編程教學(xué)中計(jì)算思維有效落地的思考與探索

編程教學(xué)中計(jì)算思維有效落地的思考與探索●厘清《標(biāo)準(zhǔn)》中計(jì)算思維的內(nèi)涵計(jì)算思維在編程教學(xué)中有效落地的前提是要厘清計(jì)算思維的含義，而對計(jì)算思維概念的理解在學(xué)術(shù)界一直存在著不同觀點(diǎn)?！稑?biāo)準(zhǔn)》指出：“計(jì)算思維是指個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。具備計(jì)算思維的學(xué)生，在信息活動(dòng)中能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù);通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案;總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中?！睂Α稑?biāo)準(zhǔn)》中所描述的計(jì)算思維，在理解時(shí)可能出現(xiàn)的一些誤區(qū)，現(xiàn)梳理闡述如下。①“計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域”是定語，是說個(gè)體要“運(yùn)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域解決問題的思想方法”，不是說“運(yùn)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域”，也不是說運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的“知識(shí)”。計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法有很多，如抽象、建模、流程、驗(yàn)證、迭代、遞歸、回溯、窮舉、搜索、貪心、分治、優(yōu)化、自動(dòng)化、形式化、系統(tǒng)化、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等。例如，去火車站尋求最優(yōu)路徑應(yīng)用到了貪心算法的思想;分類管理照片，能較快查找所需照片，體現(xiàn)了“樹”結(jié)構(gòu)的思想;忘記密碼中某一位數(shù)字，逐一試用所有組合的過程應(yīng)用了窮舉思想;等等。在這些活動(dòng)中均體現(xiàn)了人的計(jì)算思維能力。②“能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式……”，沒有說一定要用計(jì)算機(jī)處理。計(jì)算機(jī)處理問題的方式有對問題進(jìn)行抽象、分解、建模以及形成解決方案等。例如，生活中兩個(gè)多位數(shù)相乘，用到了“九九乘法口訣表”，其中的每一個(gè)口訣就是一個(gè)模塊，體現(xiàn)了任務(wù)分解、模塊化的思想;又如，在比較不同地塊面積的大小時(shí)，先去測量、計(jì)算每個(gè)地塊的大小，經(jīng)歷抽象、分解、建模，最后通過筆算也能解決問題。③在“總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法”中，“計(jì)算機(jī)解決問題”是定語，總結(jié)利用的是計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，并不是說一定是利用計(jì)算機(jī)解決問題才體現(xiàn)計(jì)算思維。例如，利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法有模擬、仿真、驗(yàn)證和優(yōu)化等，總結(jié)這些過程與方法，應(yīng)用于其他問題的解決，如應(yīng)用二分法，模擬猜價(jià)格游戲、查字典等;又如，編寫程序繪制函數(shù)曲線，模擬、驗(yàn)證函數(shù)圖像等。因此，計(jì)算思維是人的思維，是人用“計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法”處理問題時(shí)的一種思維，但體現(xiàn)和提升人的計(jì)算思維也不一定要用計(jì)算機(jī)。換句話說，編程是培養(yǎng)計(jì)算思維的一種有效途徑，但不是唯一途徑;計(jì)算思維是人們解決實(shí)際問題的能力，但不僅僅指編程能力?！裼?jì)算思維落地存在的問題與表現(xiàn)1.簡單問題復(fù)雜化教學(xué)中忽視中小學(xué)生的認(rèn)知水平和知識(shí)深度，存在簡單地將部分大學(xué)知識(shí)內(nèi)容下放、項(xiàng)目設(shè)置成人化、用晦澀難懂的術(shù)語解釋復(fù)雜問題、用復(fù)雜信息量的例子講知識(shí)等現(xiàn)象。例如，按照定義講解數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、變量的概念、遞歸算法，用時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度闡述算法的優(yōu)化等。2.重編碼輕思想化算法和程序如同硬幣的兩面，程序是算法的載體，編程用來驗(yàn)證算法。編程教學(xué)與算法思維的關(guān)系，就是把計(jì)算思維理解為處理問題時(shí)的一種思維方式，把編程語言理解為處理問題過程的形式語言，而編程則是推理活動(dòng)（計(jì)算也是一種推理）。信息技術(shù)教學(xué)“回歸編程”反映和強(qiáng)調(diào)的是一種應(yīng)用計(jì)算思維求解問題的全局思想，不能簡單地理解為“回歸教編程”。然而，教學(xué)中存在強(qiáng)調(diào)程序的編寫、忽視探究算法思想和應(yīng)用的現(xiàn)象。例如，在學(xué)習(xí)用窮舉法解決問題時(shí)，不探究其背后的思想;程序編寫完成后，不啟發(fā)學(xué)生優(yōu)化進(jìn)一步算法，不引導(dǎo)學(xué)生探究相關(guān)的密碼安全問題等。3.教學(xué)過程呆板化4.拓展遷移弱淺化在新知講授完后，在舉一反三環(huán)節(jié)，案例缺乏適度的拓展空間和梯度，簡單的重復(fù)案例不利于計(jì)算思維能力的提升。例如，在學(xué)習(xí)用for循環(huán)編程計(jì)算“1+2+……+100”后，讓學(xué)生練習(xí)計(jì)算“1+2+……+200”的值，而不去與高斯算法比效率，探究背后只是計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快的原因等。又如，分治就是把大的問題分解成小問題，將復(fù)雜的問題簡單化，在學(xué)習(xí)完分治的策略后，不去探究它可以應(yīng)用的場景，以及應(yīng)用該思想產(chǎn)生的價(jià)值等。