例談高中Python教學中計算思維培養的策略

高連 浙江省湖州中學

●高中Python教學中計算思維培養存在的問題

在信息技術課堂中充分挖掘教學資源，培養與發展學生的計算思維仍困難重重，充滿挑戰。具體表現在以下三個方面。

1.計算思維概念理解不透徹

計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動，然而很多教師常是機械化地完成每節課的操作任務，不能將計算思維很好地融入項目教學，無法有效傳達計算思維的核心概念。

2.“解構”與“模式識別”不充分

在實際生活中，大部分學生對具體問題不會解構，而部分教師沒意識到這個問題，導致在教學中遇到需要結構的問題時，沒有引導學生如何思考、解構和模式識別。

3.總結、歸納不到位

在教學中，教師常采用題海戰術，很少深入分析題目間的差異，并總結歸納題目之間的聯系，導致學生花費大量時間做題，但無法有效提升解決問題的能力。

●高中Python教學中計算思維培養的策略

1.體驗使用“計算思維”解決問題的過程

高中信息技術課程要求學生通過具體的技術操作體驗，理解其背后的原理與格局、特點與局限，拓寬視野，發展思維。因此，教師可將學生的學習問題進行整合，幫助學生分析問題，并引導學生自主解決問題，培養其計算思維。

下面，筆者以編寫計算機程序（Python turtle）繪制一個正方形為例，呈現引導學生使用計算思維解決問題的步驟。

正方形是四邊形，相鄰的兩個夾角是90度，首先向Python turtle發出指令，讓它畫出一個正方形，調整函數的參數可以繪制不同大小的正方形。教師要引導學生做好問題的解構，使其了解更細致的內容，進而明確實際操作的步驟，即使用forward(distance)指令讓小烏龜前進一個指定的距離，使用turtle.left(degree)指令讓小烏龜逆時針轉動90度，如下頁圖1所示。接著，教師引導學生可以將該問題的計算思維“灌輸”給小海龜，讓它根據自己的思維執行相應的動作。

圖1

通過“解構”，把一個復雜問題分解成了一系列可控而容易解決的簡單任務，這樣能讓學生明白接下來的操作步驟。具體指令如圖2所示，運行結果如圖3所示。

圖2

圖3

學生通過觀察發現，繪制一個正方形，相同的指令重復了4次，使用了8行代碼。若要繪制一個正六邊形，則相同的指令需要重復6次，使用12行代碼，只不過是轉動的角度不同。基于此發現，學生便可以設計算法，解決類似的問題。

接下來，就可以引導學生利用for循環編制程序，具體如圖4所示。

圖4

引導學生進一步思考，他們會發現只需要進行兩處修改便可以實現代碼重用，可以推廣到任意正多邊形（如圖5），運行結果如圖6所示。

圖5

圖6

turtle繪圖是一個十分有趣的算法學習方式，教師引導學生獨立進行實踐操作，強化了學生的計算思維，激發了學生的積極性，也使學生在計算思維的體驗中明白了知識間的關聯性。

2.使用算法解決數學問題，培養計算思維

具備計算思維的學生，能對問題進行抽象、分解、建模，通過設計算法形成解決方案，并將其遷移運用于解決其他問題。下面是引導學生使用算法解決數學問題的例子—歐拉計劃的問題（Project Euler）。

網格路徑：從一個2×2網格的左上角出發，若只允許向右或向下移動，則恰好有6條抵達右下角的路徑（如圖7）。那么，對于20×20網格，這樣的路徑有多少條？

圖7

利用計算思維的解構與模式識別，會發現以下的規律：

這個網格是一個帶有四個小方格的正方形。想要找到所有路徑，可以選擇從左上角出發，則最上面一條邊的點只能是從左面過來，最左面一條邊的點只能是上面點過來，所以它們都只有一種路徑，而中間的點既可以是上面點過來，又可以是左面點過來。

進一步抽象之后，得到狀態方程：dp[i][j]=dp[i-1][j]＋dp[i][j-1]

具體的Python程序如圖8所示。

圖8

3.借用多層需求與多位格局案例發展計算思維

案例：智能城市交通優化。

背景：某城市的交通問題越來越嚴重，交通擁堵和交通事故頻發。為了解決這個問題，政府決定引入計算思維來優化交通系統。

多層需求：

市民需求—市民希望能夠更快、更安全地出行，減少交通擁堵和事故風險。

環境需求—減少車輛擁堵，降低尾氣排放，改善空氣質量，減少噪音污染。

經濟需求—提高交通效率，減少時間浪費，促進經濟發展。

多位格局：

政府部門—負責制訂交通規劃和政策，管理交通系統運行。

車輛駕駛員—負責遵守交通規則、道路安全，確保自身行車安全。

交通管理機構—負責交通信號燈、路牌等設施的設置和維護。

解決方案：

數據收集與分析—通過城市攝像頭、交通傳感器等設備收集交通數據，包括車流量、擁堵情況、事故發生地點等。

算法優化與模擬—使用計算機模擬來預測交通流動情況，根據實時數據和歷史數據，進行路網優化、信號燈優化等。

交通管理與協調—基于優化的結果，交通管理機構可以及時調整信號燈時間、道路限行政策等，以減少交通擁堵。

數據共享與智能導航—將優化后的交通數據共享給市民，讓他們可以通過APP等方式獲取實時路況信息，選擇最佳路徑出行。

教師利用案例引導學生利用計算思維來解決城市交通問題，啟發了學生思考問題及解決問題的方式。同時，還應為學生提供相似的例題展開專題練習，鞏固計算思維的培養。

根據教學實踐，筆者認為例題可從以下三種來源中選取：

一是選考真題中的主觀題。題目綜合性強，涉及多維度的復雜問題，教師可以根據其提供的情境，進行適度的改編。

二是信息學競賽中的相關試題。題目可能晦澀難懂，教師可通過講解，激發學生找到化繁為簡、深入淺出的表述方法，并最終達到觸類旁通、舉一反三的學習目標。

三是各類聯考卷中的“大題”。教師可以收集并選擇合適的題目，進一步抽象、提煉、整合。

總之，教師要積極培養學生的計算思維，使其能夠對現實中的真實問題提出新的解決方案，創造性地解決問題。