淺談培養初中生計算思維的Python路徑

■天津市電化教育館 吳 勇

隨著科技的進步和信息技術的發展，大數據、人工智能（AR）和虛擬現實（VR）的理論和技術日益成熟，應用領域不斷擴大，逐漸滲透到人類社會的各個領域，使用計算機解決問題并幫助我們更高效的工作、更舒適的生活成為現代社會人類必備的一項技能。國務院在2017年7月印發的《新一代人工智能發展規劃》中明確指出“人工智能成為國際競爭的新焦點，應逐步開展全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程、逐步推廣編程教育。”教育部于2018年4月發布的《教育信息化2.0行動計劃》也把提升教師和學生的信息素養作為重要目標。通過開展編程教育提升學生的計算思維、創新思維，已經上升到國家戰略的層面。

一、國內外編程教育現狀

目前，在美國、英國、日本等發達國家都已經將程序設計課程納入到中小學的教學范圍。美國前總統奧巴馬斥巨資推動編程教育，并發起“編程一小時”運動，旨在讓全美小學生開始學習編程，更早地開發計算思維。美國北喬治亞大學計算機科學系終身教授Bryson Payne博士在他的《Teach your kids to code》一書中指出：“計算機編程是每個孩子都應該學習的一項重要技能，理解如何編寫代碼，可以將計算機的能力控制在你的指尖。”

近幾年，國內關于程序設計對學生計算思維、創新思維培養的研究也愈加豐富，大部分中學的信息技術課程中都有程序設計的教學模塊。山東省最新出版的小學信息技術教材，在六年級課本中加入了Python語言相關內容，程序設計開始向小學高年級進軍。人工智能和機器學習領域國際上最權威的學者之一吳恩達提出：“寫代碼就跟識字一樣，將來人機交流越來越重要，人人都該學會編程，應用計算思維。”

二、計算思維概述

計算思維的概念是隨著計算機科學發展到一定水平而變得清晰起來的，具有顯著的時代特征，它區別于以數學為代表的邏輯思維和以物理為代表的實證思維，主要體現了一種抽象交互關系和形式化執行的思維模式。2006年，時任美國卡內基梅隆大學計算機系主任的周以真教授提出了計算思維（Computational Thinking）的概念，他把計算思維概括為：運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維以設計和構造為特征，本質是抽象和自動化。

簡單地說，計算思維可以理解為利用計算機求解問題的思維方式。例如：計算1到100的自然數的和，如果運用邏輯思維的方式求解，可以利用等差數列求和公式求得結果。如果運用計算思維求解，則可以把問題抽象為1到100的自然數的累加，通過設計程序的循環結構和求和語句可以自動化地執行累加過程，很容易地就求得了結果。在程序設計的范疇，計算思維主要反映在理解問題的計算特性，并將計算特性抽象為計算問題，進而通過程序設計語言實現問題的自動求解等方面。

三、Python語言與初中生編程教育

大數據和人工智能時代的來臨使程序設計和計算思維成為21世紀最具競爭力的技能之一。初中階段對學生進行編程啟蒙并通過程序設計教學訓練學生的計算思維，既符合學生的身心發展規律，又符合時代的發展需求。提及程序設計就必然與目前應用越來越廣泛的Python語言聯系在一起。Python是一種解釋型、面向對象、動態數據類型的高級程序設計語言。

Python語法簡潔清晰、通俗易懂、簡單易學，有助于激發學生對計算機編程的興趣，非常適合對初中生進行程序設計和計算思維的啟蒙教育，在國外甚至有《Baby Python：Basic Code for Programming》這類的幼兒Python編程教程。為了提高學生的信息素養進而提高其未來社會競爭力，我們有必要在初中階段通過Python程序設計課程對學生的計算思維進行培育，通過Python程序設計教學培養學生計算思維和創新思維的能力，以提高學生主動運用計算思維分析問題、解決問題的信息素養，為學生進一步接受更高層次的專業學習筑牢計算思維和創新思維的根基，從而為培養符合時代發展需要的復合型人工智能人才打下良好的基礎。

