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Python語言助力中小學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)

2022-09-22 07:50丁德武涂霞王美能宋前暉雷超
電腦知識與技術(shù) 2022年23期
關(guān)鍵詞:一元二次方程編程思維能力

丁德武,涂霞,王美能,宋前暉,雷超

(1.宜春學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院,江西宜春 336000;2.宜春市實驗中學(xué),江西宜春 336099;3.宜春市第六小學(xué),江西宜春 336099;4.宜春市宜陽學(xué)校,江西宜春 336099)

1 引言

計算思維(Computational Thinking)這一概念的提出最早是源自計算機科學(xué)領(lǐng)域,主要是指使用計算機科學(xué)的基本理念來解決問題的一種思維方式,其本質(zhì)是抽象和自動化[1-2]。在網(wǎng)絡(luò)信息化時代,計算思維與人們的工作、學(xué)習(xí)與生活均密切相關(guān),可以說是每個人都應(yīng)當(dāng)掌握的思維方式。

隨著人工智能時代的到來,編程教育已經(jīng)成為中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科的重要內(nèi)容。2017年,國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》(國發(fā)〔2017〕35號),要求“實施全民智能教育項目,在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程,逐步推廣編程教育”[3]。2018年,教育部印發(fā)了《教育信息化2.0行動計劃》(教技〔2018〕6號),提出了要“充實適應(yīng)信息時代、智能時代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容,……并將信息技術(shù)納入初、高中學(xué)業(yè)水平考試”[4]。這些高屋建瓴的“規(guī)劃”與“計劃”均充分說明了青少年編程教育已經(jīng)被列入到我國的基礎(chǔ)教育之中。

與此同時,計算思維也已經(jīng)逐步拓展到中小學(xué)教育領(lǐng)域,引起了全世界計算機科學(xué)家和教育工作者的積極關(guān)注,例如:國際教育技術(shù)協(xié)會、計算機科學(xué)教師協(xié)會等知名組織,微軟、谷歌、百度等知名企業(yè)都在研究計算思維如何進(jìn)入中小學(xué)教育[5]。2017年的《地平線報告(基礎(chǔ)教育版)》指出“培養(yǎng)中小學(xué)生的計算思維是21世紀(jì)一個重要的課題”[6]。自2021年起,計算思維測試也已經(jīng)被納入國際學(xué)生評估項目。我國于2018年頒發(fā)的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》也突出了計算思維的地位,把計算思維列入了信息技術(shù)學(xué)科的四個核心素養(yǎng)(即信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任),要求學(xué)生形成運用計算思維分析、解決問題的關(guān)鍵能力[7]。

然而,盡管受到了社會各界的普遍關(guān)注,如何把計算思維整合到中小學(xué)教育中仍然面臨著眾多挑戰(zhàn),例如:沒有與新課標(biāo)相配套的教材、知識系統(tǒng)性往往不強、教學(xué)方法較為單一、教學(xué)評價也不夠全面等;而C、C++、Java等傳統(tǒng)編程語言的復(fù)雜性使得計算思維能力的編程實踐尤為困難。為了將計算思維有效融入中小學(xué)教育中,我們基于Python語言來探索中小學(xué)生的計算思維能力培養(yǎng)。

2 Python語言與計算思維培養(yǎng)

Python是由荷蘭人Guido van Rossum開發(fā)的一種解釋型、面向?qū)ο蟾呒壋绦蛟O(shè)計語言,近年來在數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)、人工智能等領(lǐng)域廣受歡迎[8]。在其眾多優(yōu)點之中,“簡單易學(xué)”使得這門語言非常適合編程初學(xué)者,因而在中小學(xué)生的編程教育中獨具優(yōu)勢。

作為一種“新型”計算機語言,Python不僅語法簡潔,而且可讀性非常高。作為示例,下面給出了C、C++和Python幾種不同語言中用來交換兩個數(shù)值的函數(shù)(圖1)。如圖所示,C語言版本的數(shù)值交換函數(shù)需要解釋指針和函數(shù)的參數(shù)傳遞等復(fù)雜的概念,C++語言版本的數(shù)值交換函數(shù)則需要解釋引用這一概念,而Python版本的數(shù)值交換函數(shù)僅需要直接交換兩個變量的值即可。就簡潔性而言,Python語言的優(yōu)勢顯而易見。

