關(guān)于培養(yǎng)高中生計(jì)算思維能力的教學(xué)思考

【摘 要】 本文通過引入計(jì)算思維的教學(xué)案例分析，探討高中生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的目標(biāo)和方法。主張培養(yǎng)學(xué)生通過判斷、分析與綜合處理各種信息資源能力，形成利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決過程中。

【關(guān)鍵詞】 高中生；信息技術(shù)；計(jì)算思維能力；教學(xué)；培養(yǎng)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出，普通高中信息技術(shù)課程的根本任務(wù)是全面提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。課程圍繞信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，精煉學(xué)科大概念，吸納學(xué)科領(lǐng)域的前沿成果，構(gòu)建具有時(shí)代特征的課程內(nèi)容。

信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四方面構(gòu)成。其中，計(jì)算思維是最能體現(xiàn)信息技術(shù)學(xué)科本質(zhì)的核心素養(yǎng)。

一、關(guān)于“計(jì)算思維”的概念

2006年美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授提出“計(jì)算思維”的概念，周以真教授認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為。近年來(lái)，“計(jì)算思維”概念受到廣泛關(guān)注，不同學(xué)者亦有不同觀點(diǎn)?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中表明，“計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)?！?/p>

二、高中信息技術(shù)課程中計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)

高中信息技術(shù)教學(xué)旨在通過信息技術(shù)學(xué)科的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，逐步培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維這一核心素養(yǎng)，使學(xué)生在基于信息技術(shù)的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，從計(jì)算機(jī)能夠處理的視角，進(jìn)行問題的界定、特征的抽象及提取，結(jié)構(gòu)模型的建立，數(shù)據(jù)的合理組織等，通過判斷、分析與綜合處理各種信息資源，選擇并合理運(yùn)用算法形成解決問題的方案，總結(jié)出利用計(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。

三、高中信息技術(shù)課的教學(xué)現(xiàn)狀

分析現(xiàn)行高中教材及教師教學(xué)實(shí)際情況可知，基于“技術(shù)應(yīng)用”的教學(xué)理念非常廣泛。教師通常把教學(xué)目標(biāo)的定位放在學(xué)生學(xué)會(huì)技術(shù)操作，能夠應(yīng)用技術(shù)解決問題上。

例如，講授關(guān)于概念的知識(shí)時(shí)，教師的教學(xué)側(cè)重點(diǎn)是列舉與概念相關(guān)的例子，強(qiáng)調(diào)的是與概念相關(guān)的應(yīng)用技能，而對(duì)于與計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)的概念、原理和思想，缺乏準(zhǔn)確細(xì)致的講授，涉及概念的內(nèi)容，僅限于“了解”層面，講授膚淺。學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)體系缺乏整體性認(rèn)知和結(jié)構(gòu)化意識(shí)。講授操作技能類知識(shí)時(shí)，教師的教學(xué)側(cè)重點(diǎn)是學(xué)生具體操作技術(shù)掌握的熟練程度，在這種只強(qiáng)調(diào)技術(shù)操作，忽視學(xué)生分析與解決問題的思維能力培養(yǎng)的教學(xué)下，學(xué)生學(xué)會(huì)的只是照貓畫虎的操作技術(shù)，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S習(xí)慣、創(chuàng)新思維能力與信息社會(huì)責(zé)任感。

四、高中信息技術(shù)課程教學(xué)中落實(shí)計(jì)算思維的培養(yǎng)策略

在教學(xué)過程中，教師要在如何引導(dǎo)學(xué)生以計(jì)算思維的方式進(jìn)行思考上下功夫。教師備課時(shí)的首要任務(wù)就是要設(shè)計(jì)出有意義、有價(jià)值的真實(shí)問題情境，搭建思維“腳手架”，提出層層遞進(jìn)的思考問題，采用有針對(duì)性的訓(xùn)練，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)在分析問題和解決問題時(shí)的一般流程，并在此過程中形成計(jì)算思維意識(shí)，進(jìn)而提升計(jì)算思維能力。

