計算思維在高中信息學競賽教學中的培養(yǎng)

摘 要：高中信息技術(shù)學科的內(nèi)容拓展與活動延伸后出現(xiàn)了信息學競賽，而在信息學競賽中最重要的核心素養(yǎng)之一就是計算思維。因此，本文根據(jù)計算思維的起源與發(fā)展歷程，探究現(xiàn)階段高中計算思維與信息學競賽教學困境，隨后根據(jù)教學困境提出幾種計算思維在高中信息學競賽教學中培養(yǎng)的具體路徑，以供相關(guān)研究人員進行參考。

關(guān)鍵詞：計算思維；高中；信息學競賽；教學

在計算思維中主要包含自動化與抽象建模兩方面特征，在人們使用計算機解決實際問題過程中，利用這兩方面的特征是重要步驟。其中計算思維的抽象建模特征主要是指在解決問題時需要將問題進行有效的歸納與總結(jié)，并且在分析之后找到問題的基本規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建問題模型。自動化則是指人們在使用計算機解決實際問題時可以將已知的問題模型轉(zhuǎn)化為可以被計算機識別的程序，并使其成為解決問題的重要手段。

一、相關(guān)概述

（一）計算思維及其特征

在計算機科學發(fā)展過程中，逐漸形成了計算思維，這一概念是我國計算機科學家周以真教授首次提出，其主要是指利用計算機基礎(chǔ)概念對問題進行求解、系統(tǒng)設(shè)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。在這個概念出現(xiàn)之后，人們將計算思維同實驗思維、科學研究以及理論思維并稱為解決問題的三大思維。而為了順應(yīng)時代發(fā)展，教育部發(fā)布的《普通高中信息技術(shù)課程標準》（2017年版）及《義務(wù)教育信息科技課程標準》（2022年版）均將計算思維作為教育學科中重要的核心素養(yǎng)之一，如此也就意味著中小學階段教師要將培養(yǎng)學生的計算思維作為教學目標[1]。

計算思維的核心特征為自動化與抽象建模，其中抽象建模主要指在解決問題過程中要對問題進行歸納總結(jié)，以發(fā)現(xiàn)不同問題之間的共同規(guī)律，基于問題的基本規(guī)律建立模型。而自動化則是將問題的基礎(chǔ)模型轉(zhuǎn)化為可以被計算機識別的程序指令，以實現(xiàn)問題的有效解決。

（二）競賽視角與學科視角計算思維的異同

高中階段的學習中信息技術(shù)學科是學生必須學習的學科之一，其包含信息技術(shù)的存儲、傳輸、表示、獲取以及在信息技術(shù)基礎(chǔ)上形成的信息安全、信息系統(tǒng)等內(nèi)容。而競賽視角下主要以編寫程序、設(shè)計算法為主要內(nèi)容，重點在于對學生抽象建模、問題解決能力的培養(yǎng)。因此，在競賽與學科視角下的計算思維教學內(nèi)容側(cè)重點有所不同。信息技術(shù)學科需要對學生的思維能力進行培養(yǎng)，注重學生在解決問題過程中具備利用計算機解決問題的能力。而信息競賽則需要學生通過對算法的設(shè)計和程序的編寫解決問題，學生在具備基礎(chǔ)思維能力的同時還需要具備將算法轉(zhuǎn)化為程序的能力。

（三）高中信息學競賽培養(yǎng)計算思維的可行性

高中階段的信息競賽并不是普及教育，其主要是針對一些能力較強的高中生，當他們在完成學業(yè)過程中仍然有剩余精力時，可以通過這種方式進一步提升自身的能力。所以，在高中信息競賽中進行計算思維的培養(yǎng)所涉及的學生面較窄，而且這部分學生大多在同齡人中具有較為突出的能力。因此，只針對這部分學生進行計算思維的培養(yǎng)，幫助他們在競賽中獲得更好的成績，是比較容易開展的。教師只需要針對少部分基礎(chǔ)能力較好的學生開展計算思維教學，并在日常課程中對其進行相應(yīng)的引導，就能夠切實提升學生的計算思維。這是因為信息競賽需要掌握的內(nèi)容以及測評方式與計算思維比較接近，只要學生在準備競賽過程中對其進行適當引導，就能夠幫助學生形成對問題的獨特看法和思維方式。

