基于計算思維培養的高中Python課程教學思路初探

林立

摘 要：高中信息技術學科核心素養在《普通高中信息技術課程標準》（2017年版）中被重點提出，其中一項重要內容就是培養學生的計算思維。在課程改革背景下，高中的信息技術課程應該不斷地為學生提供豐富的教學課程資源，使得學生能夠運用計算思維認識和分析所遇到的問題，從而達到解決問題的目標。其中易入門輕語法重算法的Python語言對學生計算思維的培養起著不可替代的作用。因此本文以Python課程教學設計為例，從培養學生計算思維的角度出發，完善教學設計和教學策略，從而不斷培養學生的計算思維和解決問題的能力，確保學生信息素養的建設。

關鍵詞：高中；Python課程；計算思維；教學策略

在課程改革背景下，高中生應該具備運用計算思維解決問題的能力[1]。Python課程教學承擔著培養學生計算思維的重任。Python語言具有語法簡單、容易入門、類庫豐富、支持中文等特點，把它作為教學內容，學生更容易入門[2]。而且Python能夠讓學生盡可能將精力花在算法和邏輯的設計上，促使學生自主合作探究解決問題，培養獨立深入思考的習慣。作為信息技術教師，應不斷深入探索計算思維的內涵和特征，進而結合Python課程的相關內容進行教學設計，提高Python課程的教學效率，提升學生計算思維水平。

一、高中階段培養計算思維的重要性

（一）計算思維概述

計算思維就是模擬計算機解決問題的思維模式?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準》（2017年版）中對作為信息技術學科核心素養之一的計算思維是這樣介紹的：“計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動[3]?！币虼耍嬎闼季S是運用計算機科學相關知識解決實際問題的重要思維，學生應該去掌握和使用這種概念化的基本技能，以此來充實內化強大自己。與此同時，計算思維還可以豐富學生處理問題的思維層次，促進學生思維能力的發展，并使學生更好地適應科技社會，為以后的學習、生活和工作打下基礎。

（二）高中階段培養學生計算思維的重要性

《普通高中信息技術課程標準》（2017年版）為高中信息技術課程改革指明了發展方向。其中計算思維是四大核心素養之一，它的培養不僅成為高中信息學科的重要內容，而且也成為高中階段學生教育的重要目標[4]。學生一旦擁有了計算思維，那么在面對不同的學習生活情境時，他們就會不由自主地利用現代信息技術，及時有效地去分析和解決自己所遇到的問題，而且還會將學過的信息理論知識和實際操作進行有效融合，從而使得自身的綜合能力得到一定的發展提高。因此，作為高中信息技術教師要為學生制訂明確且詳盡的教學計劃，在課堂上通過問題的設置和引導，有意識地對學生進行計算思維的培養，從而促進他們計算思維的不斷提升。

二、現階段高中信息技術計算思維培養存在的問題

近幾年，學生計算思維培養雖然受到了廣泛的關注，但是其定義以及培養的具體方式并不明確，所以教師在教學實踐的過程中，并不了解如何有效地進行教學。再加上信息技術學科在高中階段不作為高考科目，大多數學校對其重視程度不夠，教師在教學方面也比較機械化，學生也沒有深入掌握，更談不上計算思維的培養了。尤其是在程序語言的教學中，教師只是單一地滲透相關的理論知識，并為學生演示具體操作引導學生機械化地進行模仿鍛煉。如果讓學生獨立地進行程序設計，他們往往由于沒有獨立的思路，無法解決這一問題，同時此種教學模式也違背了素質教育的目標，并不利于學生自身的發展和建設。針對這一情況，在Python課程的教學中，教師應該以培養學生計算思維為主要工作目標，以掌握基礎理論為輔助，高效運用計算思維分析解決問題，不斷深化理論知識的內涵，提高學生解決問題的能力，促進學生未來的全面發展。