“信息的基本特征”是高中必修冊(cè)中典型的一節(jié)理論課，涉及概念較多?；浗贪娼滩纳辖o出一些常見生活事例及諺語(yǔ)，要求學(xué)生討論思考其具有信息的哪種特征。這樣的教學(xué)案例目的單一，只能讓學(xué)生基本了解信息的基本特征有哪些，缺少深層次的思維過程?，F(xiàn)實(shí)生活中，我們所遇到的信息表現(xiàn)出來(lái)的特征都不是單一的，信息是通過多個(gè)特征綜合呈現(xiàn)的。在高中信息技術(shù)教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)信息的特征不是為了能正確羅列信息特征有哪些項(xiàng)，而是要深層次學(xué)習(xí)信息及其特征的作用。比如，在鑒別某個(gè)信息的真?zhèn)螘r(shí)，能夠綜合分析該信息符合信息的哪些特征，并從中梳理出相關(guān)的信息特征項(xiàng)，分析其表現(xiàn)形式和所起的作用，從而理性的鑒別、評(píng)價(jià)和運(yùn)用信息。這樣才能體現(xiàn)出“通過判斷、分析與綜合各種信息資源，提取關(guān)鍵特征，建立結(jié)構(gòu)化思想的知識(shí)體系，并能夠遷移到解決實(shí)際問題當(dāng)中”的計(jì)算思維核心。

“網(wǎng)絡(luò)信息資源的獲取”是以技術(shù)應(yīng)用為主的一節(jié)課，通常教師從應(yīng)用的角度出發(fā)，把教學(xué)側(cè)重點(diǎn)放在使用搜索引擎的技巧上，而講授搜索引擎概念及工作原理內(nèi)容時(shí)，輕描淡寫的一帶而過。學(xué)生在課堂上學(xué)會(huì)了一些有針對(duì)性的技巧，但遇到復(fù)雜的綜合性實(shí)際問題，需要進(jìn)行分析、篩選并決策時(shí)，就無(wú)計(jì)可施了。這樣的教學(xué)明顯缺失計(jì)算思維中“學(xué)會(huì)利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程和方法，并遷移到相關(guān)的實(shí)際問題解決中”的培養(yǎng)。實(shí)際生活中我們搜索網(wǎng)絡(luò)資源時(shí)，初步檢索出的信息通常是海量的、模糊的、零散的、模棱兩可的，在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，我們就要設(shè)計(jì)呈現(xiàn)這種真實(shí)的生活情境問題，引導(dǎo)學(xué)生在面對(duì)信息不完整不清晰的情況下，通過細(xì)致觀察、客觀分析、合理推斷，提取信息的關(guān)鍵特征，利用分析得出的特征再次進(jìn)行精準(zhǔn)檢索和科學(xué)篩選，最終得出更準(zhǔn)確結(jié)果。通過這樣的學(xué)習(xí)，學(xué)生才能學(xué)會(huì)分析界定問題、對(duì)檢索問題進(jìn)行抽象和歸納、構(gòu)建關(guān)于信息檢索的通式模型，并使用該模型將模糊信息轉(zhuǎn)化成精準(zhǔn)的有規(guī)律的檢索條件項(xiàng)，以此達(dá)到從一個(gè)問題的解決遷移到一類問題的解決上。

因此，教師需要在教學(xué)中改變?cè)械慕虒W(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，通過解決生活中真實(shí)存在的復(fù)雜問題，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的目的。

五、基于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)案例

王榮良教授在《計(jì)算思維教育》一書中寫到：算法思維方式是信息技術(shù)的最基本的思維方式。計(jì)算機(jī)處理問題最根本的機(jī)制就是“算法”，所以計(jì)算思維涵蓋了算法思維的本質(zhì)。應(yīng)用到我們教學(xué)實(shí)踐中，就需要將思維本身具象化，使用具有可操作性的教學(xué)策略，在教學(xué)活動(dòng)中落實(shí)計(jì)算思維的培養(yǎng)。

下文教學(xué)案例中的三個(gè)學(xué)生任務(wù)，是基于計(jì)算思維的培養(yǎng)，使用回溯算法思想指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行信息檢索的教學(xué)內(nèi)容。

回溯算法的基本思想是：從一條路往前走，能進(jìn)則進(jìn)，不能進(jìn)則退回來(lái)，換一條路再試。許多復(fù)雜的，規(guī)模較大的問題都可以使用回溯法。利用回溯思想檢索網(wǎng)絡(luò)信息，分析歸納出信息檢索的一般方法。通常，在檢索條件清晰、明了的條件下，可以直接利用回溯優(yōu)化檢索結(jié)果，若檢索條件模糊、含混，則需要利用信息的結(jié)構(gòu)化原則，先進(jìn)行檢索關(guān)鍵詞提取。

【任務(wù)一】在12306官網(wǎng)上查詢列車時(shí)刻信息，制定一份從“西安”到“北海”的火車乘車安排，要求越早到達(dá)越好。（提示：沒直達(dá)車時(shí)可以考慮轉(zhuǎn)車。）

任務(wù)一分析：從西安到北海沒有直達(dá)的列車，在這個(gè)任務(wù)中，首先要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)哪個(gè)城市是最合適的換乘城市，除了要考慮路程外，還要考慮換乘的時(shí)間是否匹配，才能符合“越早到達(dá)越好”的條件。在嘗試尋找換乘城市的過程，就是體會(huì)回溯算法的思想。

