基于高中生計(jì)算思維培養(yǎng)的算法與程序教學(xué)探究
——以Visual Basic 中的循環(huán)結(jié)構(gòu)為例

南京師范大學(xué)附屬揚(yáng)子中學(xué) 張 沁

一、案例背景

計(jì)算思維（Computational Thinking）于2006 年由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M. Wing）定義為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、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)。可以理解為，計(jì)算思維是利用計(jì)算機(jī)求解問題的一種思維活動(dòng)。2017 年，我國教育部制定的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《新課標(biāo)》）中，首次提出了學(xué)科核心素養(yǎng)，并把計(jì)算思維作為高中信息技術(shù)學(xué)科的四大核心素養(yǎng)之一。《新課標(biāo)》指出，計(jì)算思維是個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。而算法與程序?qū)崿F(xiàn)，即利用計(jì)算機(jī)對問題的求解，是對計(jì)算思維的體現(xiàn)。

在高中信息技術(shù)課程結(jié)構(gòu)中，將“數(shù)據(jù)與計(jì)算”作為必修部分的模塊1。由此可見，“數(shù)據(jù)與計(jì)算”在整個(gè)高中信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中占據(jù)重要地位。該模塊中關(guān)于“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”內(nèi)容的學(xué)業(yè)要求為：依據(jù)解決問題的需要，設(shè)計(jì)和表示簡單算法；掌握一種程序設(shè)計(jì)語言的基本知識(shí)，利用程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)簡單算法，解決實(shí)際問題。算法即解決問題的方法和步驟，它是程序的靈魂。而程序則是算法思想的體現(xiàn)。目前，在高中信息技術(shù)課程教學(xué)中，“算法與程序?qū)崿F(xiàn)”這部分內(nèi)容的教學(xué)一直是比較難以處理的內(nèi)容。學(xué)生對此內(nèi)容比較陌生，長期缺乏計(jì)算思維的訓(xùn)練，他們不知道如何利用計(jì)算思維分析問題，更談不上解決問題。而“計(jì)算思維”的提出，使信息技術(shù)課程教學(xué)從注重實(shí)踐操作的技術(shù)素養(yǎng)層面上升到注重思維素養(yǎng)培養(yǎng)的層面。因此，對于此內(nèi)容的教學(xué)如何開展？如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維？我將以《循環(huán)結(jié)構(gòu)》這一節(jié)課為例，探索算法與程序的教學(xué)方法以及培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的方法。

本節(jié)課《循環(huán)結(jié)構(gòu)》是教科版高二信息技術(shù)選修《算法與程序設(shè)計(jì)》教材的第二章的第三節(jié)的第三部分內(nèi)容，既是對前面學(xué)習(xí)內(nèi)容的鞏固，例如界面操作、Visual Basic 基本語句的掌握，也是對下一章《算法的程序?qū)崿F(xiàn)》學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。程序的基本結(jié)構(gòu)有順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，掌握程序的基本結(jié)構(gòu)是學(xué)習(xí)算法和程序設(shè)計(jì)必須掌握的內(nèi)容。經(jīng)過前面內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步熟悉了Visual Basic 界面，對編程有了初步的了解和嘗試，已經(jīng)學(xué)習(xí)了基本操作（如程序的保存、運(yùn)行）、數(shù)據(jù)的輸出（如print 語句）、順序結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)等。

二、案例描述

（一）新課引入

帶領(lǐng)學(xué)生回憶上節(jié)課的內(nèi)容，如：Visual Basic 的界面、程序的保存與運(yùn)行、數(shù)據(jù)的輸出等。

教師提問1：如何在窗體上單擊一次，打印出1 個(gè)“*”符號(hào)？（click事件、print 語句）

生：給出程序：

得到預(yù)期的運(yùn)行結(jié)果。

【設(shè)計(jì)意圖】

復(fù)習(xí)上一節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)，并為后面的學(xué)習(xí)做鋪墊。這個(gè)任務(wù)的難度較低，容易實(shí)現(xiàn)，學(xué)生能夠輕松掌握，降低其畏難情緒，引起學(xué)生的興趣。