二、計算思維在高中信息學競賽教學中培養(yǎng)的具體路徑

現(xiàn)階段，我國大部分地區(qū)的高中在培養(yǎng)學生計算思維方面還沒有固定的教學途徑，一般情況下培養(yǎng)學生計算思維都是通過學校的信息學競賽課程進行。同時，在對當前高中信息競賽的教材進行分析之后，發(fā)現(xiàn)目前使用的教材中對于計算思維的培養(yǎng)涉及較少，而且案例過于單一，缺少一定的實質(zhì)性培養(yǎng)方案。

此外，在我國高中信息學競賽中教學方面也面臨一定問題。1984年我國教育部和中國科協(xié)委托中國計算機學會正式創(chuàng)辦了面向全體青少年學生的計算機程序設(shè)計競賽，又可稱之為全國青少年信息學奧林匹克競賽，英文簡稱是NOI（以下統(tǒng)一稱作信息學競賽）。國內(nèi)創(chuàng)辦信息學競賽的主要目的就是提高高中生整體信息技術(shù)水平，使之未來綜合素養(yǎng)能夠滿足國家基本需求，成為更加優(yōu)秀的人才。但是在實際的信息學競賽教學開展的過程中，因受我國教育體制的影響，導致部分學校并未將信息學課程當作教學重點，造成這種情況的主要因素是國內(nèi)高考一般不會涉及信息學內(nèi)容，所以導致很多教師對于信息學競賽不重視。即使有部分地區(qū)的高中開設(shè)了信息學競賽課程，但是課程也并不是針對所有學生，只是面對班級內(nèi)學習成績較好需要拔高的學生。為更好地培養(yǎng)學生的計算思維，在未來信息學競賽中應(yīng)做出一定改變。

（一）在信息學競賽活動中培養(yǎng)學生的計算思維

在參與信息學競賽中會面臨各種各樣的問題，學生在解決這些問題時能夠形成一定的計算思維。在教學過程中通過模擬真實的競賽場景，幫助學生養(yǎng)成計算思維。在實踐過程中，學生面臨復雜問題時常見的解決步驟主要包含對問題的全面分析、抽象建模以及對算法的設(shè)計等流程，本文則以具體例子闡述抽象建模的實踐教學過程。例如，實際問題為：設(shè)是一個具有個元素的集合，={，……}，現(xiàn)將劃分成個滿足下列條件的子集合，

……，且滿足：、、……，則稱，……是集合的一個劃分，要求滿足條件的劃分數(shù)[3]。

高中教師在指導學生解決此問題時進行抽象建模步驟就可以參照以下幾步引導學生。第一步教師需先引導學生將問題進行劃分，并將劃分后的問題進行整理，以此對問題的類型進行總結(jié)，形成一個問題集合，并對其進行轉(zhuǎn)化，將問題轉(zhuǎn)化為不同集合之間的映射問題，通過這種方法可以使問題符合第二類斯特林模型。在這之后，教師需要幫助學生將原集合假設(shè)為，元素個數(shù)為，劃分之后的集合為，元素個數(shù)為，集合中的元素均被集合中的元素所指向，求集合到滿射的個數(shù)。第二類斯特林數(shù)的遞推式為：，1≤≤。而教師通過對學生解決問題的抽象建模步驟思維引導，可進一步培養(yǎng)學生計算思維。