三、課標下Python在計算思維培養方面的優勢

在課改背景下，Python程序語言進入高中信息技術課程，可見其優越性。Python是一種簡單的程序設計語言，它不僅具有簡潔性、易讀性以及可擴展性的特點，而且它上手快、學習難度低，對初學者進行計算機語言學習很有幫助。高中生在學習Python的相關課程中可以不用花太多的精力在處理這些代碼的格式錯誤上，另外也不用糾結一些語法細節，他們的注意力應該在尋求不同情境解決問題的辦法、探究程序自身的算法以及其各個領域的應用上。這無形當中訓練了學生的計算思維。因為計算思維的核心內容就是將復雜的問題進行分解，使其變為一個個簡單模塊，然后對這些模塊進行分析研究，最終解決所有的問題。簡單說，就是化繁為簡。因此在Python課程中進行計算思維的培養，會讓抽象復雜的問題更加具體化、簡單化，學生通過問題的轉化，建立起模型，進而通過Python程序有效實現解決問題。由此可見，Python課程在對學生進行計算思維的培養中有著得天獨厚的優勢。通過Python程序有效解決問題，學生的注意力主要會集中在分析問題和解決問題的過程中，不再只是面對抽象的程序設計的理論與算法，同時還可以將各自專業和學科知識融入其中。總之，在高中信息技術教學活動中應用Python分析和解決問題，讓學生不斷深入思考、自主合作探究，對于學生計算思維構建有著極大的意義[5]。

四、基于計算思維培養的高中Python課程教學模式思考

在課標背景下，教師應當圍繞對學生進行計算思維培養的思路對Python課程進行教學設計進行，充分發揮Python的特點。在教學活動設計中，首先制訂一個項目任務，然后根據項目任務需求構建若干個問題模型，教師在設置問題時，需要把握問題的層次性、導向性、多樣化等特點，充分發揮問題驅動教學模式的優勢，刺激學生思考探究。因此在課前階段開展自主探究環節，通過創設問題情境引導分析問題，在課中階段開展合作探究、解決問題環節，在課后階段開展評價、改進、總結環節等多種教學模式，重視學生在課堂中的主體地位，構建一個完善的問題驅動課堂，引導學生擺脫對教師的依賴，形成養成獨立深入思考的習慣和自主解決問題的能力，實現計算思維的培養。

五、基于計算思維培養的高中Python課程教學策略

（一）課前階段

教師可以借助微課視頻引導學生開展自主探究項目學習。選擇恰當的視頻內容，并在視頻里設置相關課程問題以新穎的形式呈現出來，不僅吸引了學生的注意力，還能夠激發學生的興趣，使得他們對本節課所學的內容進行自主探究學習，內化相關的知識。例如：在學習《認識“人工智能”》這一章節內容時，教師可以在上課前，讓學生自主復習Python程序語言的基本語法、數據類型、結構及函數內容等基礎知識。那么在這節課微課視頻導入末尾處，就可以提出相關問題讓學生進行自主探究項目：如何將家里電燈改造讓其也有語音控制功能。學生會根據這個情境進行思考分析，接著觀看視頻資源再次思考什么是人工智能。隨后設置問題：1.人工智能應用有哪些？（提供《漫談人工智能》視頻）2.LD3322智能語音控制模塊功能了解（教師提供LD3322控制繼電器及串口使用視頻及智能公元平臺IO口配置說明），這部分讓學生了解改造語音控制電燈原理資源及相應算法邏輯結構，讓學生明白現實世界和計算機世界邏輯關系，讓學生明白電路開關在程序中就是一個選擇結構模型。3.領悟問答機器人原理。人機是如何進行對話的？對這些不同情境問題的思考都在不斷刺激著學生的探索求知欲，一定程度上促進著他們個性思維的形成，從而實現對學生抽象、算法、歸納等計算思維能力的培養。

（二）課中階段

對課堂問題進行答疑解惑并且小組合作探究思考分析解決問題，是課中階段要進行的主要任務。也是對學生進行計算思維培養的關鍵所在。在課堂答疑解惑環節中，教師通過問題驅動開展課程，在學生明確問題后，教師通過任務驅動讓學生了解本節課中的各類針對點，以此逐步促進學生學習知識點。例如：可以為學生設置體驗任務：體驗計算機視覺（手勢識別），讓學生體驗在攝像頭前面比畫手指數量，計算機能識別數字。組織學生小組合作探究環節（語音識別）：利用LD3322智能語音控制模塊對電燈語音控制小組探究實踐等。此過程需要教師把握情境設置，情境設置能夠促進學生對問題的理解程度以及學生有對相應硬件及控制邏輯關系理解程度。無論是情境還是問題的提出都應該在學生自身知識結構范圍內，并且還應該重視引導方式，讓學生能夠在問題分析時，形成自我判斷和認知的過程。通過語音控制電燈（用12v電燈，電源，線路模擬電燈環境）讓學生了解了控制過程邏輯關系。學生在分組合作情況下完成任務，并體驗語音控制電燈開關樂趣，這個過程是對課前階段認知進一步驗證，此過程也是建設計算思維的關鍵所在。

