高中生計(jì)算思維培養(yǎng)中的教師因素
——以《數(shù)據(jù)編碼》為例

王旭 江蘇省黃埭中學(xué)

從本質(zhì)上講，計(jì)算思維是一種更有效的解決問題的方法。在新課程背景下，信息技術(shù)課程更多的是讓學(xué)生去探索技術(shù)背后的方法與思想，去探索人類如何讓計(jì)算機(jī)工作、人機(jī)如何共存等問題，在學(xué)習(xí)與探索中提升學(xué)生計(jì)算思維能力。學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)是理論與實(shí)戰(zhàn)結(jié)合的過程，而由于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不同，學(xué)生對理論知識的領(lǐng)會及解決實(shí)際問題的能力必然有很大的差距，這無形中提高了教師的教學(xué)難度。因此，筆者結(jié)合教科版第三章第一節(jié)《數(shù)據(jù)編碼》的教學(xué)，以教師為主體，對信息技術(shù)課堂計(jì)算思維的培養(yǎng)進(jìn)行了探究。

● 課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中的教師主體作用

1.信息道德修養(yǎng)

讓教師成為“有思想的實(shí)踐者”，是新課程改革的靈魂。教師應(yīng)注重提升自身的信息道德修養(yǎng)，樹立正確的審美觀和價(jià)值取向，以無私、客觀的態(tài)度對待課堂中出現(xiàn)的問題。教師應(yīng)辨別有用信息與無用信息，引領(lǐng)學(xué)生發(fā)展積極向上的思維，培養(yǎng)學(xué)生樹立正確合理使用信息的能力。

2.充足的知識積累

計(jì)算思維涉及的知識是多學(xué)科的，其中包括哲學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)、建筑、教育等不同領(lǐng)域。教師擁有豐富的知識基礎(chǔ)，可以保證一系列思維活動的順利開展。

例如，在《數(shù)據(jù)編碼》第一課時(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，筆者仔細(xì)分析了生活中文本圖片的基本信息采集的多種方式，其中包括簡單的方式和比較實(shí)用的方式。簡單的方式是類似輸入法手動輸入、語音輸入等比較普及的信息錄入方式。比較實(shí)用的方式是類似一些OCR工具軟件的使用，使得信息錄入的準(zhǔn)確度、效率進(jìn)一步提高。另外，從計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)出發(fā)，還有更加專業(yè)的方式，如通過Python編程實(shí)現(xiàn)海量圖片的處理。

3.信息加工能力

思維的創(chuàng)新來自實(shí)踐。教師在具體實(shí)踐中可以嘗試多種思維訓(xùn)練，圍繞課堂主題創(chuàng)設(shè)多問題情境，力爭把最優(yōu)的活動帶進(jìn)課堂，在教學(xué)過程中準(zhǔn)確引領(lǐng)學(xué)生。

在《數(shù)據(jù)編碼》的“進(jìn)制換算”教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師熟練掌握二進(jìn)制和十進(jìn)制之間的換算方法，并熟練掌握其他進(jìn)制之間的換算是非常必要的，這是引導(dǎo)學(xué)生完成進(jìn)制換算項(xiàng)目任務(wù)的基本要求。在項(xiàng)目任務(wù)拓展階段，尤其需要教師引領(lǐng)學(xué)生采用多種信息化手段來解決問題。針對信息化工具的應(yīng)用，教師可以指導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)自帶的程序員型計(jì)算器來實(shí)現(xiàn)；針對信息化工具的開發(fā)，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生探究利用Python代碼來實(shí)現(xiàn)進(jìn)制換算。在活動中，學(xué)生通過理解進(jìn)制換算的規(guī)則、深入體驗(yàn)信息化手段來實(shí)現(xiàn)進(jìn)制換算的過程。學(xué)生順利實(shí)現(xiàn)對任務(wù)的拓展探究，離不開教師對各種進(jìn)制換算機(jī)制、各種循環(huán)算法及特點(diǎn)的熟練掌握。教師計(jì)算思維能力高，就能更精準(zhǔn)地創(chuàng)設(shè)課堂情境，更好地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。在平時(shí)的信息技術(shù)課堂中，教師還要不斷探索適合計(jì)算思維培養(yǎng)的最優(yōu)化的教學(xué)情境，在情境中解決問題，避免把學(xué)生置于枯燥的概念之中。

在課堂設(shè)計(jì)過程中，教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)適合本節(jié)課內(nèi)容的課堂情境，讓學(xué)生在情境中思考數(shù)據(jù)編碼的概念，掌握運(yùn)用多種方式解決問題的能力。在具體問題中引導(dǎo)學(xué)生思考利用信息化手段解決問題與傳統(tǒng)方式的不同，通過活動了解利用信息化手段解決問題的特點(diǎn)。

● 情境設(shè)計(jì)中的教師主導(dǎo)作用

1.游戲式情境是課堂教學(xué)的催化劑

游戲式項(xiàng)目教學(xué)具有兩個(gè)特點(diǎn)：其一，活躍課堂氣氛；其二，將知識融入游戲之中，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

“進(jìn)制換算”一直被學(xué)生們當(dāng)成知識難點(diǎn)，也通常被教師作為教學(xué)重點(diǎn)。而游戲式項(xiàng)目教學(xué)能把學(xué)生帶入情境，在情境中理解知識，利用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)突破思維深度，提高解決問題的準(zhǔn)確性。因此，結(jié)合教材的內(nèi)容，筆者在課堂中設(shè)計(jì)了卡牌游戲；將5張卡牌從右向左依次排開，正面分別寫有1、2、4、8、16，用數(shù)字1表示當(dāng)前牌正面朝上，由數(shù)字0表示當(dāng)前牌正面朝下。將班里學(xué)生分為6個(gè)組，每個(gè)組輪流隨機(jī)出5位0和1組成的串來表示從右向左卡牌正面朝下還是朝上，其他組搶答對應(yīng)牌面朝上的數(shù)字和是多少。

