Python教學(xué)：編程如何培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維

倪俊杰

從去年開始，身邊的很多教師都在議論同樣的話題：“信息技術(shù)教材要改革了，據(jù)說是大變樣?！薄案咧行畔⒓夹g(shù)可能要換一門新的語(yǔ)言了?！薄耙院蟮男畔⒓夹g(shù)課該怎么上呢？”……作為信息技術(shù)學(xué)科教師，我也在積極關(guān)注學(xué)科發(fā)展的動(dòng)向，有了一些所思所想，供各位讀者參考。

高中信息技術(shù)課程開展情況

為了摸清信息技術(shù)課程開展情況，教育部組織專家成立了專項(xiàng)調(diào)研組，訪談了8個(gè)省84所學(xué)校的175名高中信息技術(shù)教師，并對(duì)283名教師進(jìn)行了問卷調(diào)查。調(diào)研組還訪談了信息技術(shù)教研員以及對(duì)部分高三學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，反饋結(jié)果顯示，當(dāng)今信息技術(shù)課程存在兩個(gè)方面的問題：一是教材內(nèi)容的問題，二是課程實(shí)施的問題。對(duì)此，筆者有幾點(diǎn)看法：①信息技術(shù)課程內(nèi)容既要符合當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的實(shí)際情況，又要和小學(xué)、初中的內(nèi)容合理銜接，選修教材設(shè)置要能滿足部分學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的需要；②信息技術(shù)課堂的追求要從工具化操作應(yīng)用上升到學(xué)科素養(yǎng)的高度，“去工具化”迫在眉睫；③信息技術(shù)學(xué)科地位與其作用不相稱，會(huì)考（學(xué)考）、高考將會(huì)逐漸步入正軌；④信息技術(shù)教師要正視學(xué)科發(fā)展前景，積極關(guān)注新一輪教材改革。

從目前各省公布的新高考方案來看，浙江是唯一執(zhí)行“七選三”方案的省份。從某種角度而言，浙江的技術(shù)學(xué)科（信息技術(shù)+通用技術(shù)）被擺在一個(gè)特別“尷尬”的位置，全國(guó)都在看浙江的動(dòng)向。那么，當(dāng)前的技術(shù)課程能否適應(yīng)高考的要求，今后技術(shù)課程的出路又在哪里？

什么是計(jì)算思維

2014年11月，教育部啟動(dòng)了高中所有學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)修訂工作。依據(jù)“中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”等方面的要求，課標(biāo)組界定了信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)要素：信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新和信息社會(huì)責(zé)任。又按照信息技術(shù)課程特征和知識(shí)技能的邏輯體系明確了高中信息技術(shù)課程的大概念：數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)和信息社會(huì)。圍繞信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)和學(xué)科大概念，新課標(biāo)選擇了兼顧實(shí)踐性與理論性的課程內(nèi)容，以突破目前教學(xué)中課程內(nèi)容多為工具軟件操作的局限，將高中信息技術(shù)課程分為必修模塊和選修模塊。其中，必修模塊分為“數(shù)據(jù)與計(jì)算”“信息系統(tǒng)與社會(huì)”兩個(gè)子模塊，而“數(shù)據(jù)與計(jì)算”模塊中的內(nèi)容強(qiáng)調(diào)了簡(jiǎn)單算法的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的基本知識(shí)，使用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單算法，將計(jì)算思維的形式化、模型化、自動(dòng)化特征滲透至內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中。在這里，特別突出了計(jì)算思維的重要性。那么，什么是計(jì)算思維？高中信息技術(shù)課程中該如何通過編程教學(xué)體現(xiàn)計(jì)算思維呢？

計(jì)算思維是由美國(guó)麻省理工學(xué)院西蒙·帕佩特教授最早提出的，后來由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授進(jìn)行系統(tǒng)闡述和推廣。計(jì)算思維的含義是：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類行為理解等的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維應(yīng)該是每個(gè)人具有的基本技能，而不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。計(jì)算思維是一種思維方式，被認(rèn)為是近十年來產(chǎn)生的最具基礎(chǔ)性、長(zhǎng)期性的學(xué)術(shù)思想，已經(jīng)成為當(dāng)今重點(diǎn)科學(xué)研究的內(nèi)容。計(jì)算思維主要表現(xiàn)為“形式化、模型化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化”四個(gè)方面，包含三個(gè)層次的內(nèi)容，即計(jì)算思維意識(shí)、計(jì)算思維方法和計(jì)算思維能力。從意識(shí)到方法再到能力的過程不是一蹴而就的，這是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，需要有針對(duì)性地對(duì)課堂教學(xué)加以培養(yǎng)。

那么，對(duì)于剛剛接觸編程語(yǔ)言的高中學(xué)生而言，應(yīng)該如何培養(yǎng)他們的計(jì)算思維呢？什么樣的編程語(yǔ)言能夠“擔(dān)此重任”？

