高中信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)的案例研究

楊健

【摘 要】本文通過分析中學(xué)信息技術(shù)課程面臨的問題，指出信息技術(shù)課程應(yīng)回歸體現(xiàn)本學(xué)科思想的核心內(nèi)容和思維方法；在計(jì)算思維理論的指導(dǎo)下，通過教學(xué)案例的實(shí)踐和研究，探索在高中信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)的方法。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維；高中信息技術(shù)；基礎(chǔ)教學(xué)；案例

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2016）07-0057-03

研究背景

自2004年普通高中課程改革開始至今已經(jīng)十多年。在這些年中，高中信息技術(shù)課程按照國家制訂的課程標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)步實(shí)施，取得了一定成效。但是隨著社會(huì)的發(fā)展、課程改革的深入，信息技術(shù)課程出現(xiàn)了一些問題，這些問題引起我們的深思。

1. 信息技術(shù)課程存在的必要性

伴隨互聯(lián)網(wǎng)的普及，傳統(tǒng)的信息技術(shù)課堂不再是中小學(xué)生獲取大眾取向的信息技術(shù)知識(shí)技能的唯一渠道。在我國全社會(huì)信息化水平不高，學(xué)生從其他渠道學(xué)習(xí)信息技術(shù)的機(jī)會(huì)非常有限的情況下，學(xué)校的信息技術(shù)課程在一段時(shí)間內(nèi)承擔(dān)了信息技術(shù)教育主渠道的作用[1]。但是，現(xiàn)在的形勢(shì)發(fā)生了很大變化，學(xué)生可以通過家庭、社區(qū)、少年之家等多種途徑來習(xí)得面向大眾的應(yīng)用軟件的知識(shí)和技能。即使不參加中學(xué)的信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生也能玩轉(zhuǎn)電腦。那么，信息技術(shù)課程存在的必要性在哪里？

2. 信息技術(shù)課程的核心價(jià)值

現(xiàn)階段，按照高中的課程標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生可以通過學(xué)校開設(shè)的信息技術(shù)必修課程和信息技術(shù)與其他學(xué)科教學(xué)整合的課程來提升自身的信息素養(yǎng)。信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的整合將信息技術(shù)必修課程中面向大眾的部分應(yīng)用性課程的內(nèi)容和價(jià)值剝離走了、整合掉了[2]。那么，信息技術(shù)課程本身所特有的、不可替代的課程內(nèi)容和價(jià)值又是什么呢？

3. 信息技術(shù)課程對(duì)人才培養(yǎng)的作用

21世紀(jì)的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，培養(yǎng)具有國際競爭力的核心人才尤其重要。基礎(chǔ)教育承擔(dān)著為大學(xué)培養(yǎng)、選拔、輸送優(yōu)秀人才，幫助國家儲(chǔ)備綜合國力所需人力資源的責(zé)任。作為基礎(chǔ)教育中的一門獨(dú)立學(xué)科，信息技術(shù)應(yīng)該怎樣承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任？信息技術(shù)教育應(yīng)該為此做些什么？是跟在發(fā)達(dá)國家源源不斷的信息技術(shù)創(chuàng)新的后面，亦步亦趨地為發(fā)達(dá)國家的技術(shù)培養(yǎng)“忠實(shí)的消費(fèi)者”，還是為我們國家的信息技術(shù)創(chuàng)新和信息技術(shù)領(lǐng)域的核心競爭力培養(yǎng)原創(chuàng)型技術(shù)人才呢[3]？

針對(duì)上述問題，我們認(rèn)為未來的信息技術(shù)課程要為學(xué)生提供更加系統(tǒng)、專業(yè)的信息技術(shù)教育。即不能僅僅著眼于軟件工具的使用，而應(yīng)回歸計(jì)算機(jī)學(xué)科相對(duì)穩(wěn)定的、體現(xiàn)學(xué)科思想和方法的核心內(nèi)容和思維方法。目前，計(jì)算思維是國內(nèi)外專家、學(xué)者比較認(rèn)可的計(jì)算機(jī)科學(xué)體系的核心思維模式。我們就計(jì)算思維在高中信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中的培養(yǎng)進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，形成相關(guān)案例，并進(jìn)行了初步研究。

