在中小學信息科技課堂中開展不插電的計算機科學教學的應用研究

竇穎

● 不插電的計算機科學

2014年8月，在第23屆中國兒童青少年威盛中國芯HTC計算機表演賽頒獎典禮現場，魔術師表演的翻牌魔術引發了高潮。魔術師面向觀眾，站在他背后的同學無論怎么翻動紙牌，魔術師轉過身都能很快辨認出是哪張紙牌被翻動了（如圖1），隨后筆者被邀請上臺做了魔術揭秘，作為一名教師，我怎么知道“魔法”的真相呢？其實，這個小魔術是與計算機數據糾錯知識相關的。

眾所周知，計算機中的數據是采用比特（二進制數字）的形式存儲或傳送的，它們一般是不會發生改變的，不過有時一些故障也會導致數據突然改變，有時可能只是CD表面的小劃痕就會把0變成了1，那么我們要怎樣才不用擔心發生這些意外呢？科學家發明了一種計算機自動檢測數據中的錯誤并自動修復的方法──奇偶校驗（parity）。

聽起來是不是挺神秘的？其實，魔術中的雙面紙牌（正面紅色，背面藍色）對應了計算機中的比特（0或1），根據紅色紙牌朝上（對應比特“1”）的數量是奇數或偶數來進行判斷（校驗）。而采用何種判斷方式（校驗）是事先規定好的（即紅色紙牌朝上的數量是奇數還是偶數），通過設置奇偶校驗位（即魔術師會增加一些紙牌），用它使這組紙牌中紅色朝上（對應比特“1”）的數量為奇數或偶數，從而確定翻動了哪張紙牌（也保證了存儲或傳輸數據的正確性）。

用魔術來解釋計算機原理是不是感覺特別酷？這樣的創意活動設計來自于“不插電的計算機科學”課程，它通過一些生動有趣的活動或游戲，采用開放和自主學習方式把培養計算思維能力融入青少年的信息技術課程學習中，其創新點是不使用任何實體計算機就能達到學習“計算機科學”的目的，這也是不插電計算機科學的魅力和有趣之處。不插電計算機科學的教學設計活動原創于新西蘭Canterbury大學的教授和兩位中小學教師，他們依據實際教學經驗，組織設計了豐富的教學活動來提升思維能力。該項目是面向世界的信息科學技術訓練項目，創新案例在世界范圍內不斷充實。

有別于傳統的計算機使用教程，不插電的計算機科學CS Unplugged著眼于：①在啟動計算機之前先探尋、領悟計算機運作及其解決問題的原理和思想，高效地使用計算機，并激發新的想法。②展示真實發生在計算機中的工作原理和工程。③通過具體的活動指出與相關技術的聯系，理解計算機技術的設計以及如何進一步影響日常生活。④提高解決問題的能力。⑤培養計算思維（Computational Thinking）。⑥開心地學習（游戲教學）。

● 信息科技課程中不插電計算機的學習

計算機作為一種信息自動處理工具，不僅是工具應用，更多的是工具處理信息的思想和方法，而且后者比前者更為重要。不插電的計算機科學不同于傳統課堂講授“如何使用計算機”，它更側重各種計算機技術原理的應用，也并非完全展示計算機如何工作的全部細節，更多的是揭示那些被計算機科學家們運用于設計計算機系統的多元化的思路和技術，把問題化繁為簡，以激發學習和創新的興趣。

我所在學校的生源相對較好，學生們對信息科技也有一定興趣，由此我自2013年9月起在六年級開設了《不插電的計算機科學》探究課。在教學中，我深深感受到探尋、領悟計算機運作及其解決問題的精妙思想并將之運用于現代生活已是信息時代人們需要掌握的基本技能之一。對于初中信息科技學科來說，課本的篇幅有限，一些學生感興趣的新技術鑒于篇幅無法列入基礎課的教學，而計算機如何儲存數據又鑒于課本的篇幅有限往往不能太過深入講解，推廣開展這樣的探究課程，可以幫助開發學生的“計算思維”，從而提高其解決問題的意識和能力。

● 不插電的計算機科學的教學案例展示

不插電計算機科學教學法靈活應用游戲教學的方式，以學生為主體來提高思維能力、應用能力是其宗旨。在文章伊始提到的表演賽的頒獎活動現場，我就以“二進制卡片”活動為例，進行了簡短的現場展示。

引入：根據之前信息科技課程的學習，大家都知道，計算機上所有的數據，都是采用一系列0和1的形式存儲和傳送的。那么只有0和1這兩個數字，怎樣展示各種形式的信息呢？其實，我們可以借助“二進制卡片”的活動來展示如何只用數字0和1來表示所有的數字。

（1）師準備圖2的活動卡片。

（2）師：請四位同學手持卡片從左到右以數字的降序依次排列展示（如圖3）。問題是：①卡片上的圖案有怎樣的規律？②如果在這些卡片的左側增加一張卡片，這張卡片上需要畫幾個點？③如果向左側繼續再增加一張卡片，這張新的卡片上需要畫幾個點？④你是依照怎樣的規律來決定剛才新增卡片上的圖案的？

（3）卡片背面朝上代表二進制數字0，正面朝上代表二進制數字1。計算正面朝上卡片的點數之和就能表示出不同的十進制數字（如圖4）。

問題是：①圖中表示的是數字幾？②是否可以找到另一種方式來獲得數字6？③四張卡片能表示的最大數字是多少？最小數字呢？

討論：如何能表示出更大的數字？

● 不插電的計算機科學和計算機表演賽

中國兒童青少年威盛中國芯HTC計算機表演賽中創新挑戰賽、手機應用開發賽等賽事項目要求學生進行研究性學習和科技實踐，從創意到實現的過程，正是從原理到應用的過程。這與不插電計算機科學的理念也是契合的，而在2014年，表演賽也將不插電的計算機科學作為創新項目引入進來，并開展活動進行進一步的探究。

不插電計算機科學中的對計算機工作原理的闡釋可以激發學生的創造性，促使其更好地參與賽事。反過來，通過參與比賽，在思考、實踐、開發和反思的過程中能夠幫助學生更好地理解和運用計算機科學知識，更有效地激發學生的求知欲和創造力，讓學生能夠主動探索和積極思維，從而訓練計算思維能力，培養學生解決實際問題的能力，領會科學技術服務于生活、讓生活更美好的本質。

作為信息技術教師，作為多年帶隊參賽的指導教師，我深感與時俱進的必要性，愿意從多方面接觸現代化的、開放的信息教育理念。而計算機表演賽不斷引入的諸多項目緊跟信息教育發展趨勢，為學生搭建了學習、展示信息技術、交流創新思想的活動舞臺，也為我們教師自我提升提供了一個平臺。