魏爍佳

藍(lán)調(diào)解碼

隨著新課程、新教材中編程教學(xué)的推進(jìn)與發(fā)展，一線教師越來(lái)越多地在計(jì)算思維培養(yǎng)模式、項(xiàng)目?jī)?nèi)容與過(guò)程設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行探索與創(chuàng)新，并小有成就，本期就讓我們分享來(lái)自一線的最新編程教學(xué)研究成果。

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將計(jì)算思維定位為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，筆者在之后也開(kāi)展了基于信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)視角的學(xué)生高階思維培養(yǎng)的教學(xué)研究與實(shí)踐。對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)，筆者認(rèn)為應(yīng)立足于夯實(shí)學(xué)生的學(xué)科思想和方法的培養(yǎng)，著力于學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)，尤其要關(guān)注學(xué)生計(jì)算思維能力的發(fā)展方向。唯有如此，才能全面提升學(xué)生的計(jì)算思維能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

信息技術(shù)學(xué)科思想和方法是學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的基礎(chǔ)

計(jì)算思維培養(yǎng)的前提在于，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)原理和信息技術(shù)學(xué)科思想和方法有深刻的認(rèn)識(shí)。這就要求教師在進(jìn)行學(xué)科教學(xué)時(shí)，不應(yīng)停留于知識(shí)和技術(shù)的淺層教學(xué)，而應(yīng)該挖掘?qū)W科教學(xué)中計(jì)算機(jī)工作原理、典型程序算法、學(xué)科理論的巧妙之處讓學(xué)生體會(huì)、理解、內(nèi)化。

為了讓學(xué)生理解比較晦澀難懂的計(jì)算機(jī)工作原理，筆者嘗試在教學(xué)過(guò)程中穿插“不插電的計(jì)算思維”的直觀教學(xué)活動(dòng)，將一些計(jì)算機(jī)原理和編程理念直觀化呈現(xiàn)。例如，結(jié)合計(jì)算機(jī)奇偶校驗(yàn)的原理與學(xué)生玩翻卡游戲，先讓學(xué)生將36張正反面分別為黑、白的卡片按6*6的排列貼在黑板上，正反面隨機(jī)放置，然后再增加13張卡片按橫縱校驗(yàn)策略（白色編碼為0，黑色編碼為1）排列，將卡片陣列變?yōu)?*7，此時(shí)筆者背對(duì)黑板，無(wú)論學(xué)生翻動(dòng)哪一張卡片筆者均能準(zhǔn)確猜出。又如，讓學(xué)生玩“聽(tīng)畫(huà)”游戲體會(huì)程序執(zhí)行的方式。筆者讓一名學(xué)生將所看到的簡(jiǎn)筆圖形描述出來(lái)并用語(yǔ)言指揮其他同學(xué)畫(huà)出這個(gè)圖形，這時(shí)學(xué)生必須抓住圖形最關(guān)鍵和最具特征的信息，用簡(jiǎn)短明確的指令來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)活動(dòng)。再如，在讓學(xué)生體會(huì)計(jì)算機(jī)并行處理的方式時(shí)，筆者讓兩組雙人搭檔的學(xué)生進(jìn)行紙筒裝球比賽，一組往只有一個(gè)開(kāi)口的紙筒裝球，另一組往兩端開(kāi)口的紙筒裝球，過(guò)程和結(jié)果顯而易見(jiàn)。

計(jì)算思維和人類(lèi)的其他思維形式一樣，隨著人類(lèi)知識(shí)與技能的提升而不斷進(jìn)步。學(xué)生如果掌握了一定的學(xué)科思想和方法，就會(huì)應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)尋求問(wèn)題解決的方法，這便是計(jì)算思維。當(dāng)然，技術(shù)是不斷發(fā)展的，新的學(xué)科概念和理念也會(huì)不斷革新，因此，除了讓學(xué)生內(nèi)化學(xué)科思想與方法，還應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、數(shù)字化學(xué)習(xí)能力。

問(wèn)題解決能力是計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵

1.計(jì)算思維解決問(wèn)題的基本模式

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)計(jì)算思維的定義較多落在“問(wèn)題解決過(guò)程中的思維”這一要點(diǎn)上。2013年，英國(guó)南安普敦大學(xué)的Cynthia Selby博士和John Woollard博士提出，計(jì)算思維包括算法思維、評(píng)估、分解、抽象、概括這五個(gè)方面的要素。2015年，國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）指出，“計(jì)算思維是一個(gè)用來(lái)解決問(wèn)題的過(guò)程，該過(guò)程包括問(wèn)題結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)分析、模型建設(shè)、算法設(shè)計(jì)、方案實(shí)施和應(yīng)用遷移等特征”。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將計(jì)算思維定義為“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(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)”。

