初中生算法思維培養(yǎng)的困境、致因與對(duì)策

公彥利

摘要：本文針對(duì)目前初中生算法思維能力存在的諸多困境，提出應(yīng)通過(guò)程序設(shè)計(jì)教學(xué)、單元整體教學(xué)和學(xué)科整合教學(xué)等策略突破，來(lái)提升學(xué)生算法思維培養(yǎng)的效度，提高學(xué)生未來(lái)邏輯處事能力。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;算法思維;單元設(shè)計(jì);課程整合

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2022）13-0096-03

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，高中信息技術(shù)核心素養(yǎng)主要包含信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新和信息社會(huì)責(zé)任。而計(jì)算思維主要是由算法思維、分解、抽象和概括四個(gè)方面構(gòu)成，其中算法思維是核心。初中階段是為高中階段夯實(shí)基礎(chǔ)的關(guān)鍵期，也是落實(shí)抽象邏輯思維培養(yǎng)的黃金期，對(duì)算法思維的培育和形成至關(guān)重要。

● 算法思維培養(yǎng)的困境及致因

從教學(xué)實(shí)施情況來(lái)看，初中生算法思維的培養(yǎng)主要存在以下問(wèn)題：

①教學(xué)方法不當(dāng)。學(xué)科雖然強(qiáng)調(diào)用信息技術(shù)工具解決實(shí)際問(wèn)題，但學(xué)習(xí)內(nèi)容多為各類應(yīng)用軟件，缺乏對(duì)計(jì)算機(jī)自身處理信息方式的認(rèn)識(shí)和理解，缺乏對(duì)算法教學(xué)的整體設(shè)計(jì)，導(dǎo)致算法思維的培養(yǎng)找不到根基，缺乏有效的載體。

②專業(yè)引領(lǐng)不強(qiáng)。部分教師片面地將其歸類為抽象的概念，認(rèn)為超出學(xué)生的認(rèn)知范圍，從而忽略了對(duì)學(xué)生解決問(wèn)題的思維能力的培養(yǎng)。

③學(xué)科滲透不足。算法思維僅在編程教學(xué)中有所體現(xiàn)，但也只是向?qū)W生灌輸算法思維的學(xué)習(xí)內(nèi)容，導(dǎo)致其體驗(yàn)不到解決問(wèn)題的過(guò)程。

算法思維培養(yǎng)在初中階段實(shí)踐層面遇到困境，其原因是綜合性的，需要整體分析論證。

①思想認(rèn)識(shí)不到位。很多一線教師對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的理解不夠，注重知識(shí)傳授、忽視學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)現(xiàn)象比較普遍。

②專業(yè)指導(dǎo)不到位。各級(jí)教育部門認(rèn)可算法思維對(duì)提高學(xué)生問(wèn)題解決能力的積極作用，但缺少針對(duì)中小學(xué)的具體實(shí)施策略，缺少對(duì)教師的專業(yè)引導(dǎo)培訓(xùn)。

③課程統(tǒng)整不到位。從現(xiàn)狀來(lái)看，大多數(shù)學(xué)校缺乏課程整合意識(shí)、課程整合能力和課程整合機(jī)制，導(dǎo)致學(xué)科素養(yǎng)培育流于形式，學(xué)科核心素養(yǎng)培育低效甚至無(wú)效。

● 算法思維培養(yǎng)困境的出路

初中信息技術(shù)課程強(qiáng)調(diào)基于問(wèn)題，選擇合適的技術(shù)，進(jìn)行有效的信息處理，從而使問(wèn)題得到解決，這個(gè)過(guò)程和算法思維的培育過(guò)程高度契合。因此，參與信息技術(shù)學(xué)習(xí)的過(guò)程，就是形成算法思維的重要過(guò)程。

1.從理解算法本身培育算法思維

算法學(xué)習(xí)是很好的思維訓(xùn)練工具，能有效提升學(xué)生算法思維水平。程序設(shè)計(jì)是幫助學(xué)生獲得解決問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)的一種快速、明確的途徑，其一般過(guò)程為：提出問(wèn)題—分析問(wèn)題—設(shè)計(jì)算法—編寫程序—調(diào)試運(yùn)行—檢測(cè)結(jié)果。以程序設(shè)計(jì)為載體，學(xué)生可以掌握一些常用的算法思想，如通過(guò)雞兔同籠問(wèn)題了解窮舉法、通過(guò)楊輝三角問(wèn)題了解遞推法、通過(guò)走迷宮問(wèn)題了解回溯法、通過(guò)漢諾塔問(wèn)題了解遞歸法等。