計(jì)算思維概念及研究現(xiàn)狀

1. 核心概念的界定

思維模式就是看待世界和認(rèn)識(shí)世界的方法和觀點(diǎn)?？茖W(xué)思維主要分為以物理學(xué)為代表的實(shí)證思維和以數(shù)學(xué)為代表的邏輯思維[4]。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，圖靈機(jī)理論、復(fù)雜性理論和交互式證明系統(tǒng)的提出，學(xué)術(shù)界認(rèn)為出現(xiàn)了獨(dú)立于實(shí)證思維和邏輯思維的第三種思維方式——計(jì)算思維。計(jì)算思維由周以真教授在2006年首次提出，表述為應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題解決、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人類行為的理解。2010年，計(jì)算思維被進(jìn)一步表述為一種思考過程，通過對(duì)問題和解決方案的清晰表述，使問題解決可以由具備信息處理功能的代理程序高效完成[5]。

英國皇家科學(xué)院將計(jì)算思維定義為認(rèn)識(shí)周圍世界所存在的不同層次的計(jì)算，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)工具和技術(shù)理解并辨析自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)及其運(yùn)行過程[6]。Google公司認(rèn)為計(jì)算思維過程是問題解決技巧和技術(shù)的集合，并將計(jì)算思維過程界定為問題分解、模式識(shí)別、模式生成和抽象、算法設(shè)計(jì)[7]。

目前，我們可以查閱的關(guān)于計(jì)算思維的定義有多種，對(duì)它的解釋多停留在“哲學(xué)”或“科學(xué)”層面，在教學(xué)層面上還未形成一個(gè)清晰的表達(dá)體系，其內(nèi)涵、外延還沒有得到清楚的描述[8]。通過研究比較，我們認(rèn)為周以真教授在2006年提出的計(jì)算思維的定義更適合指導(dǎo)我們這項(xiàng)教學(xué)實(shí)踐的研究，因此，我們采用了周以真教授在2006年提出計(jì)算思維概念的表述作為研究的理論依據(jù)。

2. 研究現(xiàn)狀

在我國，計(jì)算思維的培養(yǎng)起源于大學(xué)教育。2010年7月，為了提高大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的質(zhì)量，在“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”上，與會(huì)者明確提出將“計(jì)算思維的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的核心[9]。自此，增強(qiáng)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，不僅成為當(dāng)下大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的主旋律，而且受其影響，高中信息技術(shù)課程建設(shè)正在朝這一方向轉(zhuǎn)變。

案例研究

1. 案例主題的選定

目前，高中培養(yǎng)計(jì)算思維的課程教學(xué)主要針對(duì)程序設(shè)計(jì)與算法、人工智能等內(nèi)容展開。但是，在高中信息技術(shù)基礎(chǔ)教育中，基本概念、基本原理、軟件應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容占較大比重。為了探索在這些教學(xué)內(nèi)容中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的方法，我們選取了高中信息技術(shù)基礎(chǔ)必修模塊中第二單元《有效獲取信息》作為案例研究主題。在這個(gè)主題下，我們先后開展了三次教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，本文選取了兩個(gè)案例《認(rèn)識(shí)圖像》和《聲音的數(shù)字化表示》進(jìn)行分析、研究。

2. 教學(xué)案例分析

案例一 《認(rèn)識(shí)圖像》

圖像是我們生活中的一類重要信息。目前，我們主要通過數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)拍攝獲取。數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備在拍攝景物成像的同時(shí)，也對(duì)相關(guān)的成像信息進(jìn)行了數(shù)字化處理，形成了我們?cè)谟?jì)算機(jī)中所看到的圖像。那么，計(jì)算機(jī)是如何將圖像呈現(xiàn)在了屏幕上？計(jì)算機(jī)又是通過何種方式來準(zhǔn)確描述圖像信息呢？我們?nèi)绾螒?yīng)用計(jì)算機(jī)處理圖像的技術(shù)來解決實(shí)際問題？這都涉及圖像的基本概念、基本原理及相關(guān)應(yīng)用?！墩J(rèn)識(shí)圖像》教學(xué)設(shè)計(jì)的目的是希望通過對(duì)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠理解計(jì)算機(jī)顯示圖像的原理，掌握以計(jì)算機(jī)方式表述圖像參數(shù)的基本方法，學(xué)會(huì)使用PS圖像處理軟件的相關(guān)技能，逐步養(yǎng)成以計(jì)算機(jī)解決問題的思維方式，即計(jì)算思維。

