基于計(jì)算思維的信息技術(shù)教學(xué)探究

呂國卿

摘要：計(jì)算思維作為一種新的學(xué)科思維方式，受到了國內(nèi)外計(jì)算界的廣泛關(guān)注。培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力是高中信息技術(shù)課程的重要組成部分。本文探討了計(jì)算思維的特點(diǎn)和計(jì)算思維在問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解上的應(yīng)用，為計(jì)算思維背景下的教學(xué)模式提供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維問題求解系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、計(jì)算思維的內(nèi)涵

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任周以真教授在美國權(quán)威期刊給出了計(jì)算思維的定義：“運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題的求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。”計(jì)算思維能力是計(jì)算機(jī)學(xué)科中基本的特征，同時(shí)也是解決問題的核心方法。在高中信息技術(shù)教學(xué)實(shí)施過程中，通過學(xué)生在具體的問題解決過程中，對(duì)具體問題進(jìn)行具體分析和解決，能夠培養(yǎng)學(xué)生處理計(jì)算機(jī)問題時(shí)具備有效的思維方式、表達(dá)形式及行為習(xí)慣等。

二、計(jì)算思維的特點(diǎn)

21世紀(jì)是信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，信息技術(shù)的使用和發(fā)展給人們的生活帶來了巨大的變革。信息技術(shù)不僅在聲影技術(shù)等方面給教育教學(xué)實(shí)踐帶來了巨大的便利，同時(shí)也給人們的計(jì)算帶來了巨大的革命性的超越。計(jì)算思維可以概括為以下幾點(diǎn)：

1.思維的產(chǎn)物

思維是人腦對(duì)客觀世界的本質(zhì)及其內(nèi)在聯(lián)系等的間接概括和反應(yīng)，屬于認(rèn)知過程或心理活動(dòng)。思維活動(dòng)的載體是語言和文字，在語言和文字表達(dá)的基礎(chǔ)上，通過遵循一定的格式，即需要按照一定的語法和語義規(guī)則表達(dá)才能夠被他人所理解。在獲得相應(yīng)的表達(dá)方式的基礎(chǔ)上，為了讓他人相信自己的思維結(jié)論，還需要通過大量的研究和材料、證據(jù)等來證明，以使他人能夠遵循你的思維形式去運(yùn)用和實(shí)踐。因此，計(jì)算思維是人的思維活動(dòng)的產(chǎn)物。

2.數(shù)學(xué)和工程思維的產(chǎn)物

計(jì)算機(jī)科學(xué)其運(yùn)行本質(zhì)源自數(shù)學(xué)思維，與其他科學(xué)的構(gòu)成類似，都是建立在一定基礎(chǔ)科學(xué)之上的。而計(jì)算機(jī)思維與工程思維又有著本質(zhì)性的聯(lián)系，計(jì)算系統(tǒng)的建構(gòu)是需要與實(shí)際問題展開具體互動(dòng)的系統(tǒng)，系統(tǒng)的基本計(jì)算功能迫使計(jì)算機(jī)科學(xué)家們必須通過計(jì)算性地思考去分析和理解問題，而不是單純地?cái)?shù)學(xué)計(jì)算。因而，計(jì)算思維是一種概念化的形式而不僅僅是單純地程序化的內(nèi)容。

3.能動(dòng)的

計(jì)算思維是人類在問題求解過程中尋求到的一條問題解決的有效路徑，人類賦予計(jì)算機(jī)以激情和能動(dòng)的效果，讓計(jì)算機(jī)在人的思維模式的驅(qū)動(dòng)下，開展豐富的、生動(dòng)的問題解決過程。因此，計(jì)算思維不是計(jì)算機(jī)思維，它是人的思維活動(dòng)的產(chǎn)物，伴隨著人的思維能動(dòng)性而產(chǎn)生，并隨著人類思維的發(fā)展而發(fā)展。

三、計(jì)算思維的應(yīng)用

1.在問題求解中滲透計(jì)算思維

【案例1】選定一個(gè)1000以內(nèi)的自然數(shù)，接著回答10個(gè)問題，只需要回答是或否，然后系統(tǒng)會(huì)猜出你的那個(gè)數(shù)。

啟發(fā)學(xué)生一步步的對(duì)折對(duì)半對(duì)半，逼近所需的答案。為什么需要問10個(gè)問題？因?yàn)閿?shù)的范圍是1-1000，2的10次方是1024，超過1000。進(jìn)而逐漸引出計(jì)算機(jī)中的二分查找算法，并進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。在學(xué)生對(duì)問題的自主思考、問題合作討論、具體探究的過程中，有效地滲透計(jì)算思維。

【案例2】有一座城市需要鋪路，要求：每棟房子都能沿著鋪好的道路到達(dá)其它所有的房子，用的磚數(shù)最少。現(xiàn)有5棟房子（如圖a），哪些路是必須要鋪上磚的？最少多少塊石磚？

把5棟房子化簡成5個(gè)節(jié)點(diǎn)（如圖b），A、B、C、D、E，然后節(jié)點(diǎn)之間作連線，連線的數(shù)字代表我們鋪磚所用的石磚數(shù)，鋪磚問題就變成圖論中的最小路徑問題，通過計(jì)算路徑的值，來比較哪條路徑用的磚數(shù)最少，最終得到解決方案。

