摘要：本文以Python學(xué)習(xí)為例，嘗試用直觀形象的可視化支持策略破解初中生計算思維培養(yǎng)過程中的難題，即通過可視化算法演示、可視化調(diào)試、可視化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、可視化概念理解等策略輔助學(xué)生分析問題、解決問題，培養(yǎng)其計算思維能力。

關(guān)鍵詞：初中生；計算思維；Python程序設(shè)計；可視化支持策略

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）16-0036-03

初中生計算思維培養(yǎng)之困境

程序設(shè)計是實(shí)現(xiàn)計算思維的一種實(shí)踐方式，它通過編寫代碼可以將計算機(jī)思維應(yīng)用于實(shí)際問題的解決中。Python語言因其簡潔、易讀、高效的特點(diǎn)而受到廣泛歡迎，它是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的良好著力點(diǎn)，但在實(shí)際的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生遇到了較多的困難：①資源匱乏，興趣不持續(xù)；②概念抽象，理解有困難；③實(shí)踐不足，成果難顯現(xiàn)；④學(xué)習(xí)被動，意識未轉(zhuǎn)變。

可視化支持策略的實(shí)踐應(yīng)用

心理學(xué)家赤瑞特拉通過大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)人類獲取的信息有83%來自視覺。這一研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了視覺在人類感知和信息獲取中的主導(dǎo)地位。皮亞杰認(rèn)知發(fā)展階段理論表明，初中學(xué)生的思維發(fā)展處于從形象思維邁入抽象思維的階段，他們可以進(jìn)行假設(shè)性思考，解決復(fù)雜的問題，并處理抽象的概念，但是抽象思維的能力還不強(qiáng)。因此，教師在培養(yǎng)學(xué)生計算思維的過程中可適當(dāng)應(yīng)用一些可視化支持策略，以輔助學(xué)生學(xué)習(xí)。

1.可視化算法演示

“算法”是信息科技課程中最基礎(chǔ)的邏輯主線之一，對學(xué)生來說，分析問題、生成算法是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。教師可采用流程圖、表格、動畫視頻等方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究。實(shí)踐證明，這些可視化工具可以有效幫助學(xué)生理解程序的三大結(jié)構(gòu)，并輔助其分析復(fù)雜的算法問題。

流程圖對描述算法有著重要的作用。例如，分支結(jié)構(gòu)的變換多樣，它可以分為單分支結(jié)構(gòu)、雙分支結(jié)構(gòu)、多分支結(jié)構(gòu)、嵌套分支結(jié)構(gòu)，難度也依次遞增。在遇到復(fù)雜問題時如果不借助流程圖，很容易出現(xiàn)條件遺漏、邏輯不符等問題。例如，輸入一個正整數(shù)n（n＜10000），輸出時該數(shù)是幾位數(shù)？在學(xué)生認(rèn)知范圍內(nèi)分析該問題是一個多條件的判斷，所以可以用分支結(jié)構(gòu)解決，先繪制算法流程圖，再編寫代碼，最后調(diào)試運(yùn)行。

表格列舉變量的值有助于學(xué)生理解程序的運(yùn)行過程。例如，計算1到100的和，教師將循環(huán)變量i及累加器S的值通過表格列舉出來。可以清楚地看到，循環(huán)變量的取值為1、2、3……100，累加器的值相應(yīng)地為1、3、6……5050。對剛接觸循環(huán)語句的初中生來說，表格比較清楚地展示了程序執(zhí)行過程中變量的變化，有助于其理解循環(huán)語句。

圖形和坐標(biāo)結(jié)合可以有效解決圖形打印的難點(diǎn)。例如，經(jīng)典的圖形打印*號三角形問題。在學(xué)生的認(rèn)知范圍內(nèi)，解決這一圖形打印需用到二重循環(huán)，內(nèi)、外循環(huán)變量的取值是解決問題的關(guān)鍵。在實(shí)踐過程中，教師發(fā)現(xiàn)用講解法和流程圖的方式進(jìn)行引導(dǎo)，效果不佳。于是，將圖形放到表格中，給行和列標(biāo)上序號，循環(huán)變量的取值規(guī)律就容易被發(fā)現(xiàn)了。

