淺談圖形化編程中計算思維的培養(yǎng)

江玫

貴州省貴陽市一中 貴州 貴陽 550081

計算思維是計算機本質(zhì)科學和課程核心價值的重要概念。在修訂版普通高中信息技術(shù)課程標準中提到關(guān)于“計算思維”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，本文基于這一要求，結(jié)合圖形化編程的三個具體教學案例，闡述了在高中信息技術(shù)課中基于核心素養(yǎng)開展計算思維培養(yǎng)的策略。

1 對“計算思維”素養(yǎng)的科學認識

傳統(tǒng)的信息技術(shù)課程的授課方式是以計算機操作為目的的包含信息采集、加工、交流等在內(nèi)的信息技術(shù)知識，這涉及各種數(shù)字化工具和資源的使用，這里面除了實踐操作以外還涉及的思維方式其實就是計算思維。計算思維并不是計算機出現(xiàn)了之后才有的，古人在并不知道計算思維的概念情況下，已經(jīng)很熟練地用這種思維方式來解決實際問題，比如田忌賽馬，曹沖稱象等，他們被稱為聰明的人，他們用到的解決問題的思維方式就是計算思維。2006年，周以真教授首次提出了“計算思維”這一概念。他認為計算思維的核心在于自動化和抽象化，自動化意味著將重復的事情程序化，抽象化意味著將實際的問題共性化[1]。如若要將計算思維作為新的教學觀念，它將是一次傳統(tǒng)以知識傳授為核心的觀念轉(zhuǎn)變，基于“計算思維”素養(yǎng)的信息技術(shù)課應該以培養(yǎng)學生的三大能力為主：一是概括能力，創(chuàng)設情境，讓學生在情境中發(fā)現(xiàn)和思考問題，在思考過程中對同類事物去除其中次要的、現(xiàn)象的方面，抽取其中主要的，共性的方面，依據(jù)計算模型對現(xiàn)實世界中需要處理的對象的屬性、規(guī)則、方法進行抽象和形式化表達，為構(gòu)建計算機世界提供依據(jù)。二是構(gòu)造能力，計算機世界本質(zhì)是一個人造的世界，它與現(xiàn)實世界中其他人造物不同之處在于，它具有自動化的特性。我們需要通過設計這個步驟將計算思維進行外化，以計算機能夠識別的語言告訴計算機去完成我們需要它做的事情。設計的過程體現(xiàn)的就是學生的構(gòu)造能力。三是推演能力，我們通過預演與優(yōu)化來實施我們的設計作品，我們將指令發(fā)送到計算機，計算機在接到指令之后完成的動作跟我們在大腦中那個的推演結(jié)構(gòu)是否一致，然后再根據(jù)具體的比較情況進行修改和優(yōu)化。

2 案例概要呈現(xiàn)

案例一：利用編程繪圖完成生活中的形狀繪制。

情境：展示生活中常見的物體：房子、大樹、蘑菇、胡蘿卜等，引導學生抽象其中所蘊含的形狀：三角形、方形、六邊形、圓形等。過程：選擇易于上手的圖形化編程工具，從簡到繁的一步步完成各種形狀的繪制。從三角形到圓形，再到不規(guī)則的圖形繪制。層層深入，讓學生在不斷提升的繪制圖形的過程中總結(jié)歸納各個圖形的個性和共性，形成圖形化編程繪制圖形的規(guī)律和公式。成果：將所見到的事物都能具象為某一個形狀用編程語句讓計算機繪制出來[2]。

案例二：抽象問題具象化。

情境：小方和小華一起坐纜車從山腳到山頂，在纜車上一直數(shù)到對面的纜車有30輛，請問這個纜繩上總共有多少輛纜車。過程：先分類分析纜車的種類為可見的和不可見的兩類；利用圖形化編程軟件根據(jù)生活中纜車的形象建立軌道；模擬生活中纜車在上面運行的效果。成果：建立軌道，運行分析得出答案，將這種抽象問題具象化推廣到其他問題上。

案例三：遞歸問題的解決。

情境：展示生活中常見的遞歸圖形：雪花、玫瑰花、松果、向日葵等，引出遞歸概念。過程：讓學生歸納出遞歸圖形的特點，利用圖形化編程工具創(chuàng)作出各種基礎形狀的遞歸圖形，總結(jié)規(guī)律推而廣之。成果：動態(tài)繪制遞歸圖形。以上相關(guān)案例通過對學習情境、技術(shù)運用過程及成果形式等方面進行設計，使學生獲得完整的計算思維三步驟的過程體驗，從而達到逐步培養(yǎng)學生計算思維的目的。

“計算思維”素養(yǎng)的培養(yǎng)需從現(xiàn)實需求出發(fā)設計情境，尋找計算思維的身影。

生活中的實例：

（1）假如有3個灶頭，鍋碗瓢盆數(shù)量一樣。你要做一道葷菜，又要做一道素菜，還要做一種甜點。請設計合理、高效的做飯流程。分析及歸類：做飯本來是一件很普通的事情，但對于一個有計算性思維的人，他既要考慮效果又要考慮正確性。在保證做出好吃的飯的同時，還考慮諸如做葷菜的時候飯不要涼了，同時要做搭配的素菜。其實從計算思維角度來說，這就是給定有限的資源，如何去設定幾個并行流程的問題，這個問題總結(jié)下來就是一個任務如何統(tǒng)籌設計的問題。以上做飯的實例反映在計算機中，可以用基本原理中的“并行計算”來解釋與實現(xiàn)。

（2）類似的，現(xiàn)實生活中還有很多這樣的實例。例如，購物時，會在心中明確要購買的商品。進入超市后，在根據(jù)超市指引找到對應的貨架。購物體驗一氣呵成。這反映到計算機就是“分類/分組”；在整理行李箱的時候會優(yōu)先將常用隨身物品放到容易或方便取出的包袋中，這反映到計算機中是“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧和隊列”原理的體現(xiàn)；物品丟失了之后，會沿著走過的路線去尋找，反映到計算機中這是“回溯”算法的應用。這些實例問題的解決就是運用計算思維解決問題的方式，其思維過程實質(zhì)上是將一個解決問題的過程清晰、抽象地描述出來，再將問題的解決方案表示為一個計算機中可以表達的“信息處理”流程，最終得以解決[3]。在信息技術(shù)教學過程中，課題應來源于生活，情境設置均與學生的具體學習生活相關(guān)。通過引導學生圖形化編程的設計面向解決生活中的具體問題，讓學生學習解決生活中出現(xiàn)問題的同時完成了計算思維的訓練和培養(yǎng)。計算思維的培養(yǎng)重在設計出真實有趣而又有效的教學情境，這就需要教師做一個善于觀察、關(guān)注學生學習與生活的有心人，了解學生的學科學習、生活活動、性格特征和情感需求，這樣才能設計出學生感興趣和符合生活場景的教學情境來，學生在這樣的情境中既學習了知識，又可培養(yǎng)出運用知識解決問題的思維方法。