2017基于计算思维能力培养的高中信息科技教学实践(共5页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上基于“计算思维”能力培养的高中信息科技教学实践以寻找“水仙花数”为例上海市青浦区第二中学 周世杰现代科技飞速发展，从大数据到互联网+、工业4.0到人工智能，全球进入一个全新的知识经济时代，知识在人类社会生活各个方面的应用和发展中，人的思维力尤为凸显。早在2006年，美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授首次提出了计算思维的概念，从思维的角度阐述计算机科学，通过人脑对计算及其计算机问题解决的实现等机理的认识，反映其中客观规律，并用以指导人们的社会生活。计算思维是一种高级思维能力，也是综合型创新人才培养的需要。中学信息科技学科是一门面向全体学生的公共基础型课程。在近年的教育综合改革相关文件中，上海市将信息科技学科作为高中学生必修科目，参加学业考试并通过的学生才能取得普通高中毕业资格。把计算思维引入高中信息科技学科的探索是中学信息科技课程改革与建设的一个新的方向和目标，但如何落实，还有很多的误区。正如华东师大王荣良教授在计算思维教育一书的序言中所言：“试图寻找培养计算思维的教学案例，在基础教育很是鲜见，还不够成熟，有待通过研究与实践来完善。”关于在高中信息科技教学中如何落实计算思维理念，我就结合自己的实践体验，谈一些粗浅看法。一、对计算思维的认识和理解在最近公布的高中信息科技核心素养（讨论稿）中，将计算思维纳入四大素养之一。关于计算思维的概念，在国外，美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授（2006）认为：“计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解的思维活动。它最本质的内容是抽象和自动化”；在国内，华东师范大学任友群教授（2016）等从利用数字化技术解决问题的过程方面，认为：“依据计算机解决问题的方法，将问题形式化。抽象问题特征，建立结构模型，对数据进行分析和组织；形成利用数字化工具自动解决问题的方案，通过迭代的方式对其优化和完善。对解决问题的方案系统化，迁移至类似问题解决中。”虽然关于计算思维的概念还没有得到统一的认可，但以上两种观点相对来说流传比较普遍。其实从以上描述可以看出，两者虽然文字有差异，但关于计算思维的本质是统一的，都主要阐述了以下三个方面的问题。1.计算思维以解决问题为目的。围绕问题的解决，运用计算机在计算方面的优势，结合计算机科学的原理和概念，通过问题形式化后寻找解决途径。但同时我们也要看到，计算机虽然表现有一定的智能，但这种智能是靠人类赋予它的方法来实现的。所以，计算思维本质上是人的思维。2.问题抽象是前提。针对具体的问题，抽象就是忽略当前问题中那些无关的干扰因素，直指问题实质。在计算机科学中，抽象是一种被广泛使用的思维方法。如算法和程序设计中的用“变量”来代替具体的数据。3.自动化是目的。抽象在计算机科学中被广泛应用，如信息的数字化，其实就是用数字符号来表示所有的信息。数字抽象为计算机处理信息提供了一个基本的前提。最终目的是能够一步一步自动执行抽象出来的问题解决模型，以求解问题、设计模型和理解人类行为。从操作层面来看，计算就是如何寻找一台计算装置去求解问题，即确定合适的抽象，而选择合适的计算装置去执行该抽象，就是自动化。周以真教授的定义，侧重于科学概念定义层面。任友群教授的定义，侧重于操作层面。通过对计算思维概念的学习和分析，我觉得在高中算法和程序设计章节教学中，渗透计算思维教学较为贴近。二、一个课例的设计与思考在当前，关于计算思维教学研究主要集中于高校计算机教学中，而在普通中学，缺乏相应研究和可资参考材料。近段时间，笔者在学习有关计算思维概念的基础上，尝试以高中信息科技“算法和程序设计”模块中，以寻找“水仙花数”作为问题媒介，设计了这样一个课例（下表1）。表1 寻找“水仙花数”主要教学环节环节教师活动学生活动问题初探组织学生思考：258、519、371，哪些属于“水仙花数”？计算思考：选取个别学生描述自己判断的过程。二次探究给出32个数据，组织学生思考“设计一个方法，在最短时间内找出水仙花数”思考分析，可能出现两种方式：1.全班同学分任务完成，分布式；2.一个一个按顺序，枚举式。深入探究组织学生尝试解决：找出100-999之间所有的“水仙花数”。运用“枚举算法”原理，寻找解决问题的方法。完善流程图及程序代码。思考讨论重现前面32个数据（有规律），组织学生思考：能不能分析出哪些数不用前面的计算机程序就可以知道不是“水仙花数”？在教师提示下：93=729、83=512、73=343、，思考算法优化。在以上教学设计流程中，为了渗透计算思维，我主要基于以下几个方面的考虑。（一）围绕问题，三重任务有序推进在教学设计中，围绕问题，我根据顾泠沅老师所归纳青浦实验的序进原理，设计了三个层层递进的学习任务。（1）根据对“水仙花数”的定义，人工找出三个数字中的“水仙花数”；（2）尝试采用分支结构原理，找出32个数中的“水仙花数”；（3）利用“枚举算法”原理，在三位正整数中找出所有的“水仙花数”。