如圖1所示為要打印的5行*號圖形，用rows表示總行數(shù)，用循環(huán)變量i表示行數(shù)，用循環(huán)變量j表示列數(shù)。通過觀察不難發(fā)現(xiàn)，i的取值為1～5，j的取值為1～i。當(dāng)找到循環(huán)變量的變化規(guī)律后，程序的難點(diǎn)也就突破了。值得注意的是，range函數(shù)在取值時，終值是取不到的，因此range函數(shù)的終值可以寫到rows+1。

動畫和視頻模擬算法執(zhí)行的過程有助于學(xué)生理解比較抽象的復(fù)雜算法，如排序問題等。排序的方法有很多種，如冒泡排序、選擇排序、插入排序、桶排序等。這些算法實(shí)現(xiàn)排序的過程是不同的。以冒泡排序?yàn)槔處熆梢杂脤?shí)物演示或視頻展示的方式，讓n個不同身高的學(xué)生隨意排成一排，從第一個學(xué)生開始兩兩比較，如果前一個學(xué)生比后面一個高，則兩者交換位置，第一輪結(jié)束后最高的學(xué)生就被排到了最后。接著重復(fù)之前的操作，把第二高的學(xué)生排到倒數(shù)第二個，依此類推。通過模擬過程，學(xué)生可以直觀地理解冒泡排序是從第1個數(shù)開始往后兩兩比較，較大的數(shù)往后排，這樣經(jīng)過n-1輪冒泡后，實(shí)現(xiàn)身高從小到大的排序。

再如，桶排序的原理和其他幾種排序有較大不同，要對A數(shù)組排序，先將A數(shù)組的每個元素作為B數(shù)組的下標(biāo)，進(jìn)行標(biāo)記，凡是標(biāo)記過的，則B數(shù)組該下標(biāo)值元素的值+1，最后輸出B數(shù)組中標(biāo)記過的下標(biāo)值即可，如被標(biāo)記過2次，則輸出2次。如果這樣描述，學(xué)生無法理解，教師用動畫來呈現(xiàn)A和B兩個數(shù)組的值以及如何通過A數(shù)組的值來對B數(shù)組對應(yīng)的下標(biāo)元素進(jìn)行標(biāo)記。如圖2所示，對數(shù)組A中的7個元素進(jìn)行從小到大排序。B數(shù)組作為標(biāo)記的數(shù)組，先把所有元素置零。桶排序開始，A數(shù)組第一個元素是1，將B數(shù)組中下標(biāo)為1的元素加1，即B[1]+1，則B[1]變?yōu)?，A數(shù)組第二個元素也是1，則B[1]+1，此時B[1]為2，依此類推，將A數(shù)組的元素到B數(shù)組中進(jìn)行標(biāo)記。最后，只要根據(jù)B數(shù)組元素的值，輸出對應(yīng)的下標(biāo)即可，如B[1]為2，則輸出2個1，B[2]為0，則不用輸出，B[3]為1，則輸出1個3，最后實(shí)現(xiàn)1、1、3、5、5、6、6、7從小到大排序。

