問題驅(qū)動(dòng)的Python編程教學(xué)

韋勝洪

隨著新課標(biāo)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的實(shí)施，Python編程已成為高中信息技術(shù)課的重要內(nèi)容。雖然編程學(xué)習(xí)過程中需要掌握一定的基礎(chǔ)知識(shí)，但不應(yīng)該只關(guān)注編程知識(shí)的記憶，而應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生用編程來解決問題的能力。因此，圍繞問題解決開展編程教學(xué)，既可讓學(xué)生實(shí)踐其編程技能，又可發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體性，發(fā)展其高階思維能力。所以，以Python編程為工具，設(shè)計(jì)問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可行性。本文將以“帕斯卡概率游戲”為例，介紹此種教學(xué)的主要活動(dòng)和流程。

拋出問題，創(chuàng)設(shè)情境

問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)離不開一個(gè)好的探究問題，探究問題應(yīng)當(dāng)具備真實(shí)性、復(fù)雜性、趣味性等特點(diǎn)。真實(shí)性是指探究問題應(yīng)該源于真實(shí)的生活實(shí)踐，而不是胡編亂造，脫離實(shí)際。復(fù)雜性是指探究問題的答案不能是一目了然的，而是需要一定的探索和分析，最好是人工解決起來較為困難的類型。趣味性是指探究問題不能過于抽象化和學(xué)術(shù)化，要能夠讓學(xué)生有探究的興趣。

本文所選的“帕斯卡概率游戲”源于法國(guó)科學(xué)家、數(shù)學(xué)家帕斯卡與數(shù)學(xué)家費(fèi)馬之間的故事。故事發(fā)生在17世紀(jì)，在一位熱衷于賭博的朋友影響下，帕斯卡和費(fèi)馬開始研究擲骰子的游戲。他們通過郵件討論相關(guān)問題，并因此誕生了理論概率論。在教學(xué)中，筆者選取了其中一個(gè)游戲，讓學(xué)生進(jìn)行探究。游戲規(guī)則為：連續(xù)擲一個(gè)骰子4次，如果有1次出現(xiàn)6點(diǎn)，那么帕斯卡贏;如果沒有出現(xiàn)6點(diǎn)，那么帕斯卡輸。這里生發(fā)的探究問題是：如果玩這個(gè)游戲N次，最后誰勝率更高？這是一個(gè)源于真實(shí)情境的問題，而玩N次游戲很難人工完成，答案也并非一目了然。最重要的是，該問題本質(zhì)上與數(shù)學(xué)的概率論相關(guān)，但是以游戲的形式呈現(xiàn)，能夠激發(fā)學(xué)生探究的興趣。

分析問題，引出編程

“帕斯卡概率游戲”雖然規(guī)則簡(jiǎn)單，但是理解其所隱含的概率問題并不簡(jiǎn)單。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者購(gòu)買了骰子，讓學(xué)生兩兩一組玩這個(gè)游戲，并提供數(shù)據(jù)記錄表讓學(xué)生記錄游戲結(jié)果。因?yàn)闀r(shí)間有限，只讓學(xué)生玩20次游戲，并報(bào)告帕斯卡和費(fèi)馬的勝率。在匯報(bào)游戲結(jié)果的同時(shí)，每個(gè)小組需要對(duì)探究問題（N次游戲后誰勝率更高）給出自己的結(jié)論，并做出猜想或者解釋。讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐擲骰子游戲的過程，是為了讓其能更加真實(shí)地感知問題情境，并在不斷擲骰子的過程中熟悉游戲規(guī)則，為后面分析與解決問題奠定基礎(chǔ)。通過這一環(huán)節(jié)，學(xué)生還會(huì)對(duì)探究問題形成一個(gè)初步的解釋，這個(gè)解釋并不是教師的灌輸，而是他們自主探究得出的。

在學(xué)生充分理解問題之后，教師需要從程序設(shè)計(jì)的角度帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)一步分析問題，首先，對(duì)探究問題進(jìn)行抽象和分解，形成可編程的子問題。在本例中，對(duì)N次游戲進(jìn)行模擬是解決問題的關(guān)鍵。當(dāng)N很小時(shí)，可以通過真實(shí)的游戲?qū)崿F(xiàn)，但其結(jié)果很難接近真實(shí)的概率;當(dāng)N很大時(shí)（如100萬），其結(jié)果會(huì)接近理論概率，而計(jì)算機(jī)模擬正適合這一情境。在這個(gè)環(huán)節(jié)，探究問題可以分解為三個(gè)子問題：①如何用代碼模擬擲骰子過程？②如何模擬一個(gè)回合的游戲（擲骰子4次）并判定勝負(fù)？③如何模擬N回合的游戲并呈現(xiàn)游戲結(jié)果？其次，讓學(xué)生分析和討論程序代碼的核心模塊，也就是對(duì)程序代碼進(jìn)行規(guī)劃。本例中，學(xué)生需要用Python編程語言來進(jìn)行這一“翻譯”過程。例如，第一個(gè)子問題可以使用Python隨機(jī)函數(shù)包（random）實(shí)現(xiàn)。第二、第三個(gè)子問題需要使用循環(huán)語句、判斷語句等基本語句實(shí)現(xiàn)。此時(shí)學(xué)生不需要完成代碼的所有細(xì)節(jié)，而是要對(duì)程序有一個(gè)完整的規(guī)劃。

