初中生算法思維培養(yǎng)的困境、致因與對策

公彥利

摘要：本文針對目前初中生算法思維能力存在的諸多困境，提出應(yīng)通過程序設(shè)計教學(xué)、單元整體教學(xué)和學(xué)科整合教學(xué)等策略突破，來提升學(xué)生算法思維培養(yǎng)的效度，提高學(xué)生未來邏輯處事能力。

關(guān)鍵詞：計算思維;算法思維;單元設(shè)計;課程整合

中圖分類號：G434 ?文獻標(biāo)識碼：A ?論文編號：1674-2117（2022）13-0096-03

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，高中信息技術(shù)核心素養(yǎng)主要包含信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新和信息社會責(zé)任。而計算思維主要是由算法思維、分解、抽象和概括四個方面構(gòu)成，其中算法思維是核心。初中階段是為高中階段夯實基礎(chǔ)的關(guān)鍵期，也是落實抽象邏輯思維培養(yǎng)的黃金期，對算法思維的培育和形成至關(guān)重要。

● 算法思維培養(yǎng)的困境及致因

從教學(xué)實施情況來看，初中生算法思維的培養(yǎng)主要存在以下問題：

①教學(xué)方法不當(dāng)。學(xué)科雖然強調(diào)用信息技術(shù)工具解決實際問題，但學(xué)習(xí)內(nèi)容多為各類應(yīng)用軟件，缺乏對計算機自身處理信息方式的認識和理解，缺乏對算法教學(xué)的整體設(shè)計，導(dǎo)致算法思維的培養(yǎng)找不到根基，缺乏有效的載體。

②專業(yè)引領(lǐng)不強。部分教師片面地將其歸類為抽象的概念，認為超出學(xué)生的認知范圍，從而忽略了對學(xué)生解決問題的思維能力的培養(yǎng)。

③學(xué)科滲透不足。算法思維僅在編程教學(xué)中有所體現(xiàn)，但也只是向?qū)W生灌輸算法思維的學(xué)習(xí)內(nèi)容，導(dǎo)致其體驗不到解決問題的過程。

算法思維培養(yǎng)在初中階段實踐層面遇到困境，其原因是綜合性的，需要整體分析論證。

①思想認識不到位。很多一線教師對課程標(biāo)準(zhǔn)的理解不夠，注重知識傳授、忽視學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)現(xiàn)象比較普遍。

②專業(yè)指導(dǎo)不到位。各級教育部門認可算法思維對提高學(xué)生問題解決能力的積極作用，但缺少針對中小學(xué)的具體實施策略，缺少對教師的專業(yè)引導(dǎo)培訓(xùn)。

③課程統(tǒng)整不到位。從現(xiàn)狀來看，大多數(shù)學(xué)校缺乏課程整合意識、課程整合能力和課程整合機制，導(dǎo)致學(xué)科素養(yǎng)培育流于形式，學(xué)科核心素養(yǎng)培育低效甚至無效。

● 算法思維培養(yǎng)困境的出路

初中信息技術(shù)課程強調(diào)基于問題，選擇合適的技術(shù)，進行有效的信息處理，從而使問題得到解決，這個過程和算法思維的培育過程高度契合。因此，參與信息技術(shù)學(xué)習(xí)的過程，就是形成算法思維的重要過程。

1.從理解算法本身培育算法思維

算法學(xué)習(xí)是很好的思維訓(xùn)練工具，能有效提升學(xué)生算法思維水平。程序設(shè)計是幫助學(xué)生獲得解決問題經(jīng)驗的一種快速、明確的途徑，其一般過程為：提出問題—分析問題—設(shè)計算法—編寫程序—調(diào)試運行—檢測結(jié)果。以程序設(shè)計為載體，學(xué)生可以掌握一些常用的算法思想，如通過雞兔同籠問題了解窮舉法、通過楊輝三角問題了解遞推法、通過走迷宮問題了解回溯法、通過漢諾塔問題了解遞歸法等。

（1）巧用示例將算法概念形象化

算法是非常抽象的，教學(xué)中可適當(dāng)設(shè)計一些游戲，幫助學(xué)生快速理解算法及相關(guān)概念。例如，在學(xué)習(xí)“算法思想初探”時，設(shè)計“神算小諸葛”游戲讓學(xué)生對算法初步形成認知。教師任意選取1到20之間的某個數(shù)字，猜到的學(xué)生即為“神算小諸葛”。每個學(xué)生都有一次機會問“是*嗎？”，教師回答“是”或“否”。第一輪，學(xué)生隨機猜測。第二輪，學(xué)生按順序進行猜測，如“是6嗎？”“是7嗎？”，學(xué)生可以多次猜測，這就是“順序查找”。第三輪，教師首先向?qū)W生透露數(shù)字的大體范圍，學(xué)生減半詢問，如“是小于10嗎？”，再問“是小于5嗎？”，這就是“二分查找”。通過游戲，學(xué)生親自體驗解決問題的過程和方法，更有利于對抽象概念的理解，從而達到教學(xué)目標(biāo)。

（2）使用流程圖描述算法加深理解

使用流程圖不僅可以讓學(xué)生清晰地了解解決問題的一般過程，而且還能使其理解計算機解決問題的核心思想。

（3）培養(yǎng)算法選擇與優(yōu)化的意識與能力

在程序教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生針對同一問題設(shè)計多樣化的算法，通過討論比較，選擇其中最優(yōu)的算法，培養(yǎng)學(xué)生算法選擇與優(yōu)化的意識和能力。例如，求100以內(nèi)的偶數(shù)和，可比較下列三種算法：