（二）重視計算思維與信息學課程教學的融合

結(jié)合上述提到的計算思維培養(yǎng)現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)我國現(xiàn)階段部分地區(qū)的高中學校對于培養(yǎng)學生的計算思維，缺少足夠重視，高中生的家長對于計算思維的了解也比較少。針對此種情況，這部分高中學校需要提高對計算思維與信息學課程教學融合的重視程度，并要求教師掌握計算思維的相關(guān)信息，將培養(yǎng)學生解決問題時的思維拓展能力當作教學首要目標。而教師需要做的就是在教學中充分運用信息學課程教學培養(yǎng)學生計算思維。具體做法就是教師在實際中要在引導階段向?qū)W生拋出一個問題，之后將班級內(nèi)所有學生分成多個小組，并要求學生以小組的形式對已經(jīng)出現(xiàn)的問題展開分析與研究，最后在課堂的后期教師需要對每個小組進行引導，小組成員要在教師的引導下結(jié)合自身經(jīng)驗選擇一個具體的解決路徑，并在解決過程中提升自己的思維能力。但是在實際教學過程中，教師可能會因為各種條件的限制遇到許多困難，因此，高中學校應(yīng)該給予一定支持，高中學校可以在每學期組織一場校內(nèi)信息學競賽，并邀請學生的家長觀看學生競賽，競賽的評委則是要求專業(yè)人員擔任，這樣不僅可以提高家長對于信息學競賽的認識程度，還可以進一步檢驗學生信息學競賽知識掌握情況。

（三）運用分層教學方式培養(yǎng)學生的計算思維

高中生的個性以及學習能力存在明顯的差異性，所以教師在通過信息學競賽教學培養(yǎng)學生計算思維時，需要充分考慮到學生之間的差異性。分層教學法則是解決高中生差異性明顯的有效方式之一。所以高中教師在未找到更加合適的教學方式之前可以積極利用分層教學的方式來設(shè)計具體的教學方案。例如，教師在面對程序設(shè)計教學內(nèi)容時，可以對班級內(nèi)的學生情況提前了解，并根據(jù)當前學生實際情況對教學內(nèi)容進行分層設(shè)計：針對綜合能力較弱的學生，教師可以將教學重點放在學生模型建立以及算法設(shè)計等方面；而對于綜合素質(zhì)較高的學生來說，基礎(chǔ)教學內(nèi)容已經(jīng)無法滿足學生成長需要，因此教師可以在基礎(chǔ)教學的同時，增加編碼以及問題求解等內(nèi)容。

（四）在學科知識教學中滲透計算思維

在高中信息學競賽中快速冪算法是重點知識內(nèi)容，而這個算法在實際應(yīng)用過程中往往會和同余定理進行結(jié)合使用，這主要是因為在大數(shù)乘積運算過程中雖然利用快速冪算法能夠提高計算效率，但是如果數(shù)字過大的話就無法正常使用，而是需要利用同余定理對其進行合理優(yōu)化，這就需要學生具備一定的計算思維。在教學過程中，教師需要在講解快速冪算法的實際應(yīng)用之后引導學生借助同余定理對算法進行持續(xù)優(yōu)化。

學情分析：在本節(jié)課教學中高中生需要利用數(shù)學思想解決遇到的問題，并在快速冪算法應(yīng)用中會使用同余定理進行優(yōu)化，所以教師需要在教學過程中滲透計算思維。在本節(jié)課教學之前，學生對于時間的復雜度已經(jīng)有所了解，也形成了初步的計算思維，因此，教師需要在講述算法原理的過程中，幫助學生對原理的實際應(yīng)用進行了解。

教學方式：由于這部分教學內(nèi)容重點集中在概念性知識以及程序性知識的學習，在強調(diào)學生對知識深度理解過程中還需要借助計算思維對其進行應(yīng)用。因此在教學過程中教師可以采用小組合作法、分層教學法和問題驅(qū)動法。