為什么選擇Python

1989年圣誕節(jié)期間，Guido vanRossum（吉多·范羅蘇姆）為了打發(fā)圣誕節(jié)的無趣，決心開發(fā)一個(gè)新的腳本解釋程序。Python是純粹的自由軟件，語(yǔ)法簡(jiǎn)潔清晰，極易上手，具有豐富和強(qiáng)大的庫(kù)，常被昵稱為“膠水語(yǔ)言”，能夠把其他語(yǔ)言很輕松地聯(lián)結(jié)在一起。

Python的程序可以怎么寫？來看這樣一個(gè)問題：輸入圓的半徑，輸出圓的面積。用Python語(yǔ)言可以這樣寫：

>>> pi=3.1415

>>> r=eval（input（"請(qǐng)輸入半徑："））

請(qǐng)輸入半徑：6

>>> print（pi*r**2）

113.09400000000001

從上面程序可以看出，Python的語(yǔ)言確實(shí)非常簡(jiǎn)單，通俗易懂，可以作為學(xué)生的入門語(yǔ)言。除此之外，Python語(yǔ)言還在數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、科學(xué)計(jì)算、硬件編程等領(lǐng)域有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

Python語(yǔ)言從問世開始便引起了廣泛的關(guān)注，其中也不乏學(xué)校和教師挖掘了其教學(xué)價(jià)值，很早就開始把Python應(yīng)用在教學(xué)實(shí)踐中。美國(guó)綜合排名前100名的大學(xué)有超過70%都開設(shè)了Python編程語(yǔ)言類課程。北京理工大學(xué)作為國(guó)內(nèi)較早一批引入Python語(yǔ)言的高校，自2013年起就開始面向全校非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)了公選課《Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》，還有南京大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、山東工商學(xué)院等多所院校都開設(shè)了Python語(yǔ)言的相關(guān)課程。

Python語(yǔ)言簡(jiǎn)潔易懂的特點(diǎn)，比較適合沒有編程基礎(chǔ)的學(xué)生。教師和學(xué)生不需要花費(fèi)大量的時(shí)間去處理代碼的格式錯(cuò)誤。這樣，教師在教學(xué)過程中能夠更加關(guān)注算法思維的培養(yǎng)，讓學(xué)生盡快地在編程中獲得成就感，進(jìn)而培養(yǎng)計(jì)算思維。

Python編程教學(xué)建議

信息技術(shù)課程是一門實(shí)踐性強(qiáng)、技術(shù)條件及師資條件要求較高的課程。教師及教育管理者在課程設(shè)置、教學(xué)組織、評(píng)價(jià)方式、課程環(huán)境和教師培訓(xùn)等方面需要做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。

1.課程設(shè)置建議

高中信息技術(shù)課程必修模塊為4學(xué)分，選修模塊為2學(xué)分。結(jié)合中學(xué)生的現(xiàn)有水平和認(rèn)知特點(diǎn)，高中階段的Python教學(xué)無需注重復(fù)雜的高級(jí)部分，而應(yīng)強(qiáng)調(diào)Python語(yǔ)言的基本用法和常用算法思想，建議教學(xué)內(nèi)容安排如下表。

2.教學(xué)方法建議

教學(xué)方法是教師和學(xué)生為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，完成教學(xué)任務(wù)，在教學(xué)過程中運(yùn)用的方式與手段。作為信息技術(shù)教師，如何在課堂教學(xué)中落實(shí)培養(yǎng)計(jì)算思維的目標(biāo)呢？從認(rèn)知發(fā)展來看，高中學(xué)生的邏輯思維能力逐步趨于成熟，能夠?qū)ψ约旱乃枷胗^點(diǎn)進(jìn)行論證，能有條理地對(duì)各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)加以理論說明，這也為學(xué)生計(jì)算思維的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。目前，關(guān)于信息技術(shù)的課程教學(xué)方法有很多，如講授法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、基于問題學(xué)習(xí)、游戲教學(xué)法、在做中學(xué)等，還有一批教師團(tuán)隊(duì)提出了“范例研習(xí)—模仿設(shè)計(jì)—自由創(chuàng)作”的教學(xué)策略。結(jié)合以上幾種教學(xué)方法，根據(jù)計(jì)算思維的特點(diǎn)，筆者提出了一種以項(xiàng)目式教學(xué)為指導(dǎo)的教學(xué)方法，即“案例啟發(fā)創(chuàng)作”教學(xué)法。endprint

“案例啟發(fā)創(chuàng)作”教學(xué)法的設(shè)計(jì)思路是先讓教師在課堂上設(shè)計(jì)一個(gè)教學(xué)情境，提出所要解決的問題。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下對(duì)提出的問題進(jìn)行分析、細(xì)化，再根據(jù)情境創(chuàng)設(shè)的具體情況提出問題解決策略。在這個(gè)過程中，學(xué)生可以通過回溯驗(yàn)證對(duì)問題解決的策略不斷優(yōu)化。此外，學(xué)生根據(jù)問題解決策略對(duì)問題解決進(jìn)行嘗試。在這個(gè)過程中，學(xué)生通過反饋進(jìn)行交流討論、歸納總結(jié)，進(jìn)一步細(xì)化問題后再提出新的問題解決策略，最終反復(fù)驗(yàn)證解決問題。當(dāng)學(xué)生解決了教師創(chuàng)設(shè)的情境問題，可根據(jù)已有水平進(jìn)行自主創(chuàng)作時(shí)，就真正提升了專業(yè)技能。

