張劍鋒

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》公布后，根據(jù)其修改的新教材也陸續(xù)出版。拿到浙江教育出版社出版的高中信息技術(shù)必修教材《數(shù)據(jù)與計(jì)算》后，筆者仔細(xì)學(xué)習(xí)了“算法的程序?qū)崿F(xiàn)”內(nèi)容，對(duì)Python內(nèi)容教學(xué)有了更深刻的理解，但也產(chǎn)生了一些想法。

● 技術(shù)優(yōu)先還是認(rèn)知為要

教材在Python語言程序設(shè)計(jì)的“實(shí)踐與體驗(yàn)”環(huán)節(jié)，介紹了“編程實(shí)現(xiàn)圖像的簡(jiǎn)單處理”，目的是通過調(diào)整圖像的顏色來初步體驗(yàn)Python語言在圖像處理上的功能，實(shí)踐步驟為：①導(dǎo)入Image、numpy、matplotlib三個(gè)模塊;②打開圖像并轉(zhuǎn)換成數(shù)字矩陣;③調(diào)整每個(gè)像素的RGB值;④生成灰度新圖像并顯示。這段內(nèi)容為后面的實(shí)踐起到了鋪墊作用，構(gòu)思好，但在具體語句的實(shí)現(xiàn)上，筆者覺得還有待商榷。

在數(shù)字圖像處理中，不同的圖像格式有其特定的處理算法，在做圖像處理之前，需要考慮清楚要基于哪種格式的圖像進(jìn)行算法設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)。PIL（Python Image Library）是Python的第三方圖像處理庫(kù)，有九種不同模式，教材中用到了convert（）函數(shù)的轉(zhuǎn)換，使用了L模式，把原始彩色圖片轉(zhuǎn)換為灰色圖像（模式“L”為灰色圖像，它的每個(gè)像素用8個(gè)bit表示，0表示黑，255表示白，其他數(shù)字表示不同的灰度。在PIL中，從模式“RGB”轉(zhuǎn)換為“L”模式是按照下面的公式轉(zhuǎn)換的：L=R*299/1000+G*587/1000+B*114/1000）。

打開圖像，得到各像素點(diǎn)顏色的RGB值后，直接對(duì)像素點(diǎn)顏色值進(jìn)行操作，這符合高中學(xué)生初學(xué)Python的認(rèn)知方式，讀入圖片直接操作能加深學(xué)生對(duì)數(shù)字圖像處理的理解。而原例中轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組，再對(duì)二維數(shù)組的元素進(jìn)行操作來改變像素顏色值，增加了學(xué)生的認(rèn)知障礙。另外，程序此處引入numpy模塊毫無優(yōu)勢(shì)可言，雖然使用numpy模塊是圖像后續(xù)處理的首選思路，使用數(shù)組來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也能使學(xué)生養(yǎng)成良好的技術(shù)習(xí)慣與意識(shí)，但放在這里，思維脈絡(luò)上略顯突兀，故numpy不妨移后介紹。

從突出重點(diǎn)、降低學(xué)生認(rèn)知困難上來考慮，這里轉(zhuǎn)換為灰度后，可使用getpixel函數(shù)直接對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行操作（getpixel函數(shù)是用來獲取圖像中某一像素的顏色值），把實(shí)驗(yàn)步驟②、③不妨改為“轉(zhuǎn)換各像素的顏色為黑白二色”，直接使用代碼完成黑白二值轉(zhuǎn)換，新代碼如圖1所示。

推而廣之，在Python語言的教學(xué)中，是考慮技術(shù)意識(shí)優(yōu)先，還是以學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣為要，這是要好好斟酌的。思維的培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期熏陶的過程，對(duì)numpy的介紹，可隨著學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，漸進(jìn)式地介紹，從而進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)不同技術(shù)選擇的理解與感悟。