四、實施策略初探

按照信息技術課程標準的要求和新課程改革的需要，充分利用初中信息技術課程中程序設計教學模塊，在初中三個年級分別開展有針對性的Python程序設計教學，使學生掌握Python開發環境搭建，理解Python程序設計語法結構、數據類型，熟練使用運算符與表達式、內置函數和常用標準庫，初步了解面向對象的程序設計、常用算法、大數據處理和簡單的游戲開發等內容。根據不同年級的學生學情創設情景、預設問題，讓學生用編程設計解決方案，并跟蹤學生學習效果，通過課后反思、師生評價、對比分析驗證Python程序設計對初中生計算思維培育的實際作用。具體實施過程中主要采取以下策略：

1.研究國內外有關程序設計啟蒙和計算思維培育的相關理論和實踐經驗。收集整理國內外有關Python程序設計啟蒙和學生計算思維培育的熱點案例和成功經驗。

2.研究《新一代人工智能發展規劃》和《教育信息化2.0行動計劃》中對學生智能教育、信息素養教育的要求，研究學生學情，制定合理的初中生計算思維培育目標。

3.根據初中信息技術課程標準分別對初中三個年級制定有針對性的Python編程教學目標，并參與Python程序設計集體備課，與信息技術學科教師共同開展Python編程教學設計。

4.持續跟蹤Python程序設計課堂教學，根據教學效果和反饋進一步修改完善教學設計，調查學生的學習效果和認知程度，了解學生的學習進展，探索發現初中生計算思維的認知規律。

5.結合生活中的實際問題，預設情景，考查學生運用計算思維發現問題、分析問題、解決問題的能力，檢驗學生通過使用Python語言編程解決實際問題的能力，驗證程序設計教學對其計算思維培育的效果。

五、Python程序設計教學實踐

初中階段的Python程序設計教學主要從學生喜聞樂見的生活中的實際問題著手，以任務為驅動，以成就激勵為手段，逐步培養學生對編程的興趣，感受程序設計的魅力和價值。以下截取一個教學片段來體現通過Python程序設計教學訓練學生計算思維的方式和方法。文中代碼片段均是Python語言，未考慮縮進、層級關系和程序完整性。

教師給出一個問題：請使用Python程序計算整數N到整數N+100之間（不含N+100）所有奇數的和，整數N由用戶輸入。

問題給出后，先請學生歸納并抽象問題的計算特性。學生歸納的計算特性主要有：獲取用戶輸入的N值；判斷N到N+100之間所有整數的奇偶性；將所有奇數累加；將累加值輸出。然后請學生根據問題的計算特性抽象出計算問題，并進行編程求解。學生給出的程序設計思路為：設置和的初始值為零：s=0；遍歷循環N到N+100的每一個值：for i in range（N，N+100）；判斷是否為奇數：if i%2==1；累加奇數的值：s+=i。顯然，學生設計的程序可以準確的求得問題的解。此時，教師會詢問學生程序有沒有優化的可能？從計算特性上考慮是否每次循環都有判斷奇偶性的必要？這時，有的學生會恍然大悟：只要判斷出N到N+100之間的第一個奇數，后一個奇數與前一個奇數是加2的關系，這樣就不用每次遍歷都判斷奇偶性了。于是，教師和學生一起將計算問題優化為：先判斷N的奇偶性，如果N為偶數則將遍歷的起始值設為N+1：if N%2==0:N+=1；遍歷時將步長設為2，這樣就保證每一個遍歷的值都為奇數，然后將遍歷的值累加即可求得問題的解：for i in range（N,N+100，2）:s+=i。這次程序優化讓學生們興奮異常，大家都感受到了用雙手指揮計算機進行完美求解的成就感和喜悅感。

這個問題的求解過程充分體現了計算思維的抽象和自動化本質，鍛煉了學生運用計算思維分析問題、解決問題并優化問題解決方案的能力。

人工智能和大數據的廣泛應用使我們的生活變得越來越便捷，效率越來越高，人機交流的能力也變得越來越重要，計算思維將成為可以預見的未來最深層次人機交流的基礎思維能力。我們應該抓住初中階段這一計算思維培育的黃金期，通過科學合理的程序設計教學，鍛煉學生的計算思維能力，提升學生的信息素養，探索培養新時代“互聯網+”環境下國家急需人才的新途徑。