筆者綜合國(guó)內(nèi)外研究的觀點(diǎn)，提煉出計(jì)算思維解決問(wèn)題的基本模式（如圖1）。該模式主要流程是問(wèn)題界定、方案設(shè)計(jì)、方案評(píng)估?！皢?wèn)題界定”階段將待解決的問(wèn)題進(jìn)行分解與抽象，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的表現(xiàn)形式，凸顯分解思維、抽象思維的參與;“方案設(shè)計(jì)”階段包括建立模型、數(shù)據(jù)表征、算法設(shè)計(jì)與調(diào)試三個(gè)主要環(huán)節(jié)，凸顯抽象思維、算法思維的參與;“方案評(píng)估”階段主要包括方案執(zhí)行與優(yōu)化、方案遷移，凸顯迭代思維、概括思維的參與。

2.基于問(wèn)題解決的計(jì)算思維培養(yǎng)模式

對(duì)應(yīng)計(jì)算思維解決問(wèn)題的模式，筆者再結(jié)合基于問(wèn)題（PBL）的教學(xué)策略，構(gòu)建了基于問(wèn)題解決的計(jì)算思維培養(yǎng)模式（如下頁(yè)圖2）。該模式以計(jì)算思維解決問(wèn)題的流程為軸線組織教學(xué)活動(dòng)，以教師為主導(dǎo)為學(xué)生提供“腳手架”，以學(xué)生為主體開(kāi)展自主探究學(xué)習(xí)。教師以指導(dǎo)者、輔助者角色創(chuàng)設(shè)相關(guān)的問(wèn)題情境，預(yù)先設(shè)計(jì)支持學(xué)生解決問(wèn)題的各種信息條件和工具，指導(dǎo)學(xué)生診斷錯(cuò)誤。學(xué)生作為課堂教學(xué)的主體，在界定問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中掌握計(jì)算思維解決問(wèn)題的一般方法，逐步將計(jì)算思維習(xí)慣內(nèi)化，強(qiáng)化解決問(wèn)題的能力。

下面，筆者以八年級(jí)《凱撒密碼》一課的教學(xué)為例，介紹基于問(wèn)題的計(jì)算思維培養(yǎng)是如何開(kāi)展的。課堂的第一環(huán)節(jié)，筆者創(chuàng)設(shè)利用Python編程實(shí)現(xiàn)古代的“凱撒密碼”加密、解密方法的問(wèn)題情境;第二環(huán)節(jié)，結(jié)合明文、密文、密鑰等學(xué)科概念，筆者引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換待解決的問(wèn)題為：建立明文英文字母與密文英文字母之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系;第三環(huán)節(jié)，學(xué)生開(kāi)展討論，根據(jù)Python數(shù)據(jù)類(lèi)型知識(shí)，以“字典”數(shù)據(jù)類(lèi)型結(jié)構(gòu)中的“鍵”和“值”建立明文、密文對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)模型;第四環(huán)節(jié)，學(xué)生兩兩搭檔合作，進(jìn)行加密、解密算法，即從“鍵”查找“值”及從“值”查找對(duì)應(yīng)“鍵”的算法的設(shè)計(jì)和調(diào)試;第五環(huán)節(jié)，學(xué)生分析“凱撒密碼”的不足之處，提出優(yōu)化加密算法的設(shè)想并進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn);第六環(huán)節(jié)，交流評(píng)價(jià)，由“凱撒密碼”加密、解密算法的方法與思想，概括出字典型替換加密的一般方法，再遷移該方案探究包括漢字在內(nèi)的一般信息的加密以及生活中不借助計(jì)算機(jī)的信息加密傳遞方法。

問(wèn)題是促發(fā)思維的關(guān)鍵，對(duì)于如何有效創(chuàng)設(shè)針對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)的問(wèn)題，筆者也進(jìn)行了探索和實(shí)踐，主要包括在現(xiàn)實(shí)生活中創(chuàng)設(shè)問(wèn)題、在游戲編程中創(chuàng)設(shè)問(wèn)題、結(jié)合計(jì)算機(jī)科學(xué)的典型算法創(chuàng)設(shè)問(wèn)題等。例如，對(duì)于“如何制作家庭用電的階梯式計(jì)費(fèi)程序？”這個(gè)問(wèn)題，筆者將復(fù)雜問(wèn)題一層層傳遞轉(zhuǎn)化為一個(gè)易解決的問(wèn)題，再一層層歸結(jié)到原問(wèn)題解決的遞歸思想和方法遷移到其他問(wèn)題的解決。

未來(lái)的世界必定是高度人工智能化的世界。人的計(jì)算思維的提升，并不是讓人像機(jī)器一樣思考，而是讓人更理解人工智能并與人工智能更好地相處和協(xié)作，達(dá)到人與機(jī)器互補(bǔ)的美好狀態(tài)。在計(jì)算思維的培養(yǎng)過(guò)程中教師要鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)方案不斷迭代優(yōu)化，以更開(kāi)闊的眼界和高遠(yuǎn)的站位讓設(shè)計(jì)臻于完美。