设计中主要考虑通过个别数的判别（人力易于完成）、几十个数的判别（人力完成耗时较长）、900个数的判别（人力完成耗时太长）等三组任务有序推进，逐步引导学生在充分分析“人思维”的基础上，理解计算机算法和程序的相应原理，也就是计算机思维的过程，以体现计算思维的抽象（运用变量代替具体数）和自动化（枚举算法程序自动完成）的特征。互联网时代，无论是日常生活还是学习交往，特别是近几年智能手机终端出现的各类APP，可以说都有算法和程序设计的原理，如何让学生通过高中算法和程序设计的学习，通过理解算法的原理，体悟程序设计的优势，应该是计算思维融入信息科技教学的一个目的。（二）详尽描述，在理解的基础上设计算法按照中华地图学社信息科技教材的定义，所谓算法：是指针对某一问题的一系列具有精确定义的有限的操作步骤。我们通俗说成是解决某一问题的有效步骤，其实对于很多问题而言，学生虽然能够解决，但往往在描述步骤时不够详尽，无法转换称计算机程序设计能够执行的语言。在这个课例中，针对第一个任务：根据水仙花数的定义，判断出258、371、519三个数中哪个数是水仙花数，用两分钟左右的时间，大部分学生都能做出正确的判断。但如果让学生描述自己解决的过程，往往不能对步骤进行精确化的归纳。因此，在这个任务结束后，我设计了这样一个问题：“以371为例，描述一下你是如何判断出它是水仙花数的？”并通过教师和学生之间的课堂对话、不断追问，完善总结出这样的四个步骤：（1）明确该数的三个数位上的数字：3,7,1；（2）分别计算出3,7,1的三次方；（3）对三个数的三次方求和；（4）根据判断“和”与原数是否相等，决定其是否为水仙花数。明晰了这些步骤，就将学生解决这个问题的过程和信息学科的相关知识进行了有效的连接。分解三位数的过程需要函数的应用，三次方和求和等计算和赋值语句以及判断需要用到分支结构。使学生体验到确定这些步骤的过程就是算法设计的过程，并引导学生由自然语言描述向程序语言靠近，引导学生将现实问题转化为抽象的计算机程序语言符号解决问题。（三）思考讨论，尝试对问题解决方法进行优化人类具有意识和思维，但人的思维过程是一个立体网状结构，是在一定的知识体系储备基础上的具体运用。而计算思维本质上是人的思维，是一个人在储备了计算机科学相关知识以后在理性意识支配下的活动。一定量的知识储备，可以带来问题解决方式的不同，从算法的角度讲，就是一种算法的优化。在三重任务后的思考讨论环节，“如果不用枚举算法，仔细观察右边的这组数字，你能不能分析出哪些数不用计算就可以知道不是水仙花数”。在设计时，这一讨论和前面的三个环节都有关联。“任务一”中，判断258、371和519三个数时，分别将7、8、9三个数的三次方进行过计算，而在此，正好是教师提示的内容；这里出现的这32个数字其实还是“任务二”时的那些数字，这些数字是很特别的。“任务三”中应用枚举算法其实是一种借助计算机强大的计算能力，牺牲效率而换取结果的计算方式。希望通过这一讨论的设计，激发学生进一步思考的动力，包括在解决问题时计算机的速度优势，同时也要意识到算法的优化无止境。当然，设计和实践之间总是有差距的，这个教学设计案例曾进行过教学实践，效果有喜有忧，为了更好的理解计算思维以及如何在教学实践中落实，我也进行了一些思考。三、实践后的反思近几年来，以计算思维的培养为主线开展信息科技学科教学研究，逐渐成为国内外计算机基础教育界的共识。笔者也在学习相关理论的基础上，设计并实践了基于计算思维能力培养的课堂教学。虽然在设计时考虑了很多，对于上面课例而言，由于对学生学情把握并不是很全面，教学实践中时间很紧，很多问题没有深入研讨下去，存在为赶进程而硬推的情况。经过实践，我对于高中信息科技学科融入计算思维也有了新的感想，主要有以下两点。（一）设计的问题必须是可计算的计算思维不是空洞的概念，而是以解决实际问题为目的。早在1936年，计算机科学之父英国数学家阿兰·图灵在其论文“论可计算数以及在确定性问题上的应用”中，提出了一个关于问题的性质方面的概念，即图灵可计算性，它是当代计算机科学理论基础之一。一般来讲，在计算机中，可计算性是指一个实际问题是否可以使用计算机来解决从广义上讲如“为我做一份蛋炒饭”这样的问题是无法用计算机来解决的（至少在目前）。而计算机本身的优势在于数值计算，因此可计算性通常指这一类问题是否可以用计算机解决。所以，在培养学生计算思维的教学实践中，围绕设计问题是一个关键，但这个问题必须是符合可计算性的特征。从这个层面上来说，在本课例设计中，围绕寻找“水仙花数”这样的问题展开，具备可计算性这一特征。（二）计算思维的培养应该系列化计算思维的培养是一个系统工程，不能仅靠一个或几个精心设计的课例来完成。在高中信息科技教学中，应该围绕课程标准，打破原来知识框架，选取核心内容（概念），贯通知识要点，将计算思维的培养贯穿于信息科技教学的始终，只有这样，才能起到一定的效果。如高中信息科技学科中信息基础章节中的“编码”、网络基础章节中的“IP地址”以及计算机系统章节中“存储程序”等内容，都可以通过精心设计实际问题，融入计算思维能力的培养。这样将知识点打通的教学整体考虑，可能更有利于计算思维的培养。基于计算思维能力培养的教学实践，虽然本课例设计进行了相关的思考和讨论，但由于这样的研究刚刚起步，对于计算思维本身的认识还需要我不断学习，在具体教学设计和实践中不断体验，所以这条路还有很长要走专心-专注-专业