另外，在教材導(dǎo)入模塊前，可補(bǔ)充介紹第三方模塊的安裝，因?yàn)樨S富的第三方模塊庫(kù)的安裝，是學(xué)生以后學(xué)習(xí)Python必需的基礎(chǔ)。

● 重構(gòu)示例深化計(jì)算思維

教材在“3.3簡(jiǎn)單算法及其程序?qū)崿F(xiàn)”中，主要介紹解析算法及其程序?qū)崿F(xiàn)、枚舉算法及其程序?qū)崿F(xiàn)和算法實(shí)現(xiàn)的綜合運(yùn)用。教材中以答題卡準(zhǔn)考證號(hào)的識(shí)別作為示例，非常貼近學(xué)生的學(xué)習(xí)生活，是一個(gè)精心構(gòu)思。一般答題卡的識(shí)別大都是光學(xué)識(shí)別，本例使用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行分析處理，也是計(jì)算機(jī)化的一個(gè)重要途徑，但教材中示例的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，稍顯割裂，詳細(xì)研讀本段內(nèi)容后，略感意猶未盡。

計(jì)算思維是高中信息技術(shù)學(xué)科的四大核心素養(yǎng)之一，教材通過答題卡識(shí)別示例的具體實(shí)現(xiàn)，力圖抓住計(jì)算思維本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生從Python語言的實(shí)現(xiàn)角度來界定問題、轉(zhuǎn)化問題，對(duì)問題抽象建模，合理組織數(shù)據(jù)，形成解決方案。為加強(qiáng)計(jì)算思維的滲透，筆者設(shè)想以項(xiàng)目完整實(shí)現(xiàn)為抓手，對(duì)教材中的相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行再設(shè)計(jì)。

1.分析

對(duì)答題卡的識(shí)別，不妨把整張卡的識(shí)別問題進(jìn)行分解、細(xì)化，先縮小為一道題的識(shí)別，而一道題的識(shí)別，就變成對(duì)A、B、C、D四個(gè)選擇區(qū)域的判別，如果按照答題卡的彩色進(jìn)行判別，有一定難度;我們就把各像素點(diǎn)的顏色從彩色轉(zhuǎn)換為灰度，再依據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為黑白兩色，將圖像二值化后便于識(shí)別。這也是計(jì)算思維中的分解、降維思想，要在教材中加以凸顯，便于引導(dǎo)教師在教學(xué)中進(jìn)行深化。

一道題A、B、C、D四個(gè)選項(xiàng)的判定，取決于識(shí)別出A、B、C、D的選項(xiàng)區(qū)域哪個(gè)被填涂，填涂區(qū)域的像素點(diǎn)為黑色，像素值為0;未填涂區(qū)域，像素點(diǎn)為白色，像素值為1?？煞謩e累加這四個(gè)區(qū)域像素點(diǎn)的值，等于0的區(qū)域，就是被填涂的，即該區(qū)域的選項(xiàng)被選中，一道題的判定即告完成。重復(fù)此過程，整張答題卡的答案均可判讀。

2.抽象與建模

預(yù)備：通過以下兩行代碼，顯示處理后的圖片。

plt.imshow（img_I，cmap="gray"）

plt.show（） # 顯示圖片，便于放大分析

通過zoom圖標(biāo)放大圖像，可查看各點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而分析出相關(guān)參數(shù)：題號(hào)1，A選項(xiàng)填涂區(qū)域左上角的頂點(diǎn)坐標(biāo)（14，240），A選項(xiàng)填涂區(qū)域右下角的頂點(diǎn)坐標(biāo)（16，245）;B選項(xiàng)，左上角的頂點(diǎn)坐標(biāo)（14，261），B選項(xiàng)右下角的頂點(diǎn)坐標(biāo)（16，266）;詳細(xì)分析C、D選項(xiàng)的選項(xiàng)區(qū)域后，可以得到填涂區(qū)域長(zhǎng)度為12，寬度為5，各選項(xiàng)之間的間隔為6，各題的間隔也為6。這樣，可以進(jìn)一步分析實(shí)際填涂區(qū)域大概是11*5=55個(gè)像素點(diǎn)，分別累加這四個(gè)區(qū)域各像素點(diǎn)的值，理論上，未填涂的三個(gè)區(qū)域的值應(yīng)等于55，只有一個(gè)區(qū)域的值等于0，這就是被填涂區(qū)域，即此區(qū)域選擇被選中。（考慮到實(shí)際的誤差因素，一般三個(gè)區(qū)域值大于53，剩下區(qū)域的值小于3即可）

