基于核心素養的算法思維入門與提升應用

摘 "要 "計算思維作為高中信息技術課程的四大核心素養之一，在本次課程改革中被重點關注。在高中信息技術教學中，側重從軟件的選擇、算法的描述、教學的策略與實施以及開設社團活動等多個方面，進行初步研究和探索，以此來幫助學生逐步養成學科算法思維，并增強利用編程技術解決問題的能力。

關鍵詞 "高中信息技術；核心素養；計算思維；算法思維；算法與程序設計；畫程

中圖分類號：G633.67 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）01-0101-03

0 "引言

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中明確了要加強課程四大核心素養的培養，進而全面提升全體高中學生的信息素養。計算思維成為其中的四大核心素養之一，標志著人工智能及大數據的分析與應用已經開始滲透到人們的學習、工作及生活的各個角落，未來，人們只有深入理解并能積極運用這些技術工具，才能更好地適應信息時代的變革。

算法思維主要是指通過定義明確的解決問題的步驟，設計一套指令或規則的思維能力。不少教師提及計算思維，就狹隘地把算法及編程能力的培養等同于計算思維的培養。研究表明，計算思維可分解為分解、模式識別、抽象、算法思維、評估、遷移等思維活動。可見，算法思維與計算思維密切相關，但不能直接畫等號。在計算思維的眾多培養方式中，算法與編程因其較適合用來培養學生的邏輯思維與創新能力，被業界認為是一種能有效提升學生計算思維能力的途徑。

在高中新教材正式啟用的情況下，教師也發現算法思維的培養尤其是“算法與程序設計”在高中信息技術教材中的分量比重加大。教師只有在日常教學中堅持以學生的興趣為出發點、積極引導學生主動探究、加強合作學習與探究實踐等原則，才能使學生逐漸根據具體的需求來靈活運用這些工具解決學習與生活中遇到的各類問題，進而達到培養學生計算思維的目的。筆者以“畫程”軟件入手，在高一年級學生中開展近一個月的教學實踐，為后面更好地開展算法與程序設計教學提供一些實踐經驗與啟發。

1 "算法思維的入門與培養

1.1 "精選軟件：由易到難巧入門

“良好的開端是成功的一半。”高中段學生雖然在小學階段學過LOGO語言，但是一進入高中就開始系統學習算法與程序設計，尤其是直接進入Python或C++語言學習的話，總認為難度較大，再加上知識點多且分散，大多學生反饋學習比較吃力，內容較為枯燥，提不起學習興趣，學習效率不高等。

針對該問題，結合常熟市教研室教師的指導意見，筆者進行“算法與程序設計”教學時，嘗試在算法教學入門階段使用畫程軟件來指導教學，效果良好。畫程軟件采用流程線自適應圖標的設計，用流程圖來描述算法如同搭積木，最終實現人畫圖（流程圖）、機生碼（機器生成對應代碼）的可視化編程。軟件以畫圖的方式來編程，降低了很多學生一開始學習算法的門檻，一些零基礎的學生也可以輕而易舉地上手來繪制程序框圖。系統自動生成程序代碼并編譯運行，學生在學習過程中都能輕松入門，逐漸克服畏難情緒，也能從中感受到信息技術課程中算法描述環節的較多樂趣。

1.2 "主題入手：主動學習有興趣

沒有精心的課堂預設就沒有高質量的課堂教學。筆者在引導學生入門學習時，每一節的教學內容設計上都從貼合學生自身的生活及學習實例出發，努力消除學生學習過程中的游離感，提升他們的課堂學習興趣，以此來提升課堂的教學效率。下面以算法描述中的“選擇分支”一課為例，談談具體的實施過程。

首先，筆者圍繞身體質量指數（BMI，Body Mass

Index），引導學生對國際上常用的衡量人體胖瘦程度以及是否健康的標準進行討論，進而嘗試得到一個成人的BMI數值評價標準，即：過輕，低于18.5；正常，18.5～24；偏胖，24～28；肥

胖，28～32；非常肥胖，高于32。在學生興趣高漲的過程中，布置任務：通過自主學習相關選擇分支的材料，嘗試完成流程圖的繪制，給自己及同學測算身體指數是否健康。絕大部分學生能通過思考與實踐，在畫程中完成流程圖的繪制與調試運行，并根據多位同學不同的解法開展討論。

1.3 "妙講算法：游戲教學引樂趣

興趣是激發學生有效學習的內在動機。盡管高中學生已經能夠利用計算機解決一些基本問題（如文章編輯、繪畫和簡單的多媒體處理），但對利用計算機解決問題的完整過程了解還不夠，多數學生對解決問題的算法知之甚少，少數學生甚至產生較大的畏難心理。如何消除學生的這種畏難心理，提高學生的邏輯思維能力？筆者嘗試采用形式多樣的游戲來啟發學生，讓學生在玩中體會算法的實現，取得不錯的效果。

