淺談圖形化編程中計(jì)算思維的培養(yǎng)

江玫

貴州省貴陽(yáng)市一中 貴州 貴陽(yáng) 550081

計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)本質(zhì)科學(xué)和課程核心價(jià)值的重要概念。在修訂版普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中提到關(guān)于“計(jì)算思維”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，本文基于這一要求，結(jié)合圖形化編程的三個(gè)具體教學(xué)案例，闡述了在高中信息技術(shù)課中基于核心素養(yǎng)開(kāi)展計(jì)算思維培養(yǎng)的策略。

1 對(duì)“計(jì)算思維”素養(yǎng)的科學(xué)認(rèn)識(shí)

傳統(tǒng)的信息技術(shù)課程的授課方式是以計(jì)算機(jī)操作為目的的包含信息采集、加工、交流等在內(nèi)的信息技術(shù)知識(shí)，這涉及各種數(shù)字化工具和資源的使用，這里面除了實(shí)踐操作以外還涉及的思維方式其實(shí)就是計(jì)算思維。計(jì)算思維并不是計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了之后才有的，古人在并不知道計(jì)算思維的概念情況下，已經(jīng)很熟練地用這種思維方式來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，比如田忌賽馬，曹沖稱象等，他們被稱為聰明的人，他們用到的解決問(wèn)題的思維方式就是計(jì)算思維。2006年，周以真教授首次提出了“計(jì)算思維”這一概念。他認(rèn)為計(jì)算思維的核心在于自動(dòng)化和抽象化，自動(dòng)化意味著將重復(fù)的事情程序化，抽象化意味著將實(shí)際的問(wèn)題共性化[1]。如若要將計(jì)算思維作為新的教學(xué)觀念，它將是一次傳統(tǒng)以知識(shí)傳授為核心的觀念轉(zhuǎn)變，基于“計(jì)算思維”素養(yǎng)的信息技術(shù)課應(yīng)該以培養(yǎng)學(xué)生的三大能力為主：一是概括能力，創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)和思考問(wèn)題，在思考過(guò)程中對(duì)同類事物去除其中次要的、現(xiàn)象的方面，抽取其中主要的，共性的方面，依據(jù)計(jì)算模型對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中需要處理的對(duì)象的屬性、規(guī)則、方法進(jìn)行抽象和形式化表達(dá)，為構(gòu)建計(jì)算機(jī)世界提供依據(jù)。二是構(gòu)造能力，計(jì)算機(jī)世界本質(zhì)是一個(gè)人造的世界，它與現(xiàn)實(shí)世界中其他人造物不同之處在于，它具有自動(dòng)化的特性。我們需要通過(guò)設(shè)計(jì)這個(gè)步驟將計(jì)算思維進(jìn)行外化，以計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語(yǔ)言告訴計(jì)算機(jī)去完成我們需要它做的事情。設(shè)計(jì)的過(guò)程體現(xiàn)的就是學(xué)生的構(gòu)造能力。三是推演能力，我們通過(guò)預(yù)演與優(yōu)化來(lái)實(shí)施我們的設(shè)計(jì)作品，我們將指令發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)在接到指令之后完成的動(dòng)作跟我們?cè)诖竽X中那個(gè)的推演結(jié)構(gòu)是否一致，然后再根據(jù)具體的比較情況進(jìn)行修改和優(yōu)化。

2 案例概要呈現(xiàn)

案例一：利用編程繪圖完成生活中的形狀繪制。

情境：展示生活中常見(jiàn)的物體：房子、大樹(shù)、蘑菇、胡蘿卜等，引導(dǎo)學(xué)生抽象其中所蘊(yùn)含的形狀：三角形、方形、六邊形、圓形等。過(guò)程：選擇易于上手的圖形化編程工具，從簡(jiǎn)到繁的一步步完成各種形狀的繪制。從三角形到圓形，再到不規(guī)則的圖形繪制。層層深入，讓學(xué)生在不斷提升的繪制圖形的過(guò)程中總結(jié)歸納各個(gè)圖形的個(gè)性和共性，形成圖形化編程繪制圖形的規(guī)律和公式。成果：將所見(jiàn)到的事物都能具象為某一個(gè)形狀用編程語(yǔ)句讓計(jì)算機(jī)繪制出來(lái)[2]。