3.教學(xué)保障建議

前文討論了Python進(jìn)入中學(xué)課堂的可行性和教學(xué)實(shí)施建議，但就目前國(guó)內(nèi)中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀而言，還存在一些現(xiàn)實(shí)的困境。首先，由于Python是開源語(yǔ)言，有很多動(dòng)態(tài)的庫(kù)，其語(yǔ)言本身還處在更新過程中。那么，Python教學(xué)應(yīng)該選擇什么版本，講授哪些知識(shí)點(diǎn)，考試標(biāo)準(zhǔn)、考試形式、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容都需要科學(xué)規(guī)劃和設(shè)計(jì)。其次，由于國(guó)內(nèi)大學(xué)引入Python教學(xué)的時(shí)間并不長(zhǎng)，中學(xué)階段更是沒有開設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，不僅缺少成熟的教學(xué)體系，相應(yīng)的教學(xué)資源也比較匱乏。在中學(xué)階段開設(shè)Python課程還尚無成功的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，如果在此背景下直接開設(shè)Python課程，對(duì)一線教師來說無疑是巨大的壓力和挑戰(zhàn)。面對(duì)以上問題，我們可以從以下幾條途徑予以解決：

（1）盡快開展教師培訓(xùn)。大多數(shù)中學(xué)教師沒有接受過Python語(yǔ)言的完整訓(xùn)練，很多教師對(duì)Python語(yǔ)言一無所知，更別提實(shí)際的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)了。教師是落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)的主體，教師對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的理解和應(yīng)用程度決定了課程標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)程度。開展基于課程標(biāo)準(zhǔn)的教師培訓(xùn)是課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的一項(xiàng)關(guān)鍵舉措。建議教研部門盡快開展面向中學(xué)教師的Python語(yǔ)言編程和教學(xué)的培訓(xùn)，幫助他們?cè)鷮?shí)教學(xué)能力；選擇試驗(yàn)地區(qū)和試驗(yàn)學(xué)校進(jìn)行Python語(yǔ)言的教學(xué)試驗(yàn)，在試驗(yàn)中積累有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。

（2）加強(qiáng)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。對(duì)信息技術(shù)課程而言，必要的基礎(chǔ)設(shè)施、基本設(shè)備是課程實(shí)施的物質(zhì)基礎(chǔ)。信息技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)針對(duì)課程模塊設(shè)立，著重滿足學(xué)生實(shí)踐操作的需求；除了考慮配備實(shí)驗(yàn)用品之外，還應(yīng)當(dāng)考慮配備適當(dāng)?shù)墓ぞ吆蜏y(cè)試儀器，以保證實(shí)驗(yàn)的水平和質(zhì)量。建議有條件的學(xué)校建設(shè)信息技術(shù)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，倡導(dǎo)通過動(dòng)手實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)操作的方式發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（3）注重多元評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)作為一種價(jià)值判斷的過程，反映的是教育價(jià)值理解的多元性。因此，為了全面評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)業(yè)水平，信息技術(shù)學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)應(yīng)采用多元評(píng)價(jià)方式，通過多途徑收集學(xué)生學(xué)習(xí)信息，判斷學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果，提供學(xué)習(xí)支持?；诤诵乃仞B(yǎng)測(cè)試的試題設(shè)計(jì)要從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，通過創(chuàng)設(shè)與信息技術(shù)相關(guān)的問題情境，在不同能力層次上對(duì)學(xué)生進(jìn)行較為全面的考查。建議教育行政部門聯(lián)合相關(guān)專家盡快制定與當(dāng)下課改要求相適應(yīng)的Python教學(xué)的考試和評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，從宏觀層面上建立Python教學(xué)的生態(tài)體系。另外，筆者認(rèn)為，有必要搭建基于Python語(yǔ)言的Judge Online系統(tǒng)，以適應(yīng)學(xué)科的整體發(fā)展。

總結(jié)

高中信息技術(shù)課程的改革之路異常艱辛，雖然信息技術(shù)新課標(biāo)尚未正式公布，教材也未面世，但從學(xué)科發(fā)展而言，編程語(yǔ)言的選擇和教學(xué)實(shí)施是非常關(guān)鍵的問題，在學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)過程中有著舉足輕重的地位。不管信息技術(shù)課程內(nèi)容最終如何呈現(xiàn)，都希望各方能夠足夠重視信息技術(shù)學(xué)科的發(fā)展，共同創(chuàng)造一個(gè)有利于學(xué)科、教師、學(xué)生，也有利于社會(huì)的良好環(huán)境。endprint