算法一  For i=1 to 100

If i mod 2=0 Then s=s+i

Next i

算法二 For i=1 to 50

S=s+i*2

Next i

算法三 s=（2+100）*50/2

2.單元整體教學(xué)融入算法思維

教師可以聚焦問題解決，通過單元整體設(shè)計重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，每節(jié)課讓學(xué)生通過“發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題”這一步驟完成學(xué)習(xí)任務(wù)，利用每個單元有意識地培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，使學(xué)生逐步形成算法思維。

（1）使用任務(wù)驅(qū)動等模式組織教學(xué)

讓學(xué)生每節(jié)課都體驗問題解決的過程。例如，用WPS文字制作電子板報，首先讓學(xué)生思考：如何制作電子板報？制作電子板報需要哪些過程？第一步，確定主題。如何讓主題更明確？第二步，確定內(nèi)容。應(yīng)該搜集哪些素材？第三步，搜集素材。搜集的素材能不能直接使用？第四步，處理素材。怎樣將素材填充到版面中？……以制作電子板報為任務(wù)，學(xué)生切身體會到條理化地分析解決問題的過程，既培養(yǎng)了創(chuàng)新和協(xié)作意識，又提高了信息加工與表達能力，提升了信息綜合素養(yǎng)。

（2）開展單元整體教學(xué)

單元整體教學(xué)強調(diào)單元目標(biāo)的整體性、課時目標(biāo)的階梯性，有助于學(xué)科體系的構(gòu)建，對學(xué)科素養(yǎng)的養(yǎng)成特別是算法思維的培育有著不可替代的作用。例如，《數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析》單元的教學(xué)目標(biāo)有三個：一是了解圖表的特點，熟練制作圖表;二是掌握對數(shù)據(jù)及圖表的分析方法;三是根據(jù)圖表，形成結(jié)論。教師首先對本單元進行整體設(shè)計，將單元主題確立為“對學(xué)校午餐的滿意度調(diào)查及提出改進意見”，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析分各種方法滲透其中，引發(fā)學(xué)生共鳴。調(diào)查問卷的設(shè)計需要縝密的思維，問卷的發(fā)放、回收需要團結(jié)合作，觀點的闡述需要良好的語言表達，整個任務(wù)的完成就是“發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—解決問題”這一算法思維形成的過程。這種整體設(shè)計，使學(xué)生對調(diào)查研究的過程、方法和步驟有了系統(tǒng)的了解、認識和積累，在調(diào)查的過程中掌握了知識，提升了思維能力。

3.跨學(xué)科統(tǒng)整滲透算法思維

開展跨學(xué)科統(tǒng)整能為學(xué)生提供更為復(fù)雜的情境，讓他們有機會整合和運用不同學(xué)科的觀念、方法和工具，生成可遷移的知識和技能，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)培育的整體化、深度化、具體化實施，有助于學(xué)生充分體驗跨學(xué)科方式解決問題的過程。

（1）信息技術(shù)與學(xué)科深度融合

以信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合為切入口，實現(xiàn)多學(xué)科課程的統(tǒng)整。例如，由歷史、道德與法治、信息技術(shù)等學(xué)科共同參與的“數(shù)字化沂蒙精神”課程，整合了語文課中的革命傳統(tǒng)文化教育、歷史課上的愛國主義教育、道德與法制課上的核心價值觀教育，綜合運用信息技術(shù)手段多方式呈現(xiàn)。有的學(xué)生用演示文稿等多媒體手段講紅色故事，有的學(xué)生用圖形化編程體驗紅色活動，有的學(xué)生選擇用開源硬件或3D打印創(chuàng)作紅色實景，有的學(xué)生用VR技術(shù)展示紅色場館。風(fēng)采各異的融合背后，體現(xiàn)的是學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—尋求解決辦法”的思維過程，這正是學(xué)科教學(xué)的價值所在。

（2）跨學(xué)科“項目化學(xué)習(xí)”

通過讓學(xué)生體驗項目化學(xué)習(xí)的全過程，培養(yǎng)學(xué)生的算法思維。例如，在學(xué)習(xí)WPS文字時，創(chuàng)設(shè)“我是設(shè)計師”項目，要求與其他學(xué)科學(xué)習(xí)內(nèi)容相結(jié)合，創(chuàng)作體現(xiàn)不同文化內(nèi)涵的郵票作品，有的學(xué)生結(jié)合品德與社會的學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)計了《百年公交》系列郵票，展示了從老式公交車、有軌電車、磁懸浮列車、新能源公交車演變的過程，在學(xué)習(xí)使用軟件的同時，滲透了愛國主義教育。

（3）與生活體驗無縫銜接

算法思維不僅存在于計算機程序中、學(xué)科教學(xué)中，而且存在于生活中的方方面面。例如，使用者在瀏覽網(wǎng)頁后，會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站經(jīng)常給推送“你感興趣的頁面”“你喜歡的圖書”“你熱衷的八卦”等，這就是經(jīng)典的“推薦算法”。又如，教學(xué)《條件語句》這一課時，教師可以結(jié)合生活中的垃圾分類設(shè)計學(xué)習(xí)項目“智能垃圾桶”。通過設(shè)計算法、編寫程序，讓垃圾桶實現(xiàn)智能識別和智能分類存放的功能，解決生活中的難題。

學(xué)生算法思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，用算法思維解決問題的能力也需長期培養(yǎng)。所以，教師在落實算法思維培養(yǎng)的過程中，應(yīng)針對不同學(xué)段，按照由易到難、螺旋上升的原則進行布局，既立足信息技術(shù)課程，又兼顧其他學(xué)科滲透，最后還要與生活高度融合。

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本文為山東省十三五教育科學(xué)規(guī)劃課題“勝任力視角下人工智能教師專業(yè)成長路徑研究”（編號：2020ZC199）階段研究成果，臨沂市初中信息技術(shù)名師工作室成果。