解決問題，測(cè)試代碼

在學(xué)生完成了初步的代碼規(guī)劃之后，編程環(huán)節(jié)可以正式實(shí)施。課堂組織形式仍然可以是兩人一組，共同完成代碼編寫任務(wù)，該模式可以減少編程過程中的錯(cuò)誤，提升編程效率。設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)時(shí)，教師需要回答一個(gè)核心問題：是否給學(xué)生提供程序模板？如果學(xué)生的編程能力較好，可以讓學(xué)生自己完成完整的程序，教師只提供適當(dāng)?shù)膸椭?。如果學(xué)生的編程能力較弱，教師可以根據(jù)學(xué)生的具體情況提供相應(yīng)的“半成品”模板程序，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)支架。上圖為“帕斯卡概率游戲”的參考代碼。其中7～11行代碼是模擬一次游戲過程的函數(shù)，是整個(gè)程序的難點(diǎn)。教師可以在此增加注釋、描述等文字，然后刪除其中某一行，讓學(xué)生填寫缺少的代碼。

在程序完成之后，需要讓學(xué)生對(duì)代碼進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)結(jié)果來回答探究問題。在本例中，運(yùn)行程序之后學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)：①隨著游戲次數(shù)增加，帕斯卡的勝率越來越穩(wěn)定;②當(dāng)進(jìn)行100萬次后，帕斯卡的勝率大約為51.8%。這也就找到了探究問題的答案：如果玩這個(gè)游戲N次，最后帕斯卡的勝率更高。然而，這只是用實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法解決了問題，并沒有從數(shù)學(xué)概率的理論角度闡釋原因。此時(shí)，教師可以結(jié)合中學(xué)數(shù)學(xué)的概率知識(shí)，從理論上來解釋程序結(jié)果。但這似乎超出了信息技術(shù)教師的能力范圍。因此，在進(jìn)行問題驅(qū)動(dòng)的編程教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，信息技術(shù)教師可以和學(xué)科教師組成備課團(tuán)隊(duì)，結(jié)合學(xué)科知識(shí)和編程內(nèi)容，共同完成教學(xué)設(shè)計(jì)。這樣，教學(xué)設(shè)計(jì)既能在信息技術(shù)課中實(shí)施，也可以在學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用，一舉多得。

拓展問題，遷移學(xué)習(xí)

與傳統(tǒng)的講授式教學(xué)相比，問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)，有利于學(xué)習(xí)的遷移。在學(xué)生利用編程解決探究問題之后，教師應(yīng)該進(jìn)一步拋出拓展性問題，讓學(xué)生進(jìn)行自主探究。這一環(huán)節(jié)一方面可以檢驗(yàn)教學(xué)的效果，另一方面可以促使學(xué)生遷移應(yīng)用已掌握的知識(shí)和技能。以“帕斯卡概率游戲”為例，探究問題為：如果玩這個(gè)游戲N次，最后誰勝率更高？這個(gè)探究問題雖然比先前的問題復(fù)雜度有所提升，但是有了先前的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生能夠自主探究完成。

在選擇拓展問題時(shí)，其跨度和難度變化不能過大。首先，拓展問題應(yīng)當(dāng)與先前的探究問題是同一類型的問題。本例中，筆者采用的都是基于“帕斯卡概率游戲”的概率問題，而如果拓展問題變?yōu)椤安菰鷳B(tài)平衡”模擬問題，跨度則過大，不利于學(xué)習(xí)的遷移。其次，拓展問題的難度應(yīng)該略高于原先的探究問題。如果問題難度提升過高，學(xué)生可能沒有足夠的能力去完成自主探究。良好的拓展問題設(shè)計(jì)應(yīng)該符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，也就是學(xué)生“跳一跳能夠到”的范圍。

小結(jié)

Python語言的易用性使其非常適合編程教學(xué)，而其強(qiáng)大的可擴(kuò)展性又非常適合問題解決的教學(xué)情境。希望未來有更多教師嘗試問題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，并分享更精彩的案例。