2.可視化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

Python有著豐富的可視化庫，如Matplotlib、Seaborn、Turtl等。其中Turtle庫的設(shè)計初衷是為了方便學(xué)生編程和圖形設(shè)計，因此其語法和接口簡單易懂，適合初中生學(xué)習(xí)。Turtle庫是Python的標(biāo)準(zhǔn)庫，使用它不需要額外安裝庫，只需要在Python環(huán)境中引入Turtle模塊就可以開始繪制圖形。它提供了一種簡單、直觀的方法來實(shí)現(xiàn)圖形化的繪制，通過控制海龜?shù)囊苿雍托D(zhuǎn)來繪制各種形狀和圖案。使用Turtle庫可以將抽象的編程概念與具體的圖形操作相結(jié)合，幫助學(xué)生更好地理解和掌握編程的基本原理和方法。例如，教師引導(dǎo)學(xué)生用Turtle庫繪制圖形，從簡單正方形到稍復(fù)雜的五角星，再通過循環(huán)生成動態(tài)圖形的創(chuàng)作過程。由于圖形生成的過程直觀可見，學(xué)生對變量、函數(shù)、循環(huán)這些概念的理解便迎刃而解了。如下頁圖3所示為繪制正方形的過程，“向前移動100像素和右轉(zhuǎn)90度”的代碼重復(fù)執(zhí)行四次，就繪制了正方形的四條邊。通過繪制過程，學(xué)生能直觀地理解代碼的含義。

3.可視化調(diào)試工具

在程序設(shè)計過程中，一般的語法錯誤編譯器會進(jìn)行報錯，學(xué)生只需根據(jù)錯誤提示查找錯誤，進(jìn)行修改即可。有時會遇到語法正確但是程序的執(zhí)行結(jié)果不正確的情況，這樣的錯誤比較隱蔽，很難發(fā)現(xiàn)。此時可以用可視化的調(diào)試工具對程序設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行代碼，觀察變量的取值，從而精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)錯誤的代碼。Python IDLE自帶的Debuger、PyCharm集成開發(fā)環(huán)境等都可以進(jìn)行單步調(diào)試。通過單步調(diào)試的方法可以直觀地逐步執(zhí)行程序，找到循環(huán)語句中的邏輯錯誤。

4.可視化概念理解

隨著學(xué)習(xí)的深入，復(fù)雜概念也隨之而來，如數(shù)組、鏈表、棧、隊(duì)列、樹、圖等各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們有著不同的特點(diǎn)和適用場景。對于初中生來說這些抽象的概念很難理解，而可視化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)展示可以將抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為圖形化的形式，使學(xué)生更好地理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織和操作。

可視化支持策略應(yīng)用的實(shí)踐反思

1.防止依賴過度

在教學(xué)實(shí)踐中，教師往往傾向于通過各種可視化工具來呈現(xiàn)知識，以幫助學(xué)生理解和記憶。然而，如果過度依賴可視化工具，可能會導(dǎo)致學(xué)生對抽象概念的理解能力下降，甚至喪失獨(dú)立思考和解決問題的能力。因此，在應(yīng)用可視化支持策略時，教師需要合理控制使用頻率和方式，引導(dǎo)學(xué)生從多維度思考問題，培養(yǎng)其獨(dú)立思考能力。

2.注重實(shí)踐應(yīng)用

在計算思維培養(yǎng)中，理論知識的傳授固然重要，但更重要的是讓學(xué)生通過實(shí)際操作，將理論知識應(yīng)用到實(shí)踐中，培養(yǎng)解決問題的能力。因此，教師在設(shè)計可視化支持策略時，可以結(jié)合實(shí)際案例，引導(dǎo)學(xué)生動手實(shí)踐，加深對知識的理解，提高計算思維水平。

3.優(yōu)化資源呈現(xiàn)

初中學(xué)生已具備一定的抽象思維能力，教師應(yīng)選擇適合的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計合理的可視化支持工具，采用合理的可視化支持策略，避免信息的冗余。

結(jié)束語

實(shí)踐證明，可視化支持策略應(yīng)用可以讓學(xué)生更好地理解和掌握抽象概念和復(fù)雜問題，并在一定程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的參與度和積極性。但是，教師在應(yīng)用可視化支持策略時一定要適宜，這樣才能更好地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

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本文系江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究課題“指向計算思維發(fā)展的Python語言學(xué)習(xí)支持策略的研究”（課題編號：2021JY14-L32）的階段性研究成果。