程序設(shè)計教學(xué)中融入計算思維的探究

王能汁

(福建省廈門實驗中學(xué) 福建 廈門 361000)

信息技術(shù)作為當(dāng)今先進(jìn)生產(chǎn)力的代表，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國的戰(zhàn)略支撐。提升我國公民的信息素養(yǎng)，增強(qiáng)個體在信息社會的適應(yīng)力和創(chuàng)造力，對個人發(fā)展、國力增強(qiáng)、社會變革有著十分重大的意義。新版普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，普通高中信息技術(shù)課程是一門旨在全面提升學(xué)生信息素養(yǎng)，幫助學(xué)生掌握信息技術(shù)基礎(chǔ)知識與技能、增強(qiáng)學(xué)生信息意識、發(fā)展計算思維、提高數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力、樹立正確的信息社會價值觀和責(zé)任感的基礎(chǔ)課程。

1.計算思維與程序設(shè)計

在探討通過程序設(shè)計這門課程培養(yǎng)學(xué)生計算思維之前，首先，我們要知道計算思維是如何定義的，其次，要搞清楚計算思維的本質(zhì)內(nèi)容是什么；最后，要研究計算思維與程序設(shè)計之間有什么關(guān)系，或者說如何通過程序設(shè)計這門課程來培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

2006年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授第一次提出了計算思維這個概念。他對計算思維做出這樣的界定：“計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動”。信息技術(shù)新課程標(biāo)準(zhǔn)也給出了定義：計算思維是指個體運(yùn)用計算機(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。具備計算思維的學(xué)生，在信息活動中能夠采用計算機(jī)可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)；通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問題的關(guān)鍵；總結(jié)利用計算機(jī)解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題的解決中。

可以看出，計算思維的本質(zhì)就是抽象與自動化；我們從抽象和自動化這兩個核心概念出發(fā)，進(jìn)一步解剖?？梢苑譃樗膫€步驟：簡化問題，識別規(guī)律，數(shù)學(xué)抽象，設(shè)計算法。

簡化問題：是指將大的復(fù)雜的問題簡化成一個個具體的特例或者是規(guī)模較小的，可以直接解決的問題。

識別規(guī)律：通過個例模擬，找到規(guī)律，趨勢和規(guī)則。

數(shù)學(xué)抽象：從識別出的規(guī)律中進(jìn)一步抽象出普遍的規(guī)則，并進(jìn)一步證明正確性。

設(shè)計算法：根據(jù)抽象出的模型設(shè)計詳細(xì)的解決這類問題的步驟，方便計算機(jī)解決問題。

2.課堂教學(xué)實踐

2.1 教學(xué)策略選擇。為了提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力，必須加強(qiáng)學(xué)生的計算思維能力培養(yǎng)。因此，為了更好地訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，在程序設(shè)計課程的授課中最好采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，亦即以問題或任務(wù)為導(dǎo)向的教學(xué)模式。

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是一種普遍且具有一定教學(xué)效果的方法，本課題中主要采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此方法是以解決實際問題，完成特定任務(wù)為主的教師與學(xué)生，學(xué)生與學(xué)生之間多維互動的教學(xué)方法。解決問題的過程是學(xué)生主動構(gòu)建知識與經(jīng)驗的過程，通過新知識和原有的知識的交互作用，不斷豐富自身的知識和提升自己的能力。利用任務(wù)驅(qū)動法可以有效、合理設(shè)計教學(xué)任務(wù)與分配學(xué)習(xí)任務(wù)，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題，分析問題及解決問題的能力。

2.2 教學(xué)過程實施。筆者將以算法與程序設(shè)計課程中“遞歸算法與遞歸程序”這一節(jié)為例來說明教學(xué)過程中的計算思維的培養(yǎng)。

(1)問題導(dǎo)入。遞歸作為一種算法在程序設(shè)計中被廣泛應(yīng)用，是一個過程在定義或者說明中直接或者間接調(diào)用自己的一種方法，它通常把一個大型復(fù)雜的問題層層轉(zhuǎn)化為一個與原問題相似的規(guī)模較小的問題來求解。具體來看一個例子：

有一座高度是10級臺階的樓梯，從下往上走，每一步只能跨有級或者2級臺階。要求用程序來求出一共有多少種走法。

比如，每次走1級臺階，一共走10步，這是其中一種走法。我們可以簡寫成1，1,1,1,1,1,1,1,1,1,也可以每次走2級臺階，一共走5步?？梢院唽懗?,2,2,2,2。

(2)分析問題。

①分解問題。

我們要求10級臺階是比較困難的，那能不能從簡單的開始呢？比如1級，我們就很容易知道答案為1,2級臺階答案為2，3級臺階通過排列組合的方式也不難得到答案為3，依次類推……

②識別規(guī)律。

那么這些數(shù)據(jù)之間有沒有規(guī)律呢？假設(shè)你只差最后一步到達(dá)第3級臺階，這時候會出現(xiàn)幾種情況？只有兩種：一種從第2級跨1步走到第3級，一種從第1級跨2步走到第3級。

我們已知從第0級走到第1級的走法為1種，第0級走到第2級的走法為2種，那么總的走法應(yīng)該是1+2=3種。

那這個規(guī)律是否適合所有的情況呢？同樣的，假設(shè)你只差最后一步到達(dá)第10級臺階，這時候會出現(xiàn)幾種情況？只有兩種：一種從第9級跨1步走到第10級，一種從第8級跨2步走到第10級。

我們已知從第0級走到第9級的走法為X種，第0級走到第8級的走法為Y種，那么總的走法應(yīng)該是X+Y種。

3.結(jié)語

計算思維作為一種新的學(xué)科思維方式受到了廣泛的關(guān)注，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)。要在程序設(shè)計課程中融入計算思維，首先需要理解計算思維的概念和方法，并把這些概念方法應(yīng)用到問題設(shè)計之中，然后采用基于問題，分析問題，解決問題的PBL模式，在分析問題中進(jìn)一步運(yùn)用簡化問題，識別規(guī)律，數(shù)學(xué)抽象，設(shè)計算法的策略，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。