剝開編程教學中“知識”的堅硬果殼

張永順 江蘇省清江中學

胡連國 山東省利津縣高級中學

王愛勝 山東省青州第一中學

由于信息科技課程中算法與程序設計教學、人工智能等內容與傳統文化知識差異很大，所以學習起來有一定的難度。因此，教師需要在教學中盡最大可能去剝開這些“知識”的堅硬果殼，才能讓學生吃到里面的果肉，吸收其營養，增長智慧。

● 發現：從Python的“bug”認識數據計算精度

數據的計算精度，其背后的原理是二進制。以往，在C、C++、Pascal等語言中是需要進行數據類型定義的，而在Python中相對粗獷，這就容易出現誤會。可這也為在發現問題中認識知識提供了機會。

1.案例：發現了多余的小數

一天，在講授運算符與表達式時，為了讓學生熟悉運算符、操作數，我給他們布置了一個小練習：利用Python內置的idle編輯器嘗試進行一些常見的數據運算，如加、減、乘、除，在給定幾個例子之外，我也請同學們發揮自己的主觀能動性，多嘗試幾組數據。當布置完任務之后，學生們都積極地投入到數據計算的測試之中。這時，一個平時比較活潑的學生在測試了幾組數據之后，突然舉手，我示意他站起來。他站起之后大聲說：“老師，我發現了一個Python程序的bug。”此時，班內氣氛頓時熱烈起來。

“哦，是什么bug呢？能不能給我演示一下？”

“老師，是這樣的，當我使用16.888乘以100時（如圖1），結果多了一個小尾巴！”

圖1

見此情景，我立即表揚了這位學生的積極探索，并趁熱打鐵給學生們深入解釋：①在Python中使用兩個浮點型的數據進行計算時，會發現某些時候計算并不準確，如1.1+2.2結果是3.3000000000000003。這主要是二進制無法精確表達十進制小數的結果。例如11.11，整數部分按權展開1*2**1+1*2**0=(3)10，小數部分1*2**-1+1*2**-2=(0.75)10，可見二進制小數能精確表達十進制小數。②反過來，如果把十進制中的小數部分轉為二進制，把該小數不斷乘2、取整，直至沒有小數為止，發現有時候并不能乘盡。也就是有的小數其實并不能精確地轉換成二進制的小數，限于數據類型的長度，只能近似地表達，如(0.45)10≈(0.0111001……)2無法精確表達。因為在計算十進制小數時要先轉化成二進制再進行計算，又因為二進制小數無法精確表達某些十進制小數，此時Python只能盡量保證精度。如果要求特別精確，在Python語言中需要用到decimal，這是Python內置標準庫，用它可以進行精確浮點數運算。

總之，這位細心的學生確實發現了Python運算的“bug”，通過分析探索，學生更深刻地了解了計算機進行計算的本質，即數據類型、數據計算、二進制等知識。

2.案例反思

學生在遇見問題時有好奇心，能夠去思考與探索，這些發現不論大小都能夠增長學生的智慧，意義重大。在數據計算精度問題的研究中，還可以鼓勵學生搜索計算機語言在相關數據類型方面的規范，甚至嘗試其他計算機語言的簡單計算，構建更豐富的認知空間。

● 質疑：有沒有可以改變的步長

敢于對現象提出問題，正是思考的表現；敢于對知識提出質疑，正是主動認知的過程。例如，在循環中較少學生能夠提出range()的意義，大都局限在對其初值、終值、步長的思考。當有部分學生提出計數循環的步長是否可以更改時，教師可以鼓勵學生探索，使其在探索中深化對列表函數特點的認知。

1.案例：range()中的步長在循環中可變嗎？

“老師，range()是什么？”一個學生曾這樣問我。我解釋它就是一個列表函數。他又問怎么列表？我說：“在循環里不是講了嗎？”他說：“可老師講的是循環范圍，我不理解這是什么函數，為什么還自己產生這么多數呢？什么從初值開始，又到不了終值，步長還默認是1，好繞！”我鼓勵道：“你試著改改各個參數，觀察運行結果，在循環程序里體會！”過了一會兒，他又問道：“我試了試，步長可以是變量嗎？可是放在里面不變能呢？”（他給我看的程序如圖2所示）

圖2

我問道：“這說明什么？range()有什么特點？”他說：“步長不受后面變化的值影響？”我說：“總結一下就是range(）一次性先完成了。”（學生讓我給再講講，我沒有細講，而是給了他如圖3所示的幾個程序，讓他試驗，并要求他試完之后總結：①list是做什么的？②m的測試跟循環有什么不同？③range()、list(range())的數據類型分別是什么？）

圖3

后來，他又問道：“range(1,30,0.5)能否構成小數列表？”我解釋道：“調試與試驗是個法寶，以后學了while循環可以考慮用追加方法構造一個小數列表，到時也可以做自己的自由變化的步長了。”

2.案例反思

學生對函數的理解多數是單一的映射數值，并沒有多數據列表的認知，因此也可適當從集合角度去理解。range()值的特點、數據產生時間、整數特征等都可以在試驗中體會，可舉例證明。問題探究可以延伸出程序功能的升級實現，即學習while循環提高自由設計的思想。