3.編寫程序

題號(hào)1的判別程序代碼如圖2所示。

字典是Python基本的內(nèi)置數(shù)據(jù)類型，針對(duì)字典數(shù)據(jù)類型的特點(diǎn)，我們可把四個(gè)選項(xiàng)的代碼循環(huán)來處理，優(yōu)化如圖3所示。

items（）方法可把字典中每對(duì)key和value組成一個(gè)元組，并把這些元組放在列表中返回。通過這個(gè)方法，可以加深學(xué)生對(duì)字典這一數(shù)據(jù)類型的理解。而對(duì)于準(zhǔn)考證號(hào)的識(shí)別，則可以將其作為課后作業(yè)。

4.函數(shù)的使用

題號(hào)1的選項(xiàng)識(shí)別，是整個(gè)程序的核心算法，其他各題的識(shí)別，基本上是重復(fù)這段代碼，我們可以將此部分優(yōu)化成函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計(jì)。函數(shù)運(yùn)用及函數(shù)思想的滲透，是計(jì)算思維的重要體現(xiàn)，而培養(yǎng)學(xué)生的函數(shù)思想，是深入體現(xiàn)計(jì)算思維的又一重要抓手。

5.拓展思考

（1）加入容錯(cuò)分析。細(xì)心的學(xué)生如果仔細(xì)思考，應(yīng)該能考慮到選項(xiàng)意外填涂時(shí)的容錯(cuò)。首先，沒有填涂時(shí)，4個(gè)區(qū)域像素值的和均為60，可以據(jù)此判斷，未填涂;若誤涂了多個(gè)區(qū)域，那么，應(yīng)該是有少于3個(gè)區(qū)域的像素值接近60，也可以據(jù)此識(shí)別結(jié)果無效。部分代碼如圖4所示。

（2）對(duì)全班學(xué)生答題卡的打開。全班學(xué)生的答題卡文件，保存在同一個(gè)文件夾下，可遍歷當(dāng)前文件夾下的所有圖片文件，使用的是os.walk方法，該方法對(duì)于指定目錄返回一個(gè)三元組（dirpath， dirnames， filenames），第一個(gè)是路徑，第二個(gè)是路徑下面的目錄，第三個(gè)就是目錄里面的非目錄文件。代碼如圖5所示。

在進(jìn)行了適當(dāng)拓展后，基本完成“對(duì)答題卡識(shí)別”這一項(xiàng)目的編程實(shí)現(xiàn)。至此，筆者以完整項(xiàng)目為抓手，對(duì)浙教版必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》 3.3節(jié)中的內(nèi)容進(jìn)行了再設(shè)計(jì)。

當(dāng)然，從意識(shí)、思維、方法再到能力的過程不是一蹴而就的，需要有針對(duì)性地在課堂教學(xué)中加以培養(yǎng)。這里，教材也只是教師開展教學(xué)任務(wù)的參考，僅僅是一項(xiàng)優(yōu)質(zhì)資源，實(shí)際教學(xué)還要考慮各種實(shí)際情況來具體對(duì)待。

面對(duì)新課標(biāo)、新教材所帶來的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)，教師要多從計(jì)算思維角度考慮，使教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)更具邏輯性，讓計(jì)算思維凸顯于項(xiàng)目化設(shè)計(jì)中，使計(jì)算思維能真正落地生根，更好地實(shí)現(xiàn)全面提升高中學(xué)生信息素養(yǎng)的重要目標(biāo)。