高中信息技術(shù)課中計(jì)算思維的培養(yǎng)

田俊南

2003年頒布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（試驗(yàn)）執(zhí)行至今，高中信息技術(shù)課遇到了越來(lái)越多的困難和挑戰(zhàn)，主要存在以下問(wèn)題：教學(xué)目標(biāo)較為空泛、教材內(nèi)容趨于陳舊、重技能輕思維，而培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用信息技術(shù)解決問(wèn)題的意識(shí)與思維模式，已成為今后高中信息技術(shù)課程目標(biāo)的必然取向。專家們經(jīng)過(guò)大量的研究和探索，新的課程標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定完畢，不久就將閃亮登場(chǎng)。新課標(biāo)中最大的亮點(diǎn)便是將計(jì)算思維納入了信息技術(shù)課程的核心素養(yǎng)，通過(guò)計(jì)算思維教育，可促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科方法有效解決問(wèn)題，這種獨(dú)特思維方式必將推動(dòng)高中信息技術(shù)學(xué)科的變革和發(fā)展。

筆者結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)高中信息技術(shù)課堂教學(xué)中計(jì)算思維的培養(yǎng)作一些簡(jiǎn)單的闡述。

一、計(jì)算思維的概念、特征與培養(yǎng)計(jì)算思維的價(jià)值

1.計(jì)算思維的概念與特征

2006年3月，美國(guó)周以真教授在計(jì)算機(jī)權(quán)威刊物Communications of the ACM上發(fā)表了Computational Thinking一文，首次提出“計(jì)算思維”這一概念。她認(rèn)為計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念，進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。這一概念的提出引起了國(guó)際社會(huì)的共鳴，在科學(xué)研究領(lǐng)域，計(jì)算思維（以抽象自動(dòng)化為特征）已被看成是與理論思維（以觀察和歸納包括人類社會(huì)活動(dòng)在內(nèi)的自然規(guī)律為特征）、實(shí)驗(yàn)思維（以推理和演繹為特征）并列的三大科學(xué)思維方式之一。

計(jì)算思維是一種根本技能，是我們求解問(wèn)題的一條途徑，是每一個(gè)人在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮職能必須掌握的，但決非要使我們像計(jì)算機(jī)那樣地思考。當(dāng)計(jì)算思維真正融入教學(xué)活動(dòng)的整體時(shí)，它的作用和強(qiáng)大的生命力就會(huì)得到真正的體現(xiàn)。

2.培養(yǎng)計(jì)算思維的價(jià)值

眾所周知，由于多方面的原因，近年來(lái)高中信息技術(shù)課程在培養(yǎng)學(xué)生信息加工能力的路上越走越艱難，以技術(shù)操作為主要內(nèi)容的高中信息技術(shù)課之所以會(huì)受到各方面越來(lái)越多的質(zhì)疑，其中最大的問(wèn)題在于未能像數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科一樣確定較為穩(wěn)固的核心價(jià)值。而計(jì)算思維的提出，則為其打開(kāi)了一扇希望之門，有助于學(xué)生能力的培養(yǎng)和信息技術(shù)課程自身的發(fā)展。在解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生不僅僅是技術(shù)工具的使用者，還應(yīng)該是新的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)者、解決思路的提出者、問(wèn)題解決方案的設(shè)計(jì)者、新型技術(shù)工具的開(kāi)發(fā)者。計(jì)算思維的培養(yǎng)，能有效提高學(xué)生利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的能力層次，使更多的學(xué)生成為未來(lái)信息技術(shù)的創(chuàng)新者。

二、根據(jù)解決問(wèn)題的需要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維

事實(shí)上，一般學(xué)生都熱愛(ài)計(jì)算，無(wú)論是計(jì)算機(jī)程序給他們提供的魔力般的感覺(jué)，還是喜歡藝術(shù)組合、描述、設(shè)計(jì)、規(guī)劃并促進(jìn)個(gè)人視覺(jué)世界中的創(chuàng)造。計(jì)算思維可以為學(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，當(dāng)計(jì)算思維的思想與方法幫助我們解決實(shí)際問(wèn)題變得更加容易時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生飛躍，拓展我們對(duì)周圍世界的理解。那么，如何結(jié)合我們的課堂教學(xué)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維呢？下面是筆者認(rèn)為在高中信息技術(shù)課教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維較為典型的案例，希望能給大家?guī)?lái)一點(diǎn)啟發(fā)。

1.通過(guò)Excel案例教學(xué)培養(yǎng)計(jì)算思維

在對(duì)學(xué)生講授Excel函數(shù)知識(shí)時(shí)，針對(duì)高中學(xué)生重視考試成績(jī)的特點(diǎn)，選擇學(xué)校成績(jī)作為統(tǒng)計(jì)分析的教學(xué)案例，要求使用公式和函數(shù)來(lái)計(jì)算學(xué)生考試成績(jī)的總分、排名、進(jìn)步情況、學(xué)科有效分情況等。使用Excel的IF條件判斷函數(shù)和VLOOKUP查找引用函數(shù)都能解決問(wèn)題。案例教學(xué)結(jié)束后，就案例教學(xué)中所涉及的計(jì)算思維方法和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納和總結(jié)，鞏固加深知識(shí)體系。啟發(fā)學(xué)生對(duì)案例進(jìn)行思考、討論，在案例的基礎(chǔ)上擴(kuò)展和創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力和創(chuàng)新能力。