案例二：抽象問(wèn)題具象化。

情境：小方和小華一起坐纜車從山腳到山頂，在纜車上一直數(shù)到對(duì)面的纜車有30輛，請(qǐng)問(wèn)這個(gè)纜繩上總共有多少輛纜車。過(guò)程：先分類分析纜車的種類為可見(jiàn)的和不可見(jiàn)的兩類；利用圖形化編程軟件根據(jù)生活中纜車的形象建立軌道；模擬生活中纜車在上面運(yùn)行的效果。成果：建立軌道，運(yùn)行分析得出答案，將這種抽象問(wèn)題具象化推廣到其他問(wèn)題上。

案例三：遞歸問(wèn)題的解決。

情境：展示生活中常見(jiàn)的遞歸圖形：雪花、玫瑰花、松果、向日葵等，引出遞歸概念。過(guò)程：讓學(xué)生歸納出遞歸圖形的特點(diǎn)，利用圖形化編程工具創(chuàng)作出各種基礎(chǔ)形狀的遞歸圖形，總結(jié)規(guī)律推而廣之。成果：動(dòng)態(tài)繪制遞歸圖形。以上相關(guān)案例通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)情境、技術(shù)運(yùn)用過(guò)程及成果形式等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，使學(xué)生獲得完整的計(jì)算思維三步驟的過(guò)程體驗(yàn)，從而達(dá)到逐步培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的目的。

“計(jì)算思維”素養(yǎng)的培養(yǎng)需從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)設(shè)計(jì)情境，尋找計(jì)算思維的身影。

生活中的實(shí)例：

（1）假如有3個(gè)灶頭，鍋碗瓢盆數(shù)量一樣。你要做一道葷菜，又要做一道素菜，還要做一種甜點(diǎn)。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)合理、高效的做飯流程。分析及歸類：做飯本來(lái)是一件很普通的事情，但對(duì)于一個(gè)有計(jì)算性思維的人，他既要考慮效果又要考慮正確性。在保證做出好吃的飯的同時(shí)，還考慮諸如做葷菜的時(shí)候飯不要涼了，同時(shí)要做搭配的素菜。其實(shí)從計(jì)算思維角度來(lái)說(shuō)，這就是給定有限的資源，如何去設(shè)定幾個(gè)并行流程的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題總結(jié)下來(lái)就是一個(gè)任務(wù)如何統(tǒng)籌設(shè)計(jì)的問(wèn)題。以上做飯的實(shí)例反映在計(jì)算機(jī)中，可以用基本原理中的“并行計(jì)算”來(lái)解釋與實(shí)現(xiàn)。

（2）類似的，現(xiàn)實(shí)生活中還有很多這樣的實(shí)例。例如，購(gòu)物時(shí)，會(huì)在心中明確要購(gòu)買的商品。進(jìn)入超市后，在根據(jù)超市指引找到對(duì)應(yīng)的貨架。購(gòu)物體驗(yàn)一氣呵成。這反映到計(jì)算機(jī)就是“分類/分組”；在整理行李箱的時(shí)候會(huì)優(yōu)先將常用隨身物品放到容易或方便取出的包袋中，這反映到計(jì)算機(jī)中是“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧和隊(duì)列”原理的體現(xiàn)；物品丟失了之后，會(huì)沿著走過(guò)的路線去尋找，反映到計(jì)算機(jī)中這是“回溯”算法的應(yīng)用。這些實(shí)例問(wèn)題的解決就是運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題的方式，其思維過(guò)程實(shí)質(zhì)上是將一個(gè)解決問(wèn)題的過(guò)程清晰、抽象地描述出來(lái)，再將問(wèn)題的解決方案表示為一個(gè)計(jì)算機(jī)中可以表達(dá)的“信息處理”流程，最終得以解決[3]。在信息技術(shù)教學(xué)過(guò)程中，課題應(yīng)來(lái)源于生活，情境設(shè)置均與學(xué)生的具體學(xué)習(xí)生活相關(guān)。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生圖形化編程的設(shè)計(jì)面向解決生活中的具體問(wèn)題，讓學(xué)生學(xué)習(xí)解決生活中出現(xiàn)問(wèn)題的同時(shí)完成了計(jì)算思維的訓(xùn)練和培養(yǎng)。計(jì)算思維的培養(yǎng)重在設(shè)計(jì)出真實(shí)有趣而又有效的教學(xué)情境，這就需要教師做一個(gè)善于觀察、關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)與生活的有心人，了解學(xué)生的學(xué)科學(xué)習(xí)、生活活動(dòng)、性格特征和情感需求，這樣才能設(shè)計(jì)出學(xué)生感興趣和符合生活場(chǎng)景的教學(xué)情境來(lái)，學(xué)生在這樣的情境中既學(xué)習(xí)了知識(shí)，又可培養(yǎng)出運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的思維方法。