● 類比：從書卡理解列表的應用

列表是Python的重要知識，大量的程序設計基于列表進行。但學生還沒有學習數學的“數列”，因此也無法建立數據集合的概念，所以，使用實際生活中的事物類比是破解難題的重要方法之一。

1.案例：書卡抽屜與列表的類比

有一天，一位學生歡喜地進門就喊道：“老師，我太想你了！我做夢都在編程序。”我贊道：“這說明你快成明白人了，就像學車做夢就快出手了。”學生說道：“可是夢里我什么都不會，夢見一抽屜的卡片上都是你演示的一段段的程序代碼，可就是看不清楚，都急死了！”我笑了，我是提過老圖書館抽屜里的卡片，但是我說的是貼個變量X、Y的標簽而已，哪有一大段代碼。正好當天的課上我要讓學生練列表，因此給學生提出了分步探索的要求：①根據代碼樣式，補充真實內容完成自己的程序。②每個環節的程序單獨從云課堂提交作業。

引導類比方式的探索如下：

（1）一抽屜的書卡是什么？（列表賦值）有多少張？（列表長度）哪張是第一張？（列表位置）程序如圖4所示。

圖4

（2）隨意抽出一張書卡是哪本書？（直接訪問列表數據）（刪除列表數據）程序如下頁圖5所示。

圖5

（3）怎樣全部查看書卡？（順序訪問列表數據、判斷數據）程序如圖6所示。

圖6

（4）有快速查找一本書的“方法”嗎？（列表索引位置的‘方法’）程序如圖7所示。

圖7

（5）拿出一摞卡片（列表切片），列表有很多用途，相應地有很多操作方式，還有列表排序list.sort()、列表切片list[x:y]等，學以致用是最好的學習。程序如圖8所示。

圖8

2.反思與總結

概念厘清，即一個概念及應用要列出1、2、3，搞清晰、有體驗，就算再做夢也不容易迷糊。操作都與需求相聯系。沒需求就不用發明這個操作了，所以編程也好、軟件也好，一個操作方法必然是對應著應用的，有什么用要對上號，自然就容易掌握。別強記規則，而是理解應用為宜。

● 比喻：彰顯自定義函數的神奇

比喻是最易理解的知識描述方式，因為它會更形象、生動、有趣，如把自定義函數比喻成自我DIY一個阿拉丁神燈，體現出可以“復用的代碼”的形象來。

1.案例：DIY一個阿拉丁神燈

每到“可以復用的代碼——自定義函數”這部分內容，我心里總是有個掙扎的聲音：內容太抽象了，學生理解起來太困難了，不上好像也不影響學業水平測試的結果，直接跳過吧！研讀課標與教材，發現程序中的自定義函數就是要讓學生理解：①為什么需要自定義函數？②自定義函數怎么寫？③自定義函數如何使用？我突發奇想，要不通過“DIY阿拉丁神燈”來講解這個自定義函數？

（1）視頻導入。播放“阿拉丁神燈”實現愿望的視頻片段，學生需要關注那盞“燈”的作用是什么？“燈神”住在哪兒？有什么作用？“燈神”是如何被喚醒的？

（2）程序觀察。向學生展示一段程序，提出問題：該程序實現什么功能？連續執行三次make_juice()能實現什么功能呢（如圖9）？

圖9

學生通過閱讀程序回答“make_juice( )是制作蘋果汁的流程，連續執行三次make_juice( )可實現制作三杯蘋果汁”等。學生通過代碼閱讀學會了自定義函數的定義和調用方法；通過觀察輸出的結果，明白了調用的作用是什么。繼續提出思考問題：這個程序能夠實現制作蘋果汁、香蕉汁、獼猴桃果汁各一杯嗎？

（3）模仿修改。模仿：在課堂教學中，學生通過復制制作蘋果汁函數，并將蘋果修改為香蕉和獼猴桃，調試運行，發現結果都是獼猴桃。在學生發現此路不通后，我適時提出了問題：make_juice( )函數被調用的時候，知道自己是做什么的嗎？如果不知道，該如何告知呢？

（4）增加參數。通過make_juice(‘蘋果’)語句告知我們要制作的是蘋果汁，這是在“召喚燈神”。①“神燈”設計。函數make_juice( )該如何接收“蘋果”這個值呢？通過增加參數，即用make_juice(fruit)形式，參數“fruit”用來接收水果名稱。②“神燈”使用。“燈”在接收到fruit參數后，在函數內部該如何來使用呢？以“將蘋果去皮”為例，通過將具體的水果名稱替換為變量“fruit”，將其修改為“將”+fruit+“去皮”，即可實現內部的名稱自適應功能。由此，make_juice(fruit)函數可以實現多種果汁制作了，這是“燈神”可以滿足不同要求的要訣。具體程序如圖10所示。

圖10

2.案例反思

通過“神燈”設計，修改自定義函數的參數是一種良好的“適用不同對象”的“召喚燈神燈”的代碼復用。還可以繼續探討使用“循環結構”對實現某個功能的基本語句的重復式復用。自定義函數能夠把多次重復的功能抽象成固定符號表達，也屬于結構化程序模塊設計，在程序中通過調用函數名稱和傳遞參數達到簡潔、靈活的功能現實。