余海燕

2018年初，教育部正式公布了《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）。新版課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出了信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一就是計(jì)算思維，它是指“個體在運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動”。具備計(jì)算思維的學(xué)生在信息活動中能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)；通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問題方案；總結(jié)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)的其他問題解決之中，它是一種問題解決的方式。高中信息技術(shù)課堂教學(xué)不再單是信息技術(shù)知識與技能的訓(xùn)練與傳授，而更注重學(xué)生的邏輯思維能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。那么，到底如何將計(jì)算思維落地呢？如何使用計(jì)算思維解決問題呢？在具體教學(xué)中如何組織和呈現(xiàn)相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生理解計(jì)算思維的基本方法，而不是簡單的概念和知識的堆積呢？筆者以初一“機(jī)器人走迷宮”教學(xué)內(nèi)容為例講述使用計(jì)算思維來解決問題的一般過程。

分解

計(jì)算思維首先是需要將問題分解為一系列較小可管理的問題的過程，分解有助于學(xué)生找到復(fù)雜問題的解決方法。

機(jī)器人要走出迷宮，過程很復(fù)雜，它要面對各種不同的情況，按照任務(wù)的需要，筆者讓學(xué)生把機(jī)器人在迷宮中可能面對的情況進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在迷宮中行走可能會碰到三種狀況（如表1）。只要解決機(jī)器人在這三種狀況下該采取的行動，就可以讓機(jī)器人順利走出迷宮（如圖1），任務(wù)分解后，難度大大降低，學(xué)生躍躍欲試，探究熱情高漲。

模式識別

所謂“模式識別”，即找出分解后問題各部分之間的異同。首先，學(xué)生通過比較人蒙上眼睛走迷宮，來找出機(jī)器人走迷宮與人走迷宮兩者之間的異同。筆者請一位學(xué)生蒙上眼睛，讓他用一只手尋找教室的出口，發(fā)現(xiàn)他根本找不到方向，再請另一位學(xué)生用兩只手配合尋找教室的出口，會發(fā)現(xiàn)他能在各種狀況下（如拐角）很好地做出相應(yīng)的判斷，順利地找到出口。其他學(xué)生在這個過程中認(rèn)真觀察、積極思考第二位學(xué)生是如何應(yīng)對每一種情況的，并記錄下來。學(xué)生很容易就會發(fā)現(xiàn)，人在黑暗中需要通過雙手來摸索路線，而且在偌大的空教室里只有摸到墻才能找到出口。同樣，機(jī)器人在偌大的迷宮里要想不迷路，也需要靠墻走。

其次，人要通過雙手配合來尋找迷宮出口，那機(jī)器人需要什么來充當(dāng)手呢？學(xué)生很容易聯(lián)想到已學(xué)過的紅外避障傳感器，只要機(jī)器人裝上紅外避障傳感器，它就能像人一樣感知周圍的環(huán)境。人需要雙手配合才能走出迷宮，相應(yīng)地，機(jī)器人至少也需要兩個紅外避障傳感器來尋找迷宮出口。

人在黑暗中走迷宮與機(jī)器人走迷宮的異同如表2所示。

任何事物都有相似性，模式識別教會了學(xué)生尋找到事物之間的共同特點(diǎn)，并利用這些規(guī)律去解決問題。

模式歸納

所謂“模式歸納”，即探尋形成這些模式背后的一般規(guī)律，尋找一類問題的一般方法，開發(fā)可用于解決許多類似問題的解決方案。模式歸納也稱為抽象化。這是計(jì)算思維的基礎(chǔ)。

這時(shí)，教師會分發(fā)迷宮圖與小機(jī)器人給各小組，各小組試著尋找方法引領(lǐng)機(jī)器人走出迷宮，學(xué)生通過小組間的討論、分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人走迷宮的策略跟人很相似，走出迷宮的方法可以有兩種，即靠左墻走或靠右墻走，也就是走迷宮的左手定則與右手定則。在探究過程中，分解出來的三種機(jī)器人走迷宮狀況該分別采取什么行動，學(xué)生也有了初步的答案。層層遞進(jìn)的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會思考，學(xué)會分析問題，在不知不覺中培養(yǎng)了他們的計(jì)算思維能力。