圖1 C語言、C++語言和Python語言版的數(shù)值交換函數(shù)對比

另一方面,計算思維的第一功能是提出問題與設(shè)計解決問題的模型,而不僅是具體實施計算的過程。因此,在中小學(xué)基于Python語言來編寫程序,能更好地引導(dǎo)學(xué)生將注意力放到實際問題的分析和解決上,能更有效地融入計算思維的教育,進(jìn)而有助于學(xué)生激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性、提升計算思維能力。此外,隨著大數(shù)據(jù)與人工智能時代的到來,Python語言逐漸在各行各業(yè)中受到廣泛關(guān)注。因此,基于Python語言來開展中小學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)還具備鮮明的時代先進(jìn)性,更能適應(yīng)時代的要求。

綜上,Python語言不僅更加符合中小學(xué)生的編程能力,也更能適應(yīng)計算思維能力培養(yǎng)的實際需求。因此,我們使用Python語言來助力中小學(xué)生的計算思維教育,通過在中小學(xué)數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等課程中滲透計算思維的思想來提升計算思維教育的水平。

盡管對計算思維的具體定義尚存有爭議[9],但一般可以認(rèn)為計算思維就是將現(xiàn)實世界的問題轉(zhuǎn)化為能夠利用計算機處理的問題的思維模式[10]。因此,在我們的教學(xué)活動中,我們對中小學(xué)生計算思維培養(yǎng)的目標(biāo)定位為能夠利用Python語言來解決現(xiàn)實問題的能力與習(xí)慣。一般而言,我們首先通過分析數(shù)據(jù)和界定問題來明確問題的實質(zhì)。然后,可以通過分解問題和抽象特征將問題轉(zhuǎn)化為可計算化的描述方式。最后,建立模型、設(shè)計解決問題的方案和步驟并給出解決問題的Python程序。這里,通過Python語言來編寫程序、解決現(xiàn)實問題是培養(yǎng)中小學(xué)生實踐計算思維能力的關(guān)鍵所在,通過編程實踐才能將計算思維有效地融入中小學(xué)教育中。

本節(jié)將介紹幾個我們在實際教學(xué)過程中使用Python助力中小學(xué)生計算思維教育的教學(xué)案例。

3.1 案例一:人教版小學(xué)數(shù)學(xué)第十冊第2單元第27頁長方體和正方體

本案例以長方體的體積和容積設(shè)計了這樣一道題目:一個長方體玻璃容器,從里面測量長、寬均為2分米。先向容器中倒入5.5升水,再把一個蘋果放入水中,這時量得容器內(nèi)的水深是15厘米。請問這個蘋果的體積是多少?

(1)分析數(shù)據(jù)和界定問題:①現(xiàn)在的體積和5.5升水相比有變化嗎?②為什么會有這樣的變化?③它們相差的體積是誰的體積呢?經(jīng)過分析討論,我們得出該問題涉及長方體、長、寬、高、體積和容積等概念,問題的實質(zhì)是與體積計算有關(guān)(涉及單位的換算)。

(2)在分解問題和抽象特征環(huán)節(jié),問題可以分解為:①求現(xiàn)在的體積是多少;②將水的容積轉(zhuǎn)換成體積;③求蘋果的體積是多少。

(3)最后,可以使用體積計算公式來計算體積,并通過Python編程完成本題。代碼如下:

該程序輸出結(jié)果為:蘋果的體積為0.5立方分米。

3.2 案例二:人教版九年級上冊第21單元第19頁實際問題與一元二次方程

這部分內(nèi)容的主要教學(xué)目標(biāo)是:①會分析實際問題中的數(shù)量關(guān)系并會列一元二次方程;②能正確分析問題中的數(shù)量關(guān)系;③會找出實際問題中的相等關(guān)系并建模解決問題。在實際授課過程中,我們首先圍繞這些教學(xué)目標(biāo),通過視頻引入(最新勒索病毒的傳播)和圖片引入(夏季常見傳染病預(yù)防知識)等方式向?qū)W生介紹了相關(guān)知識。隨后,詳細(xì)講解了教材提供的幾個例子。

這里,我們介紹這樣一道題目:某種植物的主干長出若干數(shù)目的支干,每個支干又長出同樣數(shù)目的小分支,主干、支干和小分支的總數(shù)是91,每個支干長出多少小分支?