一個(gè)城市有成千上萬的房子，城市的各種市政管網(wǎng)規(guī)劃，公共交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，物流的最小成本分析，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)等設(shè)計(jì)。如果用人腦去思考怎么分配，是不現(xiàn)實(shí)的。用計(jì)算機(jī)學(xué)科的方式去思考此類問題，就能方便地解決。

以上兩個(gè)例子，是在問題求解過程中滲透計(jì)算思維，首先建立問題模型，然后根據(jù)模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，有了算法就可以編程實(shí)現(xiàn)，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。

2.在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用計(jì)算思維

【案例3】警察局抓了a、b、c、d四名偷竊嫌疑犯，其中只有一人是小偷。a說我不是小偷;b說c是小偷;c說小偷肯定是d，d說c是冤枉人;已知四個(gè)人中三人說的是真話，一人說的是假話，到底誰是小偷？

※問題分析：依次假設(shè)每個(gè)人都是小偷的情況，然后一一代入以上4句話，依次檢驗(yàn)已知條件“四個(gè)人中三人說的是真話，一人說的是假話”是否成立，如果成立，那么對(duì)應(yīng)的假設(shè)成立，小偷找到。

※形式化：將a、b、c、d四個(gè)人進(jìn)行編號(hào)為1、2、3、4。將變量x存放小偷的編號(hào)，依次將x=1，x=2，x=3，x=4代入問題系統(tǒng)。a說：x<>1;b說：x=3;c說：x=4;d說：x<>4;四個(gè)邏輯式的值相加1+1+1+0=3。

※程序?qū)崿F(xiàn)

For x=1 to 4

If （x<>1）+（x=3）+（x=4）+（x<>4）=3 Then

Print x &”是小偷。”

Next x

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候計(jì)算機(jī)學(xué)科如何進(jìn)行思維呢？將系統(tǒng)中的交換過程映射為符號(hào)變換（即形式化），然后就可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在遇到問題時(shí)要思考能否進(jìn)行形式化，如何進(jìn)行形式化。

3.在人類行為理解中的計(jì)算思維

在某個(gè)網(wǎng)站購買一本書后，這個(gè)網(wǎng)站會(huì)推薦跟這本書相類似的商品或相關(guān)聯(lián)的商品。當(dāng)你買一件衣服，它就會(huì)推薦跟這件衣服風(fēng)格相同的衣服或者配飾。這些網(wǎng)站是怎么知道用戶有可能喜歡此類商品？它們?cè)谘芯咳祟惖馁徫镄袨椋脩粼?jīng)購買過什么商品，對(duì)什么商品關(guān)注過、放過購物車，然后找出跟用戶興趣相關(guān)聯(lián)的商品。

計(jì)算思維能夠通過計(jì)算手段來研究人類的行為，判斷人類的思維活動(dòng)，研究人類的行為概率和趨勢。

四、計(jì)算思維在教學(xué)實(shí)踐過程中存在的問題

隨著教育技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算思維在教育實(shí)踐中的需求越來越明顯，但計(jì)算思維教育在教學(xué)實(shí)施的過程中，難以得到有效的引領(lǐng)和實(shí)施。教師對(duì)計(jì)算思維的理解不夠，導(dǎo)致缺乏相關(guān)的意識(shí)，在傳統(tǒng)思維慣性引導(dǎo)下關(guān)注的重點(diǎn)還是知識(shí)點(diǎn)的講解。教師缺少相應(yīng)的教學(xué)方法，尤其是缺少教學(xué)過程中的問題設(shè)計(jì)，缺少能促進(jìn)學(xué)生思考的方法。以算法教學(xué)為例，教師的教學(xué)目標(biāo)是明確的，就是盡快地讓學(xué)生掌握算法，但缺少讓學(xué)生進(jìn)一步思考算法形成背后的思想以及算法表達(dá)美感的沖動(dòng)。在計(jì)算機(jī)教學(xué)規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，反應(yīng)計(jì)算思維的課程內(nèi)容體系缺乏。

五、小結(jié)

在高中信息技術(shù)課程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，是信息技術(shù)課程改革的一條新思路，有利于信息技術(shù)課程形成穩(wěn)固的核心價(jià)值。在教學(xué)實(shí)施的過程中，教師應(yīng)有效滲透計(jì)算思維，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的思想基礎(chǔ)，使學(xué)生在將來的學(xué)習(xí)實(shí)踐中能夠創(chuàng)造性地運(yùn)用計(jì)算思維去分析和解決實(shí)際生活中的問題，為計(jì)算機(jī)科學(xué)提供可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)用型人才。

參考文獻(xiàn)：

①計(jì)算思維[J].周以真.中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊.2007.3（11）

②計(jì)算思維——行進(jìn)中的挑戰(zhàn)[J].王榮良，盧文來中國信息技術(shù)教育.2017（06）

③培養(yǎng)計(jì)算思維的高中信息技術(shù)校本課程研究[J].曹曉明，安娜.現(xiàn)代教育技術(shù).2018（07）