淺談如何在高中信息技術(shù)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維

陳運(yùn)

摘要：人工智能時(shí)代的到來(lái)，學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)成為國(guó)家信息教育關(guān)注的重點(diǎn)。本文從計(jì)算思維的概念出發(fā)，通過(guò)基于計(jì)算思維的Python程序設(shè)計(jì)的教學(xué)案例分析，提出了如何在高中信息技術(shù)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)，幫助學(xué)生在實(shí)際生活和學(xué)習(xí)中更好地解決問(wèn)題。

關(guān)鍵字：信息技術(shù)、計(jì)算思維、Python

中圖分類(lèi)號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2017 年 7 月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出要“實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”。而編程教育最重要的就是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，2017版的普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)核心要素之一，強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)教育中應(yīng)貫穿計(jì)算思維培養(yǎng)。

2017版新課標(biāo)將計(jì)算思維定義為“運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)”。在高中信息技術(shù)教學(xué)中該如何通過(guò)編程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維呢？筆者以廣東教育出版社出版的高中信息技術(shù)必修一“Python程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”為例，設(shè)計(jì)了一節(jié)基于計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)案例——Python實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單人機(jī)博弈：石頭剪刀布。本節(jié)課將計(jì)算思維的培養(yǎng)落實(shí)到以下四個(gè)階段。

（一）創(chuàng)設(shè)情境

從學(xué)生最熟悉的游戲入手，讓學(xué)生兩兩配合體驗(yàn)石頭剪刀布的博弈過(guò)程，并讓學(xué)生講述游戲規(guī)則，列出甲乙雙方博弈對(duì)戰(zhàn)表，為后面學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題奠定基礎(chǔ)，并讓學(xué)生思考問(wèn)題：你能通過(guò)Python編程實(shí)現(xiàn)人機(jī)博弈的游戲么？這一階段創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的課堂情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激活學(xué)生的計(jì)算思維，并讓學(xué)生明確問(wèn)題。

（二）問(wèn)題解決

1、首先讓學(xué)生分析問(wèn)題，該環(huán)節(jié)的計(jì)算思維是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行界定，教師提出問(wèn)題：該問(wèn)題能用計(jì)算機(jī)程序來(lái)解決么？如果可以，輸入、輸出、終止條件分別是什么？

2、分解問(wèn)題：該環(huán)節(jié)的計(jì)算思維是問(wèn)題分解，將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，我們將人機(jī)博弈的問(wèn)題進(jìn)行拆解，結(jié)合學(xué)生生活情境中的體驗(yàn)，可以分為三個(gè)子問(wèn)題：雙方出拳，雙方亮拳，判斷勝負(fù)并輸出結(jié)果。

解決問(wèn)題：針對(duì)上一階段的三個(gè)子問(wèn)題進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，再根據(jù)算法進(jìn)行編程和調(diào)試。

A、解決子問(wèn)題一：雙方出拳

該環(huán)節(jié)的計(jì)算思維是數(shù)據(jù)抽象與表達(dá)，由兩個(gè)連續(xù)的教學(xué)活動(dòng)組成。

第一教師提出問(wèn)題：現(xiàn)實(shí)生活中，雙方出拳是用手勢(shì)表示，那在計(jì)算機(jī)中可以怎么表示石頭剪刀布呢？學(xué)生經(jīng)過(guò)討論提出可以將石頭剪刀布放入列表中供選擇，人出拳可以從列表中選擇石頭、剪刀或布，電腦出拳也可以從列表中用隨機(jī)函數(shù)生成石頭、剪刀或者布。當(dāng)然還有更簡(jiǎn)便的，用數(shù)字來(lái)替代這些手勢(shì)。

第二，教師提出疑問(wèn)：如果用戶(hù)選擇的不是石頭、剪刀或者布，該如何處理？學(xué)生經(jīng)過(guò)討論后提出每一輪博弈都要對(duì)人輸入的值進(jìn)行判斷，當(dāng)輸入有誤時(shí)，要重新輸入。

B、解決子問(wèn)題二：雙方亮拳

該環(huán)節(jié)的計(jì)算思維是數(shù)據(jù)抽象與表達(dá)，由一個(gè)教學(xué)活動(dòng)組成。

教師提問(wèn)：人和計(jì)算機(jī)已經(jīng)對(duì)自己要出的拳進(jìn)行了選擇，那我們?cè)趺粗离p方的出拳情況呢？學(xué)生經(jīng)過(guò)討論提出，可以用到print函數(shù)展示出拳的結(jié)果。