【任務(wù)二】制定一份從“西安”到“北?！钡某鲂邪才?，要求費(fèi)用越低、時(shí)間越少越好。（提示：可以考慮多種交通方式。）

任務(wù)二分析：改變?nèi)蝿?wù)條件以后，有時(shí)間、路程和花費(fèi)幾個(gè)關(guān)鍵因素要考慮任務(wù)也就相應(yīng)變得復(fù)雜化，搜索結(jié)果可能使人決策困難。這時(shí)，可以使用決策矩陣法進(jìn)行分析。

具體操作思路如下：將影響決策的多個(gè)因素進(jìn)行梳理，并建立起數(shù)學(xué)模型。給這些決策因素進(jìn)行賦值，計(jì)算并分析其結(jié)果。

假設(shè)三個(gè)變量分別是：t=時(shí)間，s=路程，m=金錢。每一個(gè)變量的值為0或者1，代表該變量對(duì)路線的影響程度，0為次，1為好。在完成任務(wù)二時(shí)，需要參考這三個(gè)變量，通過權(quán)重系數(shù)可以調(diào)整三個(gè)變量的重要程度，權(quán)重越高則越重要。權(quán)重范圍可以設(shè)為1-3。

最終，我們根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)果。

使用決策矩陣法的過程就是計(jì)算思維的體現(xiàn)。這種將人的主觀意識(shí)用數(shù)學(xué)方式來(lái)表達(dá)，形成一般性策略，即達(dá)到將生活問題使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理的目的。

【任務(wù)三】從海邊旅游城市北海和海南中二選一，如何用科學(xué)的方法找出最優(yōu)方案？

任務(wù)三分析：任務(wù)三是在任務(wù)二的基礎(chǔ)上，鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容的掌握，檢測(cè)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)，也是用該任務(wù)進(jìn)行一般性策略驗(yàn)證的過程。

在這個(gè)教學(xué)案例中，當(dāng)學(xué)生初次搜索的線路不符合條件時(shí)，需要返回并重新開始，再次進(jìn)行檢索，最終達(dá)到符合條件的結(jié)果。這個(gè)過程就是回溯思想的生活應(yīng)用。當(dāng)學(xué)生在搜索信息發(fā)生決策困難時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生能夠有意識(shí)的對(duì)問題進(jìn)行抽象和歸納，重新進(jìn)行信息的提取，進(jìn)行精準(zhǔn)檢索，在遇到選擇問題時(shí)，使用決策矩陣的方法進(jìn)行信息的分析及篩選。由此形成一種科學(xué)的、數(shù)字化的思維方式。并逐步形成基于計(jì)算思維的核心素養(yǎng)。

我們現(xiàn)在身處于一個(gè)大數(shù)據(jù)時(shí)代，在海量的信息里進(jìn)行有效檢索的思維方式非常關(guān)鍵。引入計(jì)算思維后，我們的信息檢索教學(xué)思路需要進(jìn)行一些變化。基本思路如：搜索信息的結(jié)構(gòu)化；對(duì)搜索問題進(jìn)行抽象和歸納，依據(jù)數(shù)學(xué)分析的算法，構(gòu)建起關(guān)于信息檢索的、可被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)模型將模糊的描述性搜索信息轉(zhuǎn)換成精確、可由計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)表達(dá)式；由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；歸納、總結(jié)出在計(jì)算思維條件下進(jìn)行信息搜索的一般性策略與方法。

六、結(jié)論

當(dāng)前，計(jì)算思維正在受到教育界的廣泛關(guān)注和研究，我們將計(jì)算思維引入高中信息技術(shù)課教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中，旨在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)采用科學(xué)方法，建立數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)合理算法，構(gòu)建思維模式。培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的方法解決身邊問題的能力，這是一個(gè)探索的過程，也許會(huì)有很多細(xì)枝末節(jié)的不足之處，我們將在教學(xué)實(shí)踐中不斷完善，探索出符合信息技術(shù)課特征，體現(xiàn)出學(xué)科價(jià)值的新思路。為促進(jìn)信息技術(shù)學(xué)科良性發(fā)展做出努力。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡(jiǎn)介】

李南穎，女，一級(jí)教師，陜西省教學(xué)能手，陜西省蓮湖教師進(jìn)修學(xué)校中學(xué)信息技術(shù)教研員、電教信息部主任，陜西師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)教育碩士導(dǎo)師，主要研究方向：中學(xué)信息技術(shù)教育教學(xué).