抽象化是將重要的信息提煉出來、去除次要信息的能力，學(xué)生掌握了抽象化的能力，就可以將一個解決方案應(yīng)用于其他事物中，觸類旁通，制訂出解決方案的總體思路。

算法設(shè)計(jì)

當(dāng)我們遇到復(fù)雜的問題時(shí)，可以將問題分解成較小的部分，然后按照合適的順序組合起來解決問題。程序的靈魂是算法，流程圖是一種很好的算法表示方法，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰、直觀，可以讓學(xué)生對程序的運(yùn)行過程及邏輯關(guān)系有更透徹的了解，筆者帶領(lǐng)學(xué)生根據(jù)前兩步的分解，概括、畫出機(jī)器人走迷宮的流程圖（如圖2）。同時(shí)，使用流程圖可以輔助學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，將復(fù)雜的問題直觀化，幫助學(xué)生加深對程序設(shè)計(jì)的理解，提高課堂學(xué)習(xí)效率。

有了流程圖，編程就變得容易多了，接下來，學(xué)生需要反復(fù)測試來修改程序（如上頁圖3）。在程序設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生通過編程、仿真，不斷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，然后修改程序，再仿真，如此往復(fù)，最終解決問題完成任務(wù)。學(xué)生主動探索，快樂學(xué)習(xí)，這也會使他們在不斷嘗試中獲得成功的體驗(yàn)。本節(jié)課學(xué)生跟隨教師進(jìn)行玩游戲、做任務(wù)、小組探究等環(huán)節(jié)，95%的學(xué)生都完成了教學(xué)目標(biāo)，讓機(jī)器人順利走出了迷宮。另外，在課堂中開展小組間比賽，如看看哪組機(jī)器人走出迷宮的時(shí)間最快，尋找機(jī)器人走出迷宮的最優(yōu)策略等。有不少學(xué)生發(fā)現(xiàn)，如果機(jī)器人沿著墻的右邊走，也就是用右手定則可以更快地走出迷宮。這也表明本課的設(shè)計(jì)對培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維是有效的。學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)在這一系列的活動中得到發(fā)展與提升。

課后反思

本課，學(xué)生通過模擬機(jī)器人在迷宮中行走的體驗(yàn)活動由淺入深，分解任務(wù)，層層遞進(jìn)，通過實(shí)物研究歸納出機(jī)器人走迷宮的三個典型位置，并探索出在這三個位置中機(jī)器人應(yīng)該如何行走，再將歸納出的機(jī)器人走迷宮的一般方法轉(zhuǎn)化成流程圖，并根據(jù)流程圖用圖形化軟件編寫出機(jī)器人走迷宮的程序。學(xué)生通過觀察、比較、探究，一步步地找到機(jī)器人走迷宮的策略。最后，學(xué)生可以靈活地運(yùn)用左（右）手定則走出各種各樣的迷宮。在這個過程中，學(xué)生學(xué)會了如何去尋找解決問題的方法，以后對相似的問題他們也都會自己去尋找解決的方法與最優(yōu)策略。同理，在現(xiàn)實(shí)生活中，學(xué)生在火災(zāi)等某些緊急的情況下，可以運(yùn)用相應(yīng)的策略找到安全出口。

這是在信息技術(shù)課上培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的一般過程，教師通過問題的引入，引導(dǎo)學(xué)生分解、概括、抽象、設(shè)計(jì)，尋求解決問題的思路，構(gòu)造問題的解決方法，拓展學(xué)生計(jì)算思維的意識與能力，以此提高他們運(yùn)用信息技術(shù)知識實(shí)現(xiàn)問題的抽象、進(jìn)行問題求解的能力。計(jì)算思維是攻克難題的一種方式，它能增加學(xué)生面對模糊、復(fù)雜或開放性問題時(shí)的自信心。教師在信息技術(shù)課堂中要時(shí)刻注意培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，這將會為他們的終身發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。