C、解決子問(wèn)題三：判斷勝負(fù)并輸出結(jié)果

判斷勝負(fù)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)博弈的關(guān)鍵部分，該環(huán)節(jié)的計(jì)算思維包括數(shù)據(jù)抽象與表達(dá)、算法設(shè)計(jì)和模式匹配。教師提出問(wèn)題：計(jì)算機(jī)怎么知道誰(shuí)贏了呢？教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維引導(dǎo)：當(dāng)滿(mǎn)足什么條件時(shí)，甲乙雙方是平局呢？當(dāng)滿(mǎn)足哪些條件時(shí)，甲方才會(huì)獲勝呢？學(xué)生經(jīng)過(guò)討論后提出，當(dāng)雙方出拳一致時(shí)，雙方平局;甲方獲勝的情況有，甲方出石頭，乙方出剪刀或者甲方出剪刀，乙方出布或者甲方出布，乙方出石頭，滿(mǎn)足以上任一條件，我們就會(huì)贏，其他情況則計(jì)算機(jī)贏。由此，將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中的勝負(fù)比較轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可處理的問(wèn)題，設(shè)計(jì)多分支選擇結(jié)構(gòu)if…elif…else語(yǔ)句進(jìn)行判斷從而解決人機(jī)博弈的問(wèn)題。

D、優(yōu)化方案

該環(huán)節(jié)的計(jì)算思維是評(píng)估反思，迭代優(yōu)化。該環(huán)節(jié)教師提出問(wèn)題：剛才同學(xué)們的游戲是不是只玩一次就退出了？那如何能讓游戲一直玩呢？學(xué)生經(jīng)過(guò)討論后提出可以在外部加一個(gè)while循環(huán)，這樣人機(jī)博弈就可以一直玩下去了，為了讓這個(gè)游戲更加人性化，還可以在末尾加入if語(yǔ)句進(jìn)行判斷：比如輸入s鍵退出，輸入任意鍵繼續(xù)。

（三）知識(shí)遷移

在這一環(huán)節(jié)，教師需要設(shè)計(jì)相似或更高級(jí)的任務(wù)作為小組合作任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生模式匹配的計(jì)算思維能力。用Python實(shí)現(xiàn)了最簡(jiǎn)單的人機(jī)博弈的項(xiàng)目后，學(xué)以致用，將知識(shí)進(jìn)行遷移，讓學(xué)生完成猜數(shù)游戲，教師引導(dǎo)學(xué)生找到猜數(shù)字游戲和人機(jī)博弈問(wèn)題的聯(lián)系：一是人機(jī)博弈和猜數(shù)字游戲中都要引入隨機(jī)函數(shù)來(lái)解決問(wèn)題;二是人機(jī)博弈和猜數(shù)字游戲都需要用到多分支結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能;三是人機(jī)博弈和猜數(shù)字游戲中都需要加入外部循環(huán)while循環(huán)，才能重復(fù)玩游戲。

四、分享總結(jié)

分享總結(jié)也是學(xué)生知識(shí)建構(gòu)的一個(gè)過(guò)程。在該環(huán)節(jié)中，各小組展示分享作品，包括實(shí)現(xiàn)的功能模塊、解決問(wèn)題的思路及方案以及在解決問(wèn)題的過(guò)程中遇到的新問(wèn)題等，教師再對(duì)小組作品進(jìn)行評(píng)價(jià)總結(jié)，組織組間互評(píng)，包括過(guò)程性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)。

教學(xué)有法，教無(wú)定法。對(duì)于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，還需要我們廣大教育工作者在教學(xué)實(shí)踐中不斷摸索探究。教師只有深刻領(lǐng)會(huì)計(jì)算思維的內(nèi)涵，積極主動(dòng)將計(jì)算思維的培養(yǎng)融入到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，才能全面提升學(xué)生的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] .《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[J].科技導(dǎo)報(bào)，2018，（第17期）.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]李穎.利用游戲化編程培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力——以高中“算法與程序設(shè)計(jì)”教學(xué)為例[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2020，（第11期）.