從課堂表現(xiàn)看，學(xué)生們起初的反應(yīng)有些遲鈍，但當(dāng)逐漸掌握了游戲的竅門后，就能很快運(yùn)算出結(jié)果。但是，本項(xiàng)目活動的最終目是引導(dǎo)學(xué)生思考其中的原理，深入理解其中的運(yùn)算機(jī)制。所以，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析出這5個(gè)數(shù)的數(shù)學(xué)規(guī)律：它們之所以和二進(jìn)制之間有直接對應(yīng)關(guān)系，是因?yàn)樗鼈冎g依次為二倍關(guān)系。利用基數(shù)和指數(shù)表示它們依次為20、21、22、23、24。讓學(xué)生從原理上清楚十進(jìn)制是如何與二進(jìn)制進(jìn)行對應(yīng)的。

經(jīng)過拓展得知，八進(jìn)制的基數(shù)為8，它們對應(yīng)的卡牌值則為80、81、82、83、84。十六進(jìn)制的基數(shù)為16，同樣它們對應(yīng)的卡牌值為160、161、162、163、164。由此，就實(shí)現(xiàn)了從二進(jìn)制的運(yùn)算拓展到八進(jìn)制和十六進(jìn)制的換算。通過游戲式的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，還將多種知識融合拓展，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散性思維。

2.前后承接的活動設(shè)計(jì)是課堂教學(xué)的階梯

前后承接的游戲式項(xiàng)目教學(xué)能更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生的潛能，提高學(xué)生之間的協(xié)作能力。因此，結(jié)合前面的項(xiàng)目活動，筆者設(shè)計(jì)了如下活動：現(xiàn)有255個(gè)相同的蘋果，事先分裝成若干袋，每袋裝若干個(gè)蘋果，當(dāng)用戶來買蘋果時(shí)，無論他要多少個(gè)（在0到255之內(nèi)），都可以不拆開袋子，直接選取幾個(gè)袋子給他。那么，應(yīng)該怎樣裝袋？如果他要100個(gè)蘋果，應(yīng)給他哪幾袋？

面對這樣的問題，最簡單直接的解法就是裝255個(gè)袋子，每個(gè)袋子一個(gè)蘋果。學(xué)生經(jīng)過討論與思考，很容易發(fā)現(xiàn)255個(gè)袋子顯然不是最好的答案。前面5張卡牌項(xiàng)目活動的結(jié)論“任何十進(jìn)制數(shù)都可以用二進(jìn)制數(shù)來表示”是解決問題的關(guān)鍵。本題蘋果數(shù)量最大值為255，由于28=256，所以本題就可以轉(zhuǎn)化為8張卡牌的問題。

8張卡牌對應(yīng)8個(gè)口袋，8張卡牌上面的數(shù)值對應(yīng)8個(gè)口袋內(nèi)的蘋果數(shù)量分別為20、21、22、23、24、25、26、27個(gè)蘋果，至此問題迎刃而解。面對這樣的難題，學(xué)生從熟悉的卡牌入手，利用前面已經(jīng)掌握的知識點(diǎn)將問題分解，并從現(xiàn)象到本質(zhì)，較深層次地理解了進(jìn)制的應(yīng)用，計(jì)算思維能力得到快速提升。

● 課堂有效實(shí)施中的教師關(guān)鍵作用

計(jì)算思維幾乎滲透到了各個(gè)學(xué)科，因此，課堂設(shè)計(jì)可以融入多學(xué)科的知識。例如，在分蘋果項(xiàng)目活動中，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較弱的學(xué)生可能會出現(xiàn)思維卡殼的情況，這時(shí)教師可以利用分治的思想引導(dǎo)學(xué)生把項(xiàng)目進(jìn)行切塊，降低維度，逆向思考，如根據(jù)前面的活動把5張卡牌能夠表達(dá)的十進(jìn)制范圍列出來，解決了5張卡牌的表達(dá)范圍，接下來可以嘗試6張卡牌表達(dá)的十進(jìn)制數(shù)的范圍，依此類推，當(dāng)8張卡牌表達(dá)的十進(jìn)制數(shù)范圍算出來時(shí)，分蘋果問題也就迎刃而解了。因?yàn)?8=256，第9張卡牌對應(yīng)的蘋果數(shù)超出了蘋果總數(shù)255，所以最多需要8張卡牌，也就是8個(gè)袋子就足夠了。在分析的過程中筆者發(fā)現(xiàn)，蘋果數(shù)越多，相應(yīng)運(yùn)算的復(fù)雜度也就越大，因此，可以通過數(shù)據(jù)大小來控制活動的難度。另外，答案的準(zhǔn)確性驗(yàn)證也對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)有一定要求。教師作為引導(dǎo)者要做好各方面的知識儲備，引導(dǎo)學(xué)生利用多學(xué)科知識解決問題。

在實(shí)際教學(xué)中，項(xiàng)目活動最終都要靠團(tuán)隊(duì)協(xié)作來完成。因此，教師要精心準(zhǔn)備素材，引導(dǎo)學(xué)生利用多學(xué)科知識，通過小組協(xié)作學(xué)習(xí)、共同研究等多種途徑，解決各種難度的問題。在這樣的氛圍下學(xué)習(xí)既輕松又富有成就感，同時(shí)這也是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的理想途徑。