教師提問2：如何在窗體上單擊一次，打印出10 行“*”符號(hào)？

【設(shè)計(jì)意圖】

學(xué)生利用目前掌握的知識(shí)，思考、修改問題1 的程序，能夠較容易地解決此問題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。學(xué)生認(rèn)識(shí)到“；”的作用。如果加分號(hào)，下次輸出就會(huì)緊接著輸出。如果不加分號(hào)，下次輸出就會(huì)換行輸出。在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，要注意程序語句的使用規(guī)范，根據(jù)實(shí)際問題，使用相應(yīng)的程序語句。

教師提問3：如何在窗體上單擊一次，打印出100 行“*”符號(hào)？甚至1000 行“*”符號(hào)？

生1：思考，感到困惑。

生2：重復(fù)執(zhí)行print“*”語句100 次，但是這樣寫程序，行數(shù)太多了，人工操作很難實(shí)現(xiàn)。能讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行嗎？

表1

【設(shè)計(jì)意圖】

與學(xué)生目前掌握的知識(shí)產(chǎn)生沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引出本節(jié)課的內(nèi)容——循環(huán)結(jié)構(gòu)。

（二）新課講授

師：剛才有同學(xué)說重復(fù)執(zhí)行print“*”語句100 次，但是手動(dòng)編寫100行重復(fù)的代碼，太耗費(fèi)精力了？人工操作很難實(shí)現(xiàn)。如何讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行print“*”語句100 次呢？我們可以使用循環(huán)結(jié)構(gòu)。

師：循環(huán)結(jié)構(gòu)For…Next…語句講解（略）。

教師提問4：給出程序片段：

如何修改程序，實(shí)現(xiàn)在窗體上單擊一次，打印出10 行“*”符號(hào)？

生：學(xué)生思考、探究、嘗試，修改程序，查看運(yùn)行結(jié)果。

表2

【設(shè)計(jì)意圖】

設(shè)計(jì)打印“10”行，方便驗(yàn)證循環(huán)語句的結(jié)果是否正確。學(xué)生先運(yùn)行教師提供的程序，觀察程序的運(yùn)行結(jié)果，體會(huì)循環(huán)結(jié)構(gòu)中各語句的作用。然后，學(xué)生修改部分程序即可實(shí)現(xiàn)，上手快，初步感受循環(huán)結(jié)構(gòu)的使用方法。并且，不同的學(xué)生，給出了不同的解決方法，體會(huì)到程序?qū)崿F(xiàn)的自由與樂趣。

師：引導(dǎo)學(xué)生思考，引入兩個(gè)變量，雙重循環(huán)。一個(gè)變量i 控制“*”的行數(shù)，一個(gè)變量j 控制“*”的個(gè)數(shù)。

師：給出程序片段：

生1：思考，怎樣修改程序，使“*”打印3 行。

生2：每行“*”的個(gè)數(shù)以2 遞增，即：“*”的個(gè)數(shù)為1、3、5，“*”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，可以利用步長來控制。

生3、生4、生5：觀察老師給出的程序片段，思考現(xiàn)有程序和實(shí)際問題的關(guān)聯(lián)之處，修改，嘗試。

【設(shè)計(jì)意圖】

教師給出程序片段，學(xué)生思考，修改程序，試錯(cuò)，最終得到預(yù)期的結(jié)果。開闊了學(xué)生的思維，學(xué)生提出了不同的解決方案，即不同的算法，使學(xué)生們感受到程序的樂趣和魅力。在程序和算法教學(xué)中，應(yīng)提供給學(xué)生想象的空間，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生大膽思考、嘗試、實(shí)踐，不拘泥于某一種“標(biāo)準(zhǔn)答案”。

表3

【設(shè)計(jì)意圖】

通過互相關(guān)聯(lián)的小任務(wù)，層層遞進(jìn)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與，積極思考，考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。學(xué)生由淺入深，由易到難，逐漸理解算法的意義，掌握程序?qū)崿F(xiàn)的方法。從而，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維，學(xué)生漸入佳境。

（三）本課總結(jié)（略）

三、案例反思

計(jì)算思維的培養(yǎng)有助于提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。目前，程序設(shè)計(jì)語言有很多種，如Visual Basic、C、C++、Python 等，無論哪種程序設(shè)計(jì)語言，它們都是利用計(jì)算機(jī)來解決實(shí)際問題，都需要將具體的問題抽象化，它們的內(nèi)在是相通的，算法是程序的核心。通過程序教學(xué)，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。在程序教學(xué)中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（一）精選實(shí)例