上課伊始，教師導(dǎo)入情境——播放《萌兄萌弟》視頻短片。短片中妙趣橫生的圖像，吸引了學(xué)生的注意力，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)圖像的興趣。在新知學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)，教師選擇一張圖像，放大16倍，學(xué)生觀察圖像，發(fā)現(xiàn)并理解圖像的基本構(gòu)成單位——像素及其特點(diǎn)。然后，教師展示實(shí)物照片和電子圖像實(shí)例，提出一系列問題，引導(dǎo)學(xué)生思考、比較兩者的區(qū)別與聯(lián)系，進(jìn)而學(xué)習(xí)圖像的基本概念和基本原理。在探究應(yīng)用環(huán)節(jié)，教師為學(xué)生安排了一個(gè)探究活動(dòng)——“研究圖像尺寸、輸出分辨率、打印尺寸與圖像質(zhì)量的關(guān)系”。首先，學(xué)生應(yīng)用PS圖像處理軟件的功能，分別查看圖像1-1和圖像1-2的參數(shù)，將數(shù)據(jù)記錄在表格中。其次，學(xué)生對(duì)表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納，得到圖像參數(shù)的改變與圖像質(zhì)量關(guān)系的結(jié)論。然后，同學(xué)之間互相分享，教師矯正。最后，遷移運(yùn)用，學(xué)生要應(yīng)用研究得出的結(jié)論，解決一個(gè)實(shí)際問題，即按要求將圖像文件的大小、尺寸進(jìn)行修改，上傳到網(wǎng)站。

在整個(gè)教學(xué)過程中，教師主要采用探究式教學(xué)。課前，教師為學(xué)生準(zhǔn)備了必要而充足的學(xué)習(xí)材料。課堂上，學(xué)生通過材料發(fā)現(xiàn)問題、探索有關(guān)圖像的規(guī)律性知識(shí)、解決問題。在探究的過程中，學(xué)生獲得圖像的基本概念和基本原理，習(xí)得圖像的操作技能，培養(yǎng)相關(guān)能力，即對(duì)所要解決的實(shí)際問題進(jìn)行分析，應(yīng)用課上所學(xué)圖像知識(shí)進(jìn)行表述，運(yùn)用課上所學(xué)圖像處理技能進(jìn)行解決。整個(gè)學(xué)習(xí)過程是學(xué)生思維發(fā)展的過程，是學(xué)生計(jì)算思維形成的過程。

案例二 《聲音的數(shù)字化表示》

按照高中課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，這部分內(nèi)容不應(yīng)只停留在簡單使用音頻信息的層面，還要深入到聲音信息數(shù)字化的原理、方法、過程。它是體現(xiàn)信息技術(shù)學(xué)科本質(zhì)的內(nèi)容之一，也是《高中信息技術(shù)基礎(chǔ)》教材中的難點(diǎn)。初中生已經(jīng)有過聽音樂、歌曲，或者通過MIC進(jìn)行類似“卡拉OK”這樣的娛樂活動(dòng)。他們能夠?qū)β曇粑募M(jìn)行非常簡單的操作，比如，聲音文件的下載、播放等等。但是他們對(duì)于聲音是如何在計(jì)算機(jī)中表示的、聲音波形的特點(diǎn)及波形的描述等還不清楚。

在本課中，教師通過圖像與動(dòng)畫，把抽象的原理形象化，讓學(xué)生能夠直觀地了解“音頻數(shù)字化”的過程。在教師的不斷引導(dǎo)啟發(fā)下，學(xué)生學(xué)習(xí)并理解采樣、采樣頻率、量化位數(shù)、聲道數(shù)的概念，以及各個(gè)指標(biāo)對(duì)于音頻數(shù)字化質(zhì)量的影響。最后，將生活中的問題抽絲剝繭歸納為聲音的基本概念，應(yīng)用所學(xué)的聲音數(shù)字化原理解決。

