在問題解決活動中培養(yǎng)計(jì)算思維

金婧

計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，出現(xiàn)在新修訂的課程標(biāo)準(zhǔn)中。本文以計(jì)算思維的“形式化”“模型化”“自動化”特點(diǎn)為依據(jù)，以《計(jì)算機(jī)解決問題的背后》一課為例，進(jìn)行計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，探索總結(jié)以運(yùn)用計(jì)算思維的方法進(jìn)行問題求解為主線的教學(xué)程式。

● 設(shè)計(jì)背景

在新課程標(biāo)準(zhǔn)修訂中，信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)中引入了“計(jì)算思維”這一核心內(nèi)容。這使得我們的教學(xué)不能僅僅關(guān)注技術(shù)工具、操作技能，還要深層次理解這些技術(shù)工具，知道它們的工作方法和應(yīng)用流程，處理好人與技術(shù)工具的關(guān)系。計(jì)算思維作為一個(gè)學(xué)科的思維方式、思想方法，要讓學(xué)生從無到有、再內(nèi)化為一種自然的思維方式是一個(gè)難點(diǎn)，需要學(xué)生經(jīng)歷在各種情境中運(yùn)用學(xué)科思維方式、已有知識和技能分析解決實(shí)際問題的過程。

● 設(shè)計(jì)思路

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》必修模塊1“數(shù)據(jù)與計(jì)算”包含數(shù)據(jù)與信息、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用、算法與程序?qū)崿F(xiàn)三個(gè)部分，涉及數(shù)據(jù)、信息、算法、程序在內(nèi)的學(xué)科核心概念。本節(jié)課內(nèi)容來源于“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”這部分，內(nèi)容要求為“從生活實(shí)例出發(fā)，概述算法的概念與特性，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆椒ê涂刂平Y(jié)構(gòu)表示簡單算法”，其中滲透計(jì)算思維的“形式化”（如抽象出算法解決問題的一般過程）、“模型化”（如用結(jié)構(gòu)化程序表示算法）、“自動化”（如通過計(jì)算機(jī)自動化實(shí)現(xiàn)算法）。這部分內(nèi)容強(qiáng)調(diào)簡單算法的學(xué)習(xí)，并非要求系統(tǒng)掌握專業(yè)編程知識，其中，對問題的抽象或形式化描述是算法的基礎(chǔ)。

本節(jié)課授課對象是高一學(xué)生，盡管他們已經(jīng)能夠利用計(jì)算機(jī)解決一些基本問題（如文章編輯、繪畫和簡單的多媒體處理等），但對利用計(jì)算機(jī)解決問題的完整過程了解不夠;多數(shù)學(xué)生只是具備操作技術(shù)工具的技能，而對其工作方法和應(yīng)用流程不了解，對解決問題的算法不甚明白。高中學(xué)生的邏輯思維能力趨于成熟，能夠?qū)ψ约旱乃枷胗^點(diǎn)進(jìn)行論證，能有條理地對各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)加以說明。

基于以上思考，本節(jié)課以培養(yǎng)學(xué)科思維方式為素養(yǎng)目標(biāo)，將教學(xué)定位在以運(yùn)用計(jì)算思維的方法進(jìn)行問題求解為主線，以知識和技能在解決問題的過程中自然引入作為支撐，將問題提出、問題分析、問題解決等主要流程貫穿于教學(xué)活動中，引導(dǎo)學(xué)生在問題情境中學(xué)習(xí)技術(shù)工具，理解學(xué)科方法，利用技術(shù)工具和學(xué)科方法解決問題（如上頁圖1）。

● 教學(xué)實(shí)踐

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

結(jié)合我校的學(xué)生生活和學(xué)習(xí)情況，從參與國慶晚會籌備工作入手，引出制作邀請函的問題需求（如圖2）。如何快速處理大數(shù)量的邀請函？從表面上看這是一個(gè)很簡單的問題。在人工處理過程中，人動用了眼睛與手，其中的思維過程一閃而過。而計(jì)算機(jī)不同，對這些數(shù)據(jù)的處理過程看不見摸不著，怎么來完成這一任務(wù)呢？其實(shí)，計(jì)算機(jī)解決問題的關(guān)鍵，就是要把人解決問題的思維過程用計(jì)算機(jī)語言描述，即為大腦思維的每一步“拍照”。這是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。從效率角度來思考，學(xué)生自然想到根據(jù)需要運(yùn)用數(shù)字化工具解決，由此引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系到計(jì)算機(jī)優(yōu)于人工解決問題的“自動”與“批量”。

2.協(xié)作探究，構(gòu)建方案

這部分由三個(gè)層層遞進(jìn)的小活動組成。

活動一：人是如何解決問題的？從制作一張邀請函開始，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題分析，得出完成一張邀請函的步驟。一張如此，大量邀請函又如何？通過觀察，學(xué)生提取問題的基本特征，抽象關(guān)鍵要素——“固定主文檔”與“可變數(shù)據(jù)源”，分析要素間的關(guān)系——“插入與合并”。這樣，從人解決問題的一般過程類比過渡到計(jì)算機(jī)解決問題，幫助學(xué)生在信息活動中能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問題，體現(xiàn)出計(jì)算思維活動的“形式化”。