良好的課堂引入使教學(xué)事半功倍，這就需要老師精選合適的實(shí)例。比如在本節(jié)課的開始，我設(shè)計(jì)的第一個(gè)小問題是如何在窗體上單擊一次，打印出1 個(gè)“*”符號(hào)？學(xué)生知道是用Print“*”這條語句。接著提問如何單擊一次，打印出10 行“*”符號(hào)？學(xué)生很容易就想到用10 行Print“*”語句。接著我再次提問如何單擊一次，打印出100 行“*”符號(hào)？甚至1000行“*”符號(hào)？這個(gè)問題與學(xué)生此時(shí)的認(rèn)知水平產(chǎn)生沖突，學(xué)生會(huì)想到用100 行Print“*”語句，但人工這樣做，工作量太大了，不易實(shí)現(xiàn)。怎樣解決此問題呢？從而引出本節(jié)課的內(nèi)容——循環(huán)結(jié)構(gòu)，也就順理成章了。“興趣是最好的老師”，在程序教學(xué)中，應(yīng)讓學(xué)生主動(dòng)參與，變被動(dòng)為主動(dòng)，讓學(xué)習(xí)成為學(xué)生的一種自主的需要。學(xué)生有了興趣和熱情，學(xué)習(xí)的積極性提高了，學(xué)習(xí)的效果自然也會(huì)提高。

（二）夯實(shí)基礎(chǔ)

程序設(shè)計(jì)的語句一定要解釋到位，有些地方特別容易被忽視。如果不解釋到位，程序的運(yùn)行結(jié)果就會(huì)大相徑庭。正所謂，差之毫厘，失之千里。比如：本節(jié)課的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，“；”的含義一定要使學(xué)生理解。如果Print“*”后面加了“；”就是緊接著輸出后面的語句，運(yùn)行下來的結(jié)果就不是10 行“*”，而是一行10 個(gè)“*”，容易被人忽略的“；”使程序的運(yùn)行結(jié)果完全不一樣。我們在程序教學(xué)中，一定要注意將基礎(chǔ)的知識(shí)點(diǎn)解釋到位，程序語句的規(guī)范使用，這樣才能避免因一些小問題而導(dǎo)致程序運(yùn)行結(jié)果達(dá)不到預(yù)期的效果。

（三）層層遞進(jìn)

在本節(jié)課的開始，結(jié)合上一節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)，通過簡單的任務(wù)，學(xué)生能夠利用現(xiàn)有知識(shí)輕松地解決實(shí)際問題，使學(xué)生體會(huì)利用程序解決問題的過程。再通過下一個(gè)任務(wù)，與學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)產(chǎn)生沖突，激發(fā)學(xué)生積極思考，探尋解決問題的方法，引出本節(jié)課的知識(shí)要點(diǎn)。在這之后，又通過與上一個(gè)任務(wù)關(guān)聯(lián)的任務(wù)，激發(fā)學(xué)生聯(lián)想，思考，找出并分享解決問題的不同的方法。通過多個(gè)層次分明，互相關(guān)聯(lián)的任務(wù)，由淺入深，由易到難，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，使學(xué)生能夠在任務(wù)的解決中，逐漸理解算法的意義，逐漸掌握程序設(shè)計(jì)的方法，即利用計(jì)算機(jī)解決問題的能力，從而有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

（四）勇于嘗試

程序?qū)崿F(xiàn)是靈活的，千變?nèi)f化的，具有不唯一性。同一結(jié)果，不同的程序語句同樣都能實(shí)現(xiàn)，這就是程序的樂趣和魅力所在。我們應(yīng)給與學(xué)生們想象的空間，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，勇于嘗試，不斷完善和改進(jìn)程序。例如本節(jié)課，對于同一任務(wù)，學(xué)生找到了各自的解決方法，并通過程序的分享，開闊了學(xué)生的視野，體會(huì)到程序設(shè)計(jì)的樂趣，條條大路通羅馬。

總之，在對學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)中，應(yīng)注重知識(shí)遷移能力的培養(yǎng)，使學(xué)生能夠綜合分析實(shí)際問題，并采用合適的方法來解決問題。應(yīng)注重學(xué)生的體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生積極思考，主動(dòng)參與，從而有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。