案例《聲音的數(shù)字化表示》的片段

課堂實(shí)驗(yàn)

（1）改變音頻的聲道數(shù)，觀察聲音效果變化（有操作提示）。將結(jié)果填寫在下面的空白處。

應(yīng)用Audition軟件，將“詩朗誦”進(jìn)行聲音通道數(shù)的變化。 聽音頻效果，觀察規(guī)律。

【操作指導(dǎo)】：運(yùn)行Audition軟件，單擊“文件”→“打開”→找到“春江花月夜”文件→單擊“打開”→默認(rèn)為“波形”編輯視圖（單一文件的編輯，有兩個(gè)聲道）。

①第一種方法：右擊左上部“文件”面板中的當(dāng)前文件名→提取聲道為單聲道文件→試聽單聲道效果與原文件比較，進(jìn)行下列填空：

原文件聲音效果特點(diǎn)：————————。

單聲道效果特點(diǎn)：————————。

②第二種方法：在音軌最右側(cè)，分別標(biāo)有L和R，表明左右聲道，點(diǎn)擊相應(yīng)字母，即可開關(guān)此聲道，使聲音變?yōu)閱温暤赖那闆r，聽效果完成下列填空。

原文件聲音效果特點(diǎn)：————————。

單聲道效果特點(diǎn)：—————————。

③得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：————————。

（2）改變音頻量化位數(shù)，觀察聲音效果變化，（有操作提示）。

（3）改變音頻采樣頻率，觀察聲音效果變化，（有操作提示）。

3. 案例研究的發(fā)現(xiàn)

雖然這兩個(gè)案例在教學(xué)內(nèi)容的選擇、具體的教學(xué)方法等方面不盡相同，但是，通過上述的研究分析我們發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)課例均采用了探究式教學(xué)方法來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

探究式教學(xué)方法是讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)科學(xué)家的研究過程，通過一系列的科學(xué)探索活動(dòng)發(fā)現(xiàn)科學(xué)結(jié)論。在這個(gè)過程中，學(xué)生不是通過教師講解或完全靠書本上的間接經(jīng)驗(yàn)獲取知識(shí)，而是通過自己的實(shí)踐活動(dòng)和搜集到的第一手材料認(rèn)識(shí)問題，體驗(yàn)各種疑難情境[10]。這正與信息技術(shù)課程的性質(zhì)相吻合。《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，普通高中信息技術(shù)課程是技術(shù)課程，立足于學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)和親身經(jīng)歷，立足于“做中學(xué)”和“學(xué)中做”。在學(xué)生親身體驗(yàn)、全程參與的過程中，學(xué)生會(huì)發(fā)展將問題以計(jì)算機(jī)能解決的方式進(jìn)行表達(dá)，并借助計(jì)算機(jī)的軟硬件予以解決的計(jì)算思維能力。

研究結(jié)論

經(jīng)過研究，關(guān)于在高中信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)，我們可以得出如下結(jié)論：

（1）計(jì)算思維的理論研究尚處于發(fā)展中，它的內(nèi)涵和外延也在不斷地被深化、豐富。雖然這種發(fā)展變化為計(jì)算思維理論指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐帶來了一些困惑，但是也為我們?cè)诟咧行畔⒓夹g(shù)教學(xué)中探索學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)提供了更大的自由空間。

（2）在高中信息技術(shù)課程中，不僅算法與程序設(shè)計(jì)和人工智能可以作為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的內(nèi)容，信息技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)技能也能是計(jì)算思維培養(yǎng)的載體。

（3）探究式教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的可行方式之一。通過教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，我們將在高中信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的整個(gè)流程歸納為：發(fā)現(xiàn)問題，將問題及解決方法以信息技術(shù)的基本概念和基本原理，抽象、清晰地表達(dá)出來，最終通過信息技術(shù)手段予以解決。