●計(jì)算思維有效落地的對策與方法1.創(chuàng)設(shè)條件激發(fā)學(xué)生興趣，營造計(jì)算思維發(fā)展的環(huán)境依據(jù)最近發(fā)展區(qū)理論，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，發(fā)揮其潛能，通過創(chuàng)設(shè)情境和提示新舊知識(shí)之間聯(lián)系的線索，可以幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)，從而輕松超越其最近發(fā)展區(qū)而達(dá)到下一階段的水平。因此，教師在呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)創(chuàng)設(shè)故事情境，讓學(xué)生在編程學(xué)習(xí)的過程中體會(huì)到樂趣、成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)編程的興趣，從而形成學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，突破重難點(diǎn)。例如，可以用與教學(xué)主題相關(guān)的經(jīng)典趣味數(shù)學(xué)問題、游戲，或?qū)W生熟悉的應(yīng)用情境，如在講解窮舉法時(shí)可選用韓信點(diǎn)兵、百錢買百雞、水仙花數(shù)、推理判斷誰說謊等。2.借用簡單問題說明抽象道理，激活學(xué)生的計(jì)算思維建構(gòu)主義理論認(rèn)為，教師應(yīng)把學(xué)生原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)作為新知識(shí)的生長點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中將已有的知識(shí)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，從而生長新的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)。因此，可以類比學(xué)生熟知的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)，借助生活中的算法學(xué)習(xí)新知。例如，在學(xué)習(xí)選擇結(jié)構(gòu)時(shí)，類比“紅燈停、綠燈行”等;在學(xué)習(xí)while循環(huán)時(shí)，讓學(xué)生體會(huì)“吸一口氣重復(fù)說同一句繞口令，直到腹腔中的氣息用盡為止”。建構(gòu)主義理論認(rèn)為，圖式是人類認(rèn)識(shí)事物的基礎(chǔ)，圖式的形成和變化是認(rèn)知發(fā)展的實(shí)質(zhì)。例如，通過地圖比較，尋找A地到B地的最短路徑，利用燈泡的亮、滅，繪出不同的物理電路圖，掌握“與、或、非”等。3.通過設(shè)計(jì)問題串、任務(wù)鏈等，訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維采用啟發(fā)式教學(xué)，朝著最終問題解決的方向，從學(xué)生易于理解的角度提出一連串問題，環(huán)環(huán)相扣推進(jìn)教學(xué)。問題串的作用還包括：提出問題，發(fā)揮學(xué)生的主體地位，引導(dǎo)他們積極思考，做好問題的界定、抽象和建模;在討論中把問題一步步引向深入，尋求合理的算法解決問題，并加深學(xué)生對內(nèi)容的理解;啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律、糾正和補(bǔ)充自己的認(rèn)知等，促進(jìn)學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)，發(fā)展計(jì)算思維。例如，設(shè)置以下問題展開學(xué)習(xí)，當(dāng)所有問題解決時(shí)，排序就水到渠成了：①如何判斷兩個(gè)數(shù)的大??？②如何選出三個(gè)數(shù)中最大數(shù)？③如何選出n個(gè)數(shù)中最大的數(shù)？④如何找出余下n-1個(gè)數(shù)中最大的數(shù)？⑤如何把余下n-2個(gè)數(shù)按從大到小逐個(gè)輸出來？⑥探究階段，還可以結(jié)合程序引導(dǎo)學(xué)生思考，每個(gè)內(nèi)循環(huán)都要比較n-1次嗎？建構(gòu)主義理論的核心是以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對知識(shí)的主動(dòng)探索、主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和對所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)。因此，可以設(shè)置任務(wù)鏈，布置有一定梯度的任務(wù)，并通過微課、學(xué)案等給予學(xué)生必要的技術(shù)支撐，引領(lǐng)學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)。例如，在學(xué)習(xí)繪制復(fù)雜圖形時(shí)，設(shè)置如下任務(wù)：①繪制一條線段;②讓小海龜轉(zhuǎn)一定角度，再繪制一條線段;③讓小海龜重復(fù)執(zhí)行前兩步一定的次數(shù)。4.經(jīng)歷優(yōu)化、拓展應(yīng)用等探究活動(dòng)，進(jìn)一步提升學(xué)生的計(jì)算思維通過舉一反三、拓展應(yīng)用，做好同類問題的解決，可以充分發(fā)揮計(jì)算思維的育人價(jià)值。因此，教師要善于啟發(fā)學(xué)生的“疑”與“思”，通過進(jìn)一步優(yōu)化程序，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，提升其計(jì)算思維水平。例如，在應(yīng)用窮舉法解決百錢買百雞時(shí)，各窮舉對象的窮舉范圍為什么不用0～100？窮舉對象用公雞和小雞，或者母雞和小雞組合，好不好？從而讓學(xué)生理解，優(yōu)化程序是為了減少循環(huán)的次數(shù)，提高程序的計(jì)算效率。又如，在學(xué)習(xí)迭代法、遞歸法解決斐波那契數(shù)列問題后，啟發(fā)學(xué)生思考、質(zhì)疑其算法優(yōu)劣，通過實(shí)驗(yàn)、推理驗(yàn)證其想法。編程教學(xué)不只是教編程，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算思維解決問題的思想，指導(dǎo)學(xué)生在解