活動二：建立信息處理模型。適時(shí)拋出三個(gè)階梯性問題：①邀請函模板如何制作？②人員信息應(yīng)做何處理？③如何合并？引導(dǎo)學(xué)生思考并分析：完成上述生活中的實(shí)際工作，需要分解為哪些具體步驟？學(xué)生在活動一的基礎(chǔ)上分組互動，有邏輯地分解解決步驟，這樣有助于學(xué)生從計(jì)算機(jī)解決問題的角度理解與分析，找出計(jì)算機(jī)等工具能識別的且能自動執(zhí)行的本質(zhì)性操作——列出對應(yīng)的抽象模型，以建立可以支持自動化的解決方案（如上頁圖3）。這其實(shí)就是讓學(xué)生感受到算法思想。

活動三：繪制流程圖。根據(jù)活動二中的分解步驟可知，第1步和第2步學(xué)生可以借助軟件工具完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理（word圖文編輯制作邀請函模板，Excel管理人員數(shù)據(jù)），第3步到第6步可不可以依靠計(jì)算機(jī)自動完成呢？如果可以，要讓計(jì)算機(jī)解決問題，必須明確地告訴它要處理的具體對象和每一步準(zhǔn)確的處理過程，否則計(jì)算機(jī)就無法工作，所以我們往往先用流程圖描述算法（如上頁圖4）。這樣，將活動二中算法思想從文字語言轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暬磉_(dá)，是為了讓學(xué)生形成與強(qiáng)化思維方式。這一部分引入“畫程”軟件，一方面讓學(xué)生能夠借助快捷的數(shù)字化工具表達(dá)自己的思想，另一方面也是引導(dǎo)學(xué)生以流程圖描述算法，為以后程序語言設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)做好鋪墊。整個(gè)環(huán)節(jié)是形成解決方案的過程，體現(xiàn)思維的“模型化”。

3.體驗(yàn)功能，驗(yàn)證方案

在這一環(huán)節(jié)，學(xué)生并沒有親自編寫程序代碼，但根據(jù)前面活動建立的操作解決步驟，學(xué)生通過“郵件合并”功能的嘗試使用，實(shí)現(xiàn)了邀請函的批量生成，也體驗(yàn)了“程序的過程與方法”。在完成合并之后，將具象的軟件操作過程與前面的分解步驟進(jìn)行比較分析，找出之間的對應(yīng)關(guān)系（如上頁圖5），在這種抽象化的對比中驗(yàn)證之前解決步驟方案的可行性，消除計(jì)算機(jī)程序的神秘。掌握“郵件合并”的操作并不是重點(diǎn)，而是借“郵件合并”的使用讓學(xué)生去理解計(jì)算機(jī)等技術(shù)工具是如何工作的。讓學(xué)生不只停留在對工具的使用的掌握，還探究方法背后的學(xué)科思維。進(jìn)一步地，讓學(xué)生繼續(xù)思考類同工作模式，將本節(jié)課內(nèi)容帶入生活，理解其他應(yīng)用原理及意義。

4.課堂小結(jié)，知識升華

將“方法—算法—指令”的概念與“建模—流程圖—程序”的表達(dá)方式做一個(gè)對照性梳理，進(jìn)一步加深理解利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，促進(jìn)對計(jì)算機(jī)解決問題的思維方式的形成。“從軟件的研究者到未來的軟件的開發(fā)者”的鼓勵(lì)也進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)算法與程序設(shè)計(jì)的熱情，為后續(xù)課堂做好鋪墊。

● 結(jié)語

國際教育技術(shù)協(xié)會和計(jì)算機(jī)科學(xué)國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）指出的計(jì)算思維是一個(gè)用來解決問題的過程。因此，作為一個(gè)學(xué)科的思維方式、思想方法，應(yīng)該讓學(xué)生經(jīng)歷在各種情境中運(yùn)用學(xué)科思維方式、已有知識和技能分析、解決實(shí)際問題的過程。本文中的教學(xué)實(shí)施正是基于以上觀點(diǎn)進(jìn)行的嘗試，教學(xué)中借助于數(shù)字化工具的使用來理解數(shù)字化工具的本質(zhì)特征，讓學(xué)生在體驗(yàn)計(jì)算機(jī)解決問題的過程中，分析、探究、實(shí)踐從應(yīng)用和操作層面去理解利用算法進(jìn)行問題求解的基本思想、方法和過程，進(jìn)而理解信息社會思考與解決問題的方式，逐步形成計(jì)算思維。當(dāng)然，讓學(xué)生從無到有、再內(nèi)化為一種自然的思維方式，這一計(jì)算思維培養(yǎng)之路還很長，信息技術(shù)教師還需要在教學(xué)中做更深入的研究和實(shí)踐。