教學過程：在新課導入階段，教師進行提問：“我們今天要學習快速冪算法，那么在學習之前，同學們可以對教師給出的例子進行分析，如果需要大家使用計算機設(shè)計程序來對210mod3進行計算，大家會怎么設(shè)計程序呢？”在問題提出之后，教師需要對學生進行隨機提問，學生的回答也會各種各樣，如一個學生舉手回答：“可以采用循環(huán)或者直接調(diào)用函數(shù)的方式對計算程序進行設(shè)計。”之后教師通過預設(shè)問題：“大家提出的直接調(diào)用函數(shù)和循環(huán)的方法都很棒，那么用這種方法求21000mod3呢？是否依舊可以使用？請大家進行上機操作。”教師通過預設(shè)問題，先引導學生借助容易的問題進行程序設(shè)計，通過問題預設(shè)引導學生在實際操作中發(fā)現(xiàn)問題，對學生的計算思維進行培養(yǎng)。

在學生實踐之后會發(fā)現(xiàn)利用已知的方法對計算程序進行設(shè)計，可能會因為數(shù)值過大導致程序計算錯誤。在這種情況下，教師就需要介紹快速冪計算方法，并結(jié)合同余定理對快速冪進行簡單應(yīng)用，以此幫助學生形成計算思維。教師需要將學生分為不同的合作小組，每個小組通過對快速冪思想的研究，對程序進行設(shè)計，并尋找上述例題的解決辦法。在上機操作過程中，學生可能會因為對快速冪計算方式不夠了解導致無法得出正確結(jié)果，這時教師就需要對小組的操作進行指導，引導學生利用計算思維得出快速冪的思想，并為學生構(gòu)建良好的實踐環(huán)境。

（五）在習題中滲透計算思維

以信息學競賽教學中的習題訓練教學為例，本文選取信息學競賽提高組初賽閱讀程序?qū)懡Y(jié)果例題作為教學內(nèi)容，進行容斥定理教學。通過對例題的分析不難發(fā)現(xiàn)，雖然題目主要對學生閱讀程序的能力進行考查，從表面看起來不需要使用計算思維，但是由于題目考查的本質(zhì)還是集中在學生對容斥定理的應(yīng)用，學生如果無法利用計算思維對問題進行推理，就無法有效解決問題。在本節(jié)課學習之前，學生已經(jīng)對邏輯運算、循環(huán)語句、條件語句進行了初步掌握，而本節(jié)課則是對之前知識的實際應(yīng)用。在教學過程中，教師先引導學生對之前學過的知識進行復習：“同學們，我們今天主要以習題為主，對之前學習的知識進行練習，那么大家可以看一下PPT上的例題，誰能告訴我在例題上的程序包含了我們學過的哪些知識嗎？大家是如何進行識別的呢？”之后教師需要給予學生充足的思考時間，并對學生進行隨機提問，學生在回答過程中就是對知識進行鞏固的過程。在這之后，教師需要對例題中的函數(shù)進行分解，并引導學生以小組的形式對函數(shù)的主體部分進行深入探討。教師需要結(jié)合小組的回答，對題目背后蘊藏的計算思維進行推導。在對題目進行推導之后，教師需要以例題為例，引導學生了解關(guān)于容斥定理的概念。

在本節(jié)課中教師以例題為主線對學生開展教學。在實際教學中，學生在解決問題的時候能夠?qū)τ嬎闼季S進行鍛煉，結(jié)合容斥定理的基本邏輯解決遇到的實際問題。而教師在這個過程中引導學生結(jié)合例題對已掌握的知識進行鞏固，并且對容斥定理進行全面應(yīng)用，借助問題對學生的思維進行啟發(fā)，使學生在解決實際問題的過程中全面培養(yǎng)自己的計算思維，拓展學生的思維廣度。

結(jié)束語

根據(jù)現(xiàn)階段我國各高中信息學競賽教學情況，計算思維在信息學競賽中的培養(yǎng)還存在很多困境。如此，國內(nèi)各高中要想順利推進信息學競賽教學發(fā)展，要對計算思維在信息學競賽中的培養(yǎng)方式進行研究，順應(yīng)時代發(fā)展需求，在遵循新課改基本要求的基礎(chǔ)上，采取更加科學合理的方式優(yōu)化信息學競賽教學方式，使其能夠真正提高學生計算思維能力。

參考文獻

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