例如：使用“狼羊菜過河Flash游戲”，讓學生在多次的失敗經驗中吸取教訓并最終成功找到方法與策略，從而對分步解決問題的算法概念印象深刻；在遇到“比較三個數的大小”的問題時，先請兩位學生分別拿著教師提前打印好的寫有A與B的紙張，請其他學生比較他們的身高，個子矮一點兒的先坐下，然后請第三位學生手持C參與并繼續比較，直至分出高低，引導學生在游戲中自我體會并由此嘗試寫出這個問題的算法表達。

1.4 "巧用支架：循序漸進助提升

“授人以魚，不如授人以漁。”教師結合教學實際，采用科學合理的教學方式，會使自己的課堂更加高效。在信息技術課堂中，學生主動參與學習的欲望大都出自自己對學習的熱愛及通過自我探究后獲得成功的喜悅感。教師應在教學過程中適時地為學生提供相關支架，為學生學習提供有力的保障條件。

在教學循環體的內容時，教師在課程預設中將各環節學生需要掌握的知識點與任務制成導學案，效率會更高。如在畫程中用循環體來解決1～1 000

的自然數累加時，針對循環結構的作用與意義、基本格式、需要哪些變量的提示與思考（循環變量、求和變量等），寫出第一步的學習指導；在學生完成任務后又提供第二步的學習指導，并拋出“能否根據現有的流程圖表達來解決1+1/2+1/3+...+1/1 000以及1+3+5+...+999”這一類問題，直到提供最后一個問題的學習指導：能否結合分支結構來解決1+2-3+4-5+...+1 000。學生利用支架自主學習，結合實踐層層遞進，解決任務的積極性得到激發，同時在實踐中體會到代碼復用帶來的益處。

2 "算法思維的提升與運用

2.1 "學科競賽：專項發展助提升

信息學奧賽一直以來都是信息技術學科教師教學之外的另一個核心。讓學生學編程，不僅是為了學習一門新的技術，也不是為了今后只朝程序員這一個職業方向發展，重要的是對學生思維模式的訓練與養成。信息學奧賽涉及內容較為豐富，包括計算機基礎知識、計算機軟件知識、程序設計知識、組合數學和運籌學的知識、人工智能初步知識以及計算機應用知識等。針對信息學奧賽的這一特點，筆者在教研組內建立奧賽輔導教師三人組，三人分工明確，分別負責學生的自主學習材料、課上輔導材料及解題分析材料的整理與收集，教學方式采用自主學習與專題輔導的模式。受限于生源的因素影響，學校編程社的學生迄今最優成績為省級二等獎，大部分學生的最終成績可能并不出色。但是“Lear-ning to code isn't enough”，學編程不是唯一的目的，改變學生的思維方式，提升他們的綜合素質，才是開展教育的最終目的。

2.2 "學科融合：學以致用展風采

在STEM教育正火熱的當下，筆者也嘗試在高中信息技術課堂中開展學科融合的教學實踐。以其他學科的內容作為學生算法思維培養的載體開展教學，運用多種手段或方式來實現問題或方案的求解，均是促進學生計算思維能力發展的途徑。

如在STEM創意設計項目社團活動中，學生除了需要團隊合作精神之外，在作品創意設計、作品搭建、任務挑戰、作品展示及團隊演講等一系列環節中，綜合能力得到充分鍛煉。在該項目實施過程中，其核心挑戰在于各小組需要綜合各項影響因素，順利完成作品小車的循跡與避障兩大任務的程序實現與調試。團隊中需要有成員具備良好的算法基礎和編程能力，結合現場的綜合因素對程序進行深入研究并反復測試，從而實現最終設定的任務。可見，開展融合教學，既可以鞏固相關學科的理論知識，鍛煉實踐能力，也對學生算法思維的培養起到一定的提升作用。

2.3 "社團活動：深入探究出成效

學校作為省級科學教育綜合示范學校，學生在信息技術課程學習中掌握了一定的編程知識，為開展相關的學生科技社團活動提供了有力的保障條件，也為部分在算法與編程方面有興趣、有能力的學生搭建了展示自我的舞臺。

學校科技社團包括機器人社團、STEM社團、無人機社團、電子百拼社團等。例如：在環保機器人社團活動中，學生面對一張包含固定與隨機部分的網狀地圖，以及隨時變化的任務和出發點，考驗的是臨場編程策略與程序調試環節的綜合能力；在足球機器人活動中，學生一方面增進對各類傳感器的認知，另一方面需要在現場程序的調試過程中經受考驗。

在開展社團活動及學生競賽實踐過程中，筆者發現有一定算法基礎的學生在面對不同編程平臺、面對不同程序設計語言時，表現出的兼容性更強，在對各任務的理解和實施過程中動手能力與協作能力也更高，可以在團隊活動中起到引領作用，在省市級青少年科技競賽中為個人、團隊、學校爭得不少榮譽。

3 "結束語

在物聯網、大數據、人工智能等應用日益影響人們生活、學習的今天，高中階段的信息技術課堂也在發生變革。在高中信息技術教學中，要有效地培養學生的算法思維，激發學生對生活、學習等方面的思考與關注，以識為技，解決真實的生活問題，從而達到提升信息素養之目的。