2.通過(guò)算法的教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維

算法中很多內(nèi)容涉及計(jì)算與計(jì)算思維，如遞歸就是一種典型的計(jì)算思維，我們可以通過(guò)與計(jì)算相關(guān)的案例介紹遞歸，例如漢諾塔問(wèn)題（Tower of Hanoi）。印度古老傳說(shuō)：在世界中心貝拿勒斯的圣廟里，一塊黃銅板上插著三根寶石針A、B和C（見(jiàn)圖1）。印度教的主神梵天在創(chuàng)造世界時(shí)，在其中一根針上從下到上地穿好了由大到小的64片金片，不論白天黑夜，總有一個(gè)僧侶在按下面的法則移動(dòng)這些金片：一次只移動(dòng)一片，不管在哪根針上，小片必須在大片上面。僧侶們預(yù)言，當(dāng)所有金片移到另外一根針上時(shí)，世界將在一聲霹靂中消滅，而梵塔、廟宇和眾生也都將同歸于盡，這就是所謂的漢諾塔問(wèn)題。

這是目前在介紹遞歸的書中用得非常多的一個(gè)案例，通過(guò)計(jì)算我們不難發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)金片的次數(shù)，f（n）與寶石針上的金片個(gè)數(shù)n之間的關(guān)系是為： f（n）=2n-1 ，因此當(dāng)n=64時(shí)，f（n）的值將高達(dá)18，446，744，073，709，551，615，按移動(dòng)一次花費(fèi)1s計(jì)算，需要約5845億年才能完成，這樣的問(wèn)題在現(xiàn)實(shí)中幾乎是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，但我們可以借用計(jì)算機(jī)的超高速，在計(jì)算機(jī)中模擬實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，有效地利用計(jì)算思維，借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的計(jì)算能力，就能解決之前人類望而卻步的大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題。

3.通過(guò)App Inventor等軟件培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維

Inventor（后文簡(jiǎn)寫為AI）是一款由Google公司開(kāi)發(fā)的基于Android系統(tǒng)的手機(jī)編程工具，其口號(hào)是“隨身的編程工具，盡情發(fā)明吧”（Your idea， Your design， Your apps， Invent Now），并于2012年交由麻省理工學(xué)院負(fù)責(zé)教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

其開(kāi)發(fā)模式及測(cè)試流程如下圖2所示，主要包含三個(gè)部分：①設(shè)計(jì)界面（Designer），通過(guò)拖拉組件的形式完成界面設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖3）；②塊編輯界面（Blocks），通過(guò)拉拽、拼圖的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各組件間的行為事件，實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖4）。③模擬器（Android Emulator），主要用來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

AI因其具備如下特征而成為在高中信息技術(shù)課程中培養(yǎng)計(jì)算思維能力的有效工具：

（1）可視化

AI的界面設(shè)計(jì)和代碼編寫均采用可視化的形式呈現(xiàn)（見(jiàn)圖3、圖4），可視化的操作界面能夠極大地激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣和探究欲。

（2）零編程基礎(chǔ)

AI模塊編輯視圖中的模塊都已經(jīng)封裝了代碼，只需要按照學(xué)習(xí)者的創(chuàng)意直接拖拽模塊即可完成編程（見(jiàn)圖4），輕松簡(jiǎn)單，極大地降低了對(duì)實(shí)際編碼能力的要求。

（3）開(kāi)發(fā)周期短

Inventor編寫的應(yīng)用程序或許不是很完美，但它們卻是普通人都能做的，而且通常是在幾分鐘內(nèi)就可完成。在當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，AI讓任何人在幾分鐘之內(nèi)完成一個(gè)屬于自己的App開(kāi)發(fā)成為可能。正如App Inventor項(xiàng)目帶頭人Harold Abelson教授所說(shuō)的：“App”。

因而，將AI應(yīng)用于信息技術(shù)課堂教學(xué)，有助于最大化地激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)意，改變當(dāng)前高中信息技術(shù)乏味無(wú)趣的現(xiàn)狀。同時(shí)，在基于AI所設(shè)計(jì)的案例學(xué)習(xí)中體驗(yàn)計(jì)算思維“抽象”“模塊化”等核心概念，使學(xué)生在問(wèn)題解決過(guò)程中提升計(jì)算思維能力。

三、小結(jié)

新的課程標(biāo)準(zhǔn)即將發(fā)布，計(jì)算思維正式納入了信息技術(shù)課程的核心素養(yǎng)的范疇。對(duì)信息技術(shù)學(xué)科而言，這既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，有助于學(xué)生養(yǎng)成以信息技術(shù)的視角思考問(wèn)題解決方案的思維模式。如何在新課標(biāo)的引領(lǐng)下培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，是我們每一位信息技術(shù)教師都應(yīng)思考的問(wèn)題和研究的課題。

（作者單位：江西省上饒中學(xué)）

□責(zé)任編輯 徐 凡

E-mail：330228323@qq.com