深度學習視域下培養學生計算思維的實踐研究

宋新波 丁雙林 陳智敏

摘要：本文以《數據編碼——二進制》一課教學實踐為切入口，探尋深度學習視域下培養學生計算思維的路徑——創設情境、自主探究、探索原理、解密游戲，并在這一路徑中引導學生進行深度學習，以期達到培養學生計算思維能力的目的。

關鍵詞：二進制;計算思維;深度學習

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）08-0034-03

隨著高中信息技術課程改革的不斷推進，如何轉變學生學習方式的研究成為信息技術教學研究的熱點。新課改強調課堂學習方式從“教師教課文”轉向“學生完成學習任務”，著眼于學生信息技術核心素養的發展，這與深度學習的理念不謀而合。為此，筆者以《數據編碼——二進制》教學實踐為例，基于深度學習理念設計教學活動，旨在探索高中信息技術課堂學生計算思維的培養策略。

為讓學生掌握計算機的二進制原理，本節課以學生為主體開展學習活動，教師對學生的學習活動進行引導和幫助，在教學過程中讓學生通過自主探究完成基礎知識的學習，教師講解二進制知識的數理原理，幫助學生完成與已有知識的意義建構，逐步提升學習的深度，從而實現學生計算思維的深度培養。本課采取如圖1所示的策略模型進行教學。

● 創設情境，激發興趣

深度學習的核心特征是“活動與體驗”，要求學生在教師的引導下進入學習情境，積極主動地提出問題、分析問題并解決問題。所以，本課創設“猜生日游戲”的教學情境，激發學生的好奇心，從而吸引學生參與到教學活動之中。筆者給出如下頁圖2所示的5張卡片，每張卡片上有16個數，參加游戲的學生說出自己生日的“月”和“日”對應的數分別在哪幾張卡片上出現過，基于以上信息，教師能快速說出該學生的出生日期。例如，當某學生回答他生日的“月”在第②④張卡片上出現，而“日”在第①②⑤張卡片上出現時，教師能立即說出他的生日是10月19日。

教師不看卡片就能快速準確地說出答案是游戲趣味性的關鍵，這充分激發了學生的好奇心和內部學習動機，同時調動了學生參與課堂活動的積極性，為后續教學活動的開展奠定了基礎。

● 自主探究，完成任務

教學策略的實施應盡可能還原實際問題的解決過程，通過問題情境啟發學生，培養學生自主學習、合作探究等能力，幫助學生深度理解知識。解決問題的過程旨在提高學生分析問題、抽象歸納、建立模型、應用遷移解決問題的能力?；趯W習主題將零散的碎片化知識進行深度整合，針對原理性知識教師“適時、適法、適度”講解，為學生提供必要的幫助，保證教學活動的順利進行。

為探究卡片上數字的特點，從數字出發，筆者帶領學生研究數字出現的卡片集合情況。用5個格子從右向左（最右邊格子代表第1張卡片，最左邊格子代表第5張卡片）依次表示對應卡片中數字出現的情況，1表示數字在該格子對應的卡片中出現過，0表示未出現。如在上例中，生日的月份在卡片②④中出現過，生日的日期在卡片①②⑤中出現過，填充結果如圖3所示。

由簡單到復雜，由特殊到一般，教師將1～31每一個數字在卡片中出現的情況用上述方法中的01串來表示（如表1），并利用石墨文檔實時更新數據的特性，實時了解知道學生的填寫情況。從結果可以發現學生已經很好地掌握了以上表示數字出現情況的方法，為后續二進制的學習打下良好的基礎。

● 探索原理，深入學習

以上表示1～31每個數字在卡片中出現情況的01串就是二進制。二進制是計算機運算和存儲數據的基礎，是計算機唯一識別的數字，二進制滿二進一，只有0和1兩個數字。接下來可以自然地引入二進制的概念，教師提前準備二進制知識的相關材料給學生自學。從熟悉的十進制引入二進制的定義、進位以及位權等知識，再到“二進制數轉十進制數”“十進制數轉二進制數”等問題，層層遞進，環環相扣。

“十進制數轉二進制數”是難點，不少教師只講做法，不講原理，使得學生對該知識點難以達到“融會貫通，舉一反三”。針對這個難點，筆者采用了“除2取余，逆序排列”的方法。具體流程如下：用十進制數除以2，得到商和余數;用上一次除法操作得到的商繼續除以2，又會得到新的商和余數。反復執行該過程，直到商為零;將上述過程產生的余數逆序排列即為答案。下頁圖4是用“除2取余，逆序排列”法把十進制數19轉為二進制數10011的全過程。

以上做法的正確性如何證明？因此，課堂上要有證明環節，該環節能讓學生掌握二進制背后的原理，從而加深對二進制知識的理解。

● 解密游戲，深化思維

筆者再次安排任務，要求各小組把表1中的01串對應的二進制轉為十進制數，并觀察規律。大部分小組都能發現：數字x出現卡片情況的01串對應的十進制數就是x本身，即數字x的二進制表示就是x出現卡片情況的01串。這就揭示了卡片設計的奧秘，即把1～31中的每個數轉為二進制，把該數放到其所有二進制位上為1所對應的卡片中，如25的二進制表示為（11001）2，則把25放到卡片①④⑤中。

因此，在游戲中，當學生報出自己出生日期所在卡片的全部編號時，教師就能反推出該數的二進制表示。例如，某學生報出其出生日期在卡片②④⑤上出現，則該數的二進制表示為（11010）2。教師可以快速計算出（11010）2=21+23+24=26，也可以把（11010）2看作（10000）2+（01000）2+（00010）2，其中（00010）2（01000）2、（10000）2分別為②④⑤這三張卡片中的第一個數，從而能快速計算出答案。接下來，要求兩個學生為一組再次體驗游戲，深化對游戲原理的理解。同時，給出拓展任務，設計一個能猜從1900年起包含年份的完整生日的游戲。

● 課堂小測，驗證效果

為了驗證教學效果，本節課采用了定量的對比試驗，根據教學要求編寫了有關二進制的習題問卷，共10道題，包括4道概念題，6道探究題，每道題目10分，內容涉及二進制基礎、二進制轉換、二進制的應用等，考查學生理解、抽象、推理、探究的能力。選取人數相近的兩個班級共計103位學生進行實驗，其中實驗組54人，對照組49人。通過問卷結果（表2）可以發現，概念題模塊實驗組和對照組平均分相當，但是探究題模塊實驗組平均分表現更加優秀。

● 對“深度學習”教學理念的思考

以上案例是筆者實踐新課標、促進學生深度學習的一次有益嘗試，這正是新課標背景下聚焦于提升學生核心素養所需的，因此，教師在教學中要設計真實合理的教學情境，以學生的學習為中心，讓學生對知識的來龍去脈不僅知其然，還能知其所以然，真正達到培養學生計算思維和創造性思維能力的目的。當然，真實的課堂教學充滿了復雜性和不確定性，在實踐過程中還要根據教材內容、學習對象、教師水平等多方面因素進行合理創生，真正把深度學習落到實處。

參考文獻：

[1]何玲，黎加厚.促進學生深度學習[J].現代教學，2005（05）：29-30.

[2]曾雪慶，張精寶，吳磊.基于項目式教學提升學生信息素養的實踐研究——以《信息技術》課程為例[J].中國教育信息化，2021（02）：56-61.