵數(shù)據(jù)，完善“半成品”程序。

計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)的學(xué)段銜接理解

計(jì)算思維是學(xué)生理解信息社會的必備素養(yǎng)，學(xué)生從小學(xué)到高中，逐步經(jīng)歷解決簡單問題、典型問題、普遍問題的學(xué)習(xí)過程。從技術(shù)角度看，這是抽絲剝繭、認(rèn)識和掌握工作原理的過程；從思維方式看，是逐漸建立整體和系統(tǒng)的觀點(diǎn)，以結(jié)構(gòu)化和形式化思路理解信息社會的過程。

1.教學(xué)案例的“難度”應(yīng)體現(xiàn)學(xué)段特點(diǎn)

計(jì)算思維培養(yǎng)相關(guān)教學(xué)案例的選取應(yīng)體現(xiàn)小學(xué)到高中的進(jìn)階和高中向小學(xué)的兼容。即便解決同一問題（如密碼驗(yàn)證問題），高中信息技術(shù)教學(xué)在問題規(guī)模、技術(shù)復(fù)雜度、算法完善性等方面都應(yīng)考慮學(xué)生在義教學(xué)段的已有基礎(chǔ)，選好“普遍問題”這一教學(xué)起點(diǎn)，體現(xiàn)學(xué)段特點(diǎn)，避免將高中信息課上成初中甚至是小學(xué)信息科技課；同理，義教信息科技的教學(xué)也不能盲目拔高，要考慮學(xué)生的知識儲備，適當(dāng)展示過程和細(xì)節(jié)，以簡單問題或典型問題來模擬真實(shí)問題。

2.算法實(shí)現(xiàn)的“精度”應(yīng)實(shí)現(xiàn)趨向底層

義教“信息科技”將算法作為六條邏輯主線之一，并給出了如下發(fā)展脈絡(luò)：問題的步驟分解—算法描述、執(zhí)行與效率—解決問題的策略或方法。在高中階段，則應(yīng)在算法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)“精度”上實(shí)現(xiàn)躍升，即要關(guān)注更底層技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，如簡單密碼驗(yàn)證問題，小學(xué)僅需判斷用戶的鍵盤輸入與“123Abc”是否相等，初中要關(guān)注程序如何讀取鍵盤輸入，高中則要關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)字符串的逐字比較——隨著學(xué)段的升高，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的“精度”也更趨精細(xì)化，更接近底層。

在中小學(xué)階段，學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)是其數(shù)字素養(yǎng)與技能提升的重要決定因素，并能為其更好地理解和建設(shè)信息社會打下基礎(chǔ)。同時(shí)，計(jì)算思維的培養(yǎng)也是實(shí)現(xiàn)科技自主可控和原始創(chuàng)新的重要保證。信息科技教學(xué)充分體現(xiàn)學(xué)段銜接，有利于學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展和提升。高中新課標(biāo)描繪了基礎(chǔ)教育階段學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展目標(biāo)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，而義教新課標(biāo)的頒布實(shí)現(xiàn)了課程的連續(xù)性，并對目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了階段劃分，建立了從義教到高中的計(jì)算思維培養(yǎng)框架，為計(jì)算思維核心素養(yǎng)培養(yǎng)提供了有力支撐。

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