(1)分析數(shù)據(jù)和界定問題:這個例子和引例(一個傳染病的例子)中的數(shù)量關(guān)系有何區(qū)別?經(jīng)過分析討論,我們得出:每個樹枝只分裂一次,而每名患者每輪都傳染,進(jìn)而明確了問題本質(zhì)。

(2)分解問題和抽象特征:我們利用如下示意圖分解了每個樹枝的數(shù)量關(guān)系,并設(shè)了未知數(shù)。

圖2 某種植物主干、支干和小分支數(shù)量關(guān)系

(3)隨后,我們建立了一元二次方程模型:

1+x+x2=91,即x2+x-90=0。

并使用了Python的SymPy庫來解這個一元二次方程,這里SymPy是一個Python科學(xué)計算庫,它有一套強大的符號計算體系可用于完成諸如多項式求值、求極限、解方程等計算問題。代碼如下:

該程序輸出結(jié)果為:[-10,9]。

(4)最后,回到現(xiàn)實問題。我們檢驗了一元二次方程的根(其中-10不合題意,舍去),得到實際問題的解為9,即每個支干長出9個小分支。

3.3 案例三:人教版數(shù)學(xué)A必修第三冊第1章第1頁算法的概念

本節(jié)內(nèi)容中,在講解完算法的概念和幾個例題之后,我們給出了幾個練習(xí)題用于幫助學(xué)生鞏固相關(guān)知識。本案例介紹這樣一道練習(xí)題:寫出求一元二次方程ax2+bx+c=0根的算法。

(1)分析數(shù)據(jù)和界定問題:這個題目的目的非常明確,就是讓學(xué)生使用一元二次方程的求根公式來復(fù)習(xí)鞏固算法的概念。問題的實質(zhì)與一元二次方程的求根有關(guān)(涉及a、b、c值的輸入)。

(2)在分解問題和抽象特征環(huán)節(jié),我們寫出求該一元二次方程根的算法,如下:

第一步,計算Δ=b2-4ac;

第二步,如果Δ<0,則原方程無根;如果Δ=0,則原方程存在唯一根;否則(即Δ>0時),原方程存在兩個根:

第三步,輸出無根、唯一根(x)或兩個根(x1,x2)等相關(guān)信息;可以合并到第二步中。

(3)最后,通過Python編程完成本題。代碼如下:

若a、b、c值依次輸入為:1、-2、1,該程序輸出結(jié)果為:該方程存在唯一根x=1.0。

4 結(jié)語

每一門學(xué)科的學(xué)習(xí)思維都是在平時的學(xué)習(xí)中慢慢形成的,計算思維也是如此。要想在中小學(xué)教育(如數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等課程)中逐步滲透計算思維的培養(yǎng)教育,教師在教學(xué)過程中設(shè)置的教學(xué)內(nèi)容是十分重要的。通過研讀國家各類編程與計算思維教育方面的“規(guī)劃”與“計劃”,在正確理解這些標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)文件對計算思維能力培養(yǎng)各項要求的基礎(chǔ)上,我們對課程與教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置進(jìn)行了探索與實踐,形成了“使用Python語言助力中小學(xué)生計算思維教育”的教學(xué)改革方案。

目前,我們已經(jīng)重組了部分教學(xué)內(nèi)容,完善了相應(yīng)的教學(xué)計劃、應(yīng)用案例與教學(xué)課件等各類教學(xué)材料,初步實現(xiàn)了相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的“計算思維”主題化教育,并在宜春市實驗中學(xué)、宜春市第六小學(xué)和宜春市宜陽學(xué)校等學(xué)校的教育教學(xué)中做了嘗試。本文結(jié)合教學(xué)實踐,展示了幾個基于Python編程的中小學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)的具體教學(xué)案例,相關(guān)工作應(yīng)能夠為中小學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)提供一些參考,對中小學(xué)數(shù)學(xué)、信息技術(shù)類課程的教育教學(xué)也有一定的借鑒意義。

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