（1）巧用示例將算法概念形象化

算法是非常抽象的，教學(xué)中可適當(dāng)設(shè)計(jì)一些游戲，幫助學(xué)生快速理解算法及相關(guān)概念。例如，在學(xué)習(xí)“算法思想初探”時(shí)，設(shè)計(jì)“神算小諸葛”游戲讓學(xué)生對(duì)算法初步形成認(rèn)知。教師任意選取1到20之間的某個(gè)數(shù)字，猜到的學(xué)生即為“神算小諸葛”。每個(gè)學(xué)生都有一次機(jī)會(huì)問(wèn)“是*嗎？”，教師回答“是”或“否”。第一輪，學(xué)生隨機(jī)猜測(cè)。第二輪，學(xué)生按順序進(jìn)行猜測(cè)，如“是6嗎？”“是7嗎？”，學(xué)生可以多次猜測(cè)，這就是“順序查找”。第三輪，教師首先向?qū)W生透露數(shù)字的大體范圍，學(xué)生減半詢問(wèn)，如“是小于10嗎？”，再問(wèn)“是小于5嗎？”，這就是“二分查找”。通過(guò)游戲，學(xué)生親自體驗(yàn)解決問(wèn)題的過(guò)程和方法，更有利于對(duì)抽象概念的理解，從而達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

（2）使用流程圖描述算法加深理解

使用流程圖不僅可以讓學(xué)生清晰地了解解決問(wèn)題的一般過(guò)程，而且還能使其理解計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的核心思想。

（3）培養(yǎng)算法選擇與優(yōu)化的意識(shí)與能力

在程序教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)同一問(wèn)題設(shè)計(jì)多樣化的算法，通過(guò)討論比較，選擇其中最優(yōu)的算法，培養(yǎng)學(xué)生算法選擇與優(yōu)化的意識(shí)和能力。例如，求100以內(nèi)的偶數(shù)和，可比較下列三種算法：

算法一  For i=1 to 100

If i mod 2=0 Then s=s+i

Next i

算法二 For i=1 to 50

S=s+i*2

Next i

算法三 s=（2+100）*50/2

2.單元整體教學(xué)融入算法思維

教師可以聚焦問(wèn)題解決，通過(guò)單元整體設(shè)計(jì)重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，每節(jié)課讓學(xué)生通過(guò)“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題”這一步驟完成學(xué)習(xí)任務(wù)，利用每個(gè)單元有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生逐步形成算法思維。

（1）使用任務(wù)驅(qū)動(dòng)等模式組織教學(xué)

讓學(xué)生每節(jié)課都體驗(yàn)問(wèn)題解決的過(guò)程。例如，用WPS文字制作電子板報(bào)，首先讓學(xué)生思考：如何制作電子板報(bào)？制作電子板報(bào)需要哪些過(guò)程？第一步，確定主題。如何讓主題更明確？第二步，確定內(nèi)容。應(yīng)該搜集哪些素材？第三步，搜集素材。搜集的素材能不能直接使用？第四步，處理素材。怎樣將素材填充到版面中？……以制作電子板報(bào)為任務(wù)，學(xué)生切身體會(huì)到條理化地分析解決問(wèn)題的過(guò)程，既培養(yǎng)了創(chuàng)新和協(xié)作意識(shí)，又提高了信息加工與表達(dá)能力，提升了信息綜合素養(yǎng)。

（2）開(kāi)展單元整體教學(xué)

單元整體教學(xué)強(qiáng)調(diào)單元目標(biāo)的整體性、課時(shí)目標(biāo)的階梯性，有助于學(xué)科體系的構(gòu)建，對(duì)學(xué)科素養(yǎng)的養(yǎng)成特別是算法思維的培育有著不可替代的作用。例如，《數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析》單元的教學(xué)目標(biāo)有三個(gè)：一是了解圖表的特點(diǎn)，熟練制作圖表;二是掌握對(duì)數(shù)據(jù)及圖表的分析方法;三是根據(jù)圖表，形成結(jié)論。教師首先對(duì)本單元進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，將單元主題確立為“對(duì)學(xué)校午餐的滿意度調(diào)查及提出改進(jìn)意見(jiàn)”，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析分各種方法滲透其中，引發(fā)學(xué)生共鳴。調(diào)查問(wèn)卷的設(shè)計(jì)需要縝密的思維，問(wèn)卷的發(fā)放、回收需要團(tuán)結(jié)合作，觀點(diǎn)的闡述需要良好的語(yǔ)言表達(dá)，整個(gè)任務(wù)的完成就是“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—分析問(wèn)題—解決問(wèn)題”這一算法思維形成的過(guò)程。這種整體設(shè)計(jì)，使學(xué)生對(duì)調(diào)查研究的過(guò)程、方法和步驟有了系統(tǒng)的了解、認(rèn)識(shí)和積累，在調(diào)查的過(guò)程中掌握了知識(shí)，提升了思維能力。