例如：在分析問題時，教師可以采取兩種方式讓學生對問題進行分析。首先是自主分析，在自主分析結束后選擇合作分析，開發每一個人的思維，并且綜合每一個學生的結論，教師對其進行整合。在分析問題時，教師還應該循序漸進由簡到難，按照這樣的過程進行問題分析。在智能問答系統中，用戶向智能機器人提問后，智能問答系統首先從FAQ庫中尋找是否包括用戶的問題（問句），如果包含問句，則直接返回問句對應的答案給用戶，從而省去后面一系列步驟；否則，進入問題理解模塊。FAQ庫主要用于提高智能問答系統的效率，其主要技術就是問句相似度計算和候選問句的選擇。再把排序后相似度最高的結果作為答案反饋給用戶。這個過程中計算機是如何把系統中已有的相似問題的正確答案按問句相似度進行排序的？計算機是按“if.then.”的形式給出判斷，判斷分析過程中是按Jaccard（杰卡德）相似度算法（兩個數據集合交集個數除以兩個數據集合并集個數），在討論過程中實現組內修正并形成最終方案，隨后根據方案通過Python程序軟件進行代碼實現，進行調試產生結果（jaccard算法如下所示）。教師在合作探究過程中針對各組情況進行個別輔導，并對問題進行點評，給予肯定及修改意見。

#計算jaccard系數

def jaccard（p，q）：

common=0

for item in p：

if item in q：

common += 1

if common==0：

return 0

print（common）

return float（common/len（p） + len（q） -common）

#注意：在使用之前必須對兩個數據集去重

a=[“空調機”“有”“什么”“功能”“？”]

b=[“空調機”“的”“功能”“有”“哪些”“？”]

res=jaccard（a，b）

print（res）

（三）課后階段

課后階段同樣需要教師起到一定的引導作用，適當地促使學生可以將學習中所遇到的各類問題制作成相應的報告內容，讓學生結合報告內容總結實際學習問題，為后續提高教學效率和質量做出鋪墊。教師應該結合各組評價進行反思總結，其中包含了自評、他評、教師評價，以此促進學生改進，不斷總結經驗，從而提高自身學習能力。同時教師可以根據Python對Jaccard相似度算法的教學內容，為學生提供具有針對性的練習內容，促使其能夠結合實際教學課程和網絡課程內容對習題進行完善，再次鍛煉學生的計算思維。因此這節課后作業：教師讓學生計算下列兩個語句的Jaccard相似度系數，并利用Python語言編程求出Jaccard相似度系數。A：小鳥最初的振翅試飛不就是為了將來能夠搏擊長空、履行反哺之義嗎？B：小鳥最初的振翅試飛就是為了將來能夠搏擊長空、履行反哺之義。思考如何提煉這關鍵字？用第三方庫jieba中文分詞組件實現，實現問題驅動模式的遞進，從而對Jaccard工作原理更深入地理解，再次鍛煉了學生的計算思維。這些課后任務完成情況就必須依靠網絡課程平臺來幫助教師查看學生掌握本節內容情況，學生也可以通過平臺帶動學生回憶課程教學內容，以此完成課后練習題，并且進行查缺補漏，針對自身不理解內容，通過網絡平臺可以對其深化，以便于學生自己找出自身缺陷。此過程為此項課程提供良好的后期授課條件，同時也促成了計算思維的再次鞏固，為下節課的教學提供資料支持，便于Python課程的高效開展。

結束語

綜上所述，首先在課前準備中教師利用問題的提出，讓學生對問題進行解決，促使思維運轉；其次教師引導學生在項目解決過程中將問題中的難點提煉出來，讓其開始討論分析問題，此時學生的思維在不斷運轉之中；最后在分析出結論之后，教師結合學生自身實際情況，合理設定擴展內容，逐步讓思維循環運作，以此在潛移默化中培養學生計算思維能力。

參考文獻

[1]鞠靜.基于計算思維培養的高中信息技術Python課程教學策略研究[J].中國多媒體與網絡教學學報（下旬刊），2021（3）：116-117.

[2]嚴唯.針對計算思維培養的高中Python課程教學思路初探[J].科幻畫報，2021（4）：203-205.

[3]劉承林.計算思維培養視角下高中Python課程教學模式研究[D].濟南：山東師范大學，2019.

[4]邢慧卿.基于STEAM教育理念的高中生計算思維培養的教學研究：以高中Python課程為例[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2021.

[5]馬新哲.針對計算思維培養的高中Python課程教學思路初探[J].教育園地，2019（17）：64-65.