3.跨學(xué)科統(tǒng)整滲透算法思維

開(kāi)展跨學(xué)科統(tǒng)整能為學(xué)生提供更為復(fù)雜的情境，讓他們有機(jī)會(huì)整合和運(yùn)用不同學(xué)科的觀念、方法和工具，生成可遷移的知識(shí)和技能，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)培育的整體化、深度化、具體化實(shí)施，有助于學(xué)生充分體驗(yàn)跨學(xué)科方式解決問(wèn)題的過(guò)程。

（1）信息技術(shù)與學(xué)科深度融合

以信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合為切入口，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科課程的統(tǒng)整。例如，由歷史、道德與法治、信息技術(shù)等學(xué)科共同參與的“數(shù)字化沂蒙精神”課程，整合了語(yǔ)文課中的革命傳統(tǒng)文化教育、歷史課上的愛(ài)國(guó)主義教育、道德與法制課上的核心價(jià)值觀教育，綜合運(yùn)用信息技術(shù)手段多方式呈現(xiàn)。有的學(xué)生用演示文稿等多媒體手段講紅色故事，有的學(xué)生用圖形化編程體驗(yàn)紅色活動(dòng)，有的學(xué)生選擇用開(kāi)源硬件或3D打印創(chuàng)作紅色實(shí)景，有的學(xué)生用VR技術(shù)展示紅色場(chǎng)館。風(fēng)采各異的融合背后，體現(xiàn)的是學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—分析問(wèn)題—尋求解決辦法”的思維過(guò)程，這正是學(xué)科教學(xué)的價(jià)值所在。

（2）跨學(xué)科“項(xiàng)目化學(xué)習(xí)”

通過(guò)讓學(xué)生體驗(yàn)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的全過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的算法思維。例如，在學(xué)習(xí)WPS文字時(shí)，創(chuàng)設(shè)“我是設(shè)計(jì)師”項(xiàng)目，要求與其他學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容相結(jié)合，創(chuàng)作體現(xiàn)不同文化內(nèi)涵的郵票作品，有的學(xué)生結(jié)合品德與社會(huì)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了《百年公交》系列郵票，展示了從老式公交車、有軌電車、磁懸浮列車、新能源公交車演變的過(guò)程，在學(xué)習(xí)使用軟件的同時(shí)，滲透了愛(ài)國(guó)主義教育。

（3）與生活體驗(yàn)無(wú)縫銜接

算法思維不僅存在于計(jì)算機(jī)程序中、學(xué)科教學(xué)中，而且存在于生活中的方方面面。例如，使用者在瀏覽網(wǎng)頁(yè)后，會(huì)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站經(jīng)常給推送“你感興趣的頁(yè)面”“你喜歡的圖書”“你熱衷的八卦”等，這就是經(jīng)典的“推薦算法”。又如，教學(xué)《條件語(yǔ)句》這一課時(shí)，教師可以結(jié)合生活中的垃圾分類設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)項(xiàng)目“智能垃圾桶”。通過(guò)設(shè)計(jì)算法、編寫程序，讓垃圾桶實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別和智能分類存放的功能，解決生活中的難題。

學(xué)生算法思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，用算法思維解決問(wèn)題的能力也需長(zhǎng)期培養(yǎng)。所以，教師在落實(shí)算法思維培養(yǎng)的過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)不同學(xué)段，按照由易到難、螺旋上升的原則進(jìn)行布局，既立足信息技術(shù)課程，又兼顧其他學(xué)科滲透，最后還要與生活高度融合。

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本文為山東省十三五教育科學(xué)規(guī)劃課題“勝任力視角下人工智能教師專業(yè)成長(zhǎng)路徑研究”（編號(hào)：2020ZC199）階段研究成果，臨沂市初中信息技術(shù)名師工作室成果。