编程教学中计算思维有效落地的思考与探索

刘锋

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称《标准》）将计算思维作为信息技术学科的四大核心素养之一，这是本轮信息技术学科课程改革的最大亮点。编程教学作为信息技术教学的一部分，是实施编程教育的重要载体，它贯穿全学段，承担着落实四大学科核心素养的重要任务。不少专家给出了对“计算思维”的认识和解读，却鲜有培养学生计算思维的方法和具体的教学范例供一线教师参考。同时，笔者通过听课、座谈、研讨发现，一些教师对计算思维如何在编程教学中落地存在着困惑。究其原因，主要表現在对计算思维的理解有误区、对计算思维的落地不得法等方面。

● 厘清《标准》中计算思维的内涵

计算思维在编程教学中有效落地的前提是要厘清计算思维的含义，而对计算思维概念的理解在学术界一直存在着不同观点。《标准》指出：“计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。具备计算思维的学生，在信息活动中能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据;通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案;总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决中。”对《标准》中所描述的计算思维，在理解时可能出现的一些误区，现梳理阐述如下。

①“计算机科学领域”是定语，是说个体要“运用计算机领域解决问题的思想方法”，不是说“运用于计算机科学领域”，也不是说运用计算机科学领域的“知识”。计算机科学领域的思想方法有很多，如抽象、建模、流程、验证、迭代、递归、回溯、穷举、搜索、贪心、分治、优化、自动化、形式化、系统化、动态规划等。例如，去火车站寻求最优路径应用到了贪心算法的思想;分类管理照片，能较快查找所需照片，体现了“树”结构的思想;忘记密码中某一位数字，逐一试用所有组合的过程应用了穷举思想;等等。在这些活动中均体现了人的计算思维能力。

②“能够采用计算机可以处理的方式……”，没有说一定要用计算机处理。计算机处理问题的方式有对问题进行抽象、分解、建模以及形成解决方案等。例如，生活中两个多位数相乘，用到了“九九乘法口诀表”，其中的每一个口诀就是一个模块，体现了任务分解、模块化的思想;又如，在比较不同地块面积的大小时，先去测量、计算每个地块的大小，经历抽象、分解、建模，最后通过笔算也能解决问题。

③在“总结利用计算机解决问题的过程与方法”中，“计算机解决问题”是定语，总结利用的是计算机解决问题的过程与方法，并不是说一定是利用计算机解决问题才体现计算思维。例如，利用计算机解决问题的过程与方法有模拟、仿真、验证和优化等，总结这些过程与方法，应用于其他问题的解决，如应用二分法，模拟猜价格游戏、查字典等;又如，编写程序绘制函数曲线，模拟、验证函数图像等。

因此，计算思维是人的思维，是人用“计算机科学领域的思想方法”处理问题时的一种思维，但体现和提升人的计算思维也不一定要用计算机。换句话说，编程是培养计算思维的一种有效途径，但不是唯一途径;计算思维是人们解决实际问题的能力，但不仅仅指编程能力。

● 计算思维落地存在的问题与表现

1.简单问题复杂化

教学中忽视中小学生的认知水平和知识深度，存在简单地将部分大学知识内容下放、项目设置成人化、用晦涩难懂的术语解释复杂问题、用复杂信息量的例子讲知识等现象。例如，按照定义讲解数据的结构、变量的概念、递归算法，用时间复杂度、空间复杂度阐述算法的优化等。

2.重编码轻思想化

算法和程序如同硬币的两面，程序是算法的载体，编程用来验证算法。编程教学与算法思维的关系，就是把计算思维理解为处理问题时的一种思维方式，把编程语言理解为处理问题过程的形式语言，而编程则是推理活动（计算也是一种推理）。信息技术教学“回归编程”反映和强调的是一种应用计算思维求解问题的全局思想，不能简单地理解为“回归教编程”。然而，教学中存在强调程序的编写、忽视探究算法思想和应用的现象。例如，在学习用穷举法解决问题时，不探究其背后的思想;程序编写完成后，不启发学生优化进一步算法，不引导学生探究相关的密码安全问题等。

3.教学过程呆板化

教学方法传统、教学流程固化、先学后用等是编程教学中存在的突出问题。例如，在低年级学生用图形化编程学习时，仍用流程图描述算法，而不强调解决问题过程的全局观、设计观、步骤观和价值观等;在高年级学生用Python语言编程时，按照编程解决问题的一般过程开展教学，而不启发学生思考、探究和优化等。又如，在学习While语句应用时，先学语法知识，再让学生用知识解决问题。

4.拓展迁移弱浅化

在新知讲授完后，在举一反三环节，案例缺乏适度的拓展空间和梯度，简单的重复案例不利于计算思维能力的提升。例如，在学习用for循环编程计算“1+2+……+100”后，让学生练习计算“1+2+……+200”的值，而不去与高斯算法比效率，探究背后只是计算机运算速度快的原因等。又如，分治就是把大的问题分解成小问题，将复杂的问题简单化，在学习完分治的策略后，不去探究它可以应用的场景，以及应用该思想产生的价值等。

● 计算思维有效落地的对策与方法

1.创设条件激发学生兴趣，营造计算思维发展的环境

依据最近发展区理论，调动学生的积极性，发挥其潜能，通过创设情境和提示新旧知识之间联系的线索，可以帮助学生建构知识，从而轻松超越其最近发展区而达到下一阶段的水平。因此，教师在呈现教学内容时应创设故事情境，让学生在编程学习的过程中体会到乐趣、成就感，激发学习编程的兴趣，从而形成学习动机，突破重难点。例如，可以用与教学主题相关的经典趣味数学问题、游戏，或学生熟悉的应用情境，如在讲解穷举法时可选用韩信点兵、百钱买百鸡、水仙花数、推理判断谁说谎等。

2.借用简单问题说明抽象道理，激活学生的计算思维

建构主义理论认为，教师应把学生原有的知识经验作为新知识的生长点，引导学生从原有的知识经验中将已有的知识进行处理和转换，从而生长新的知识经验。因此，可以类比学生熟知的知识、经验，借助生活中的算法學习新知。例如，在学习选择结构时，类比“红灯停、绿灯行”等;在学习while循环时，让学生体会“吸一口气重复说同一句绕口令，直到腹腔中的气息用尽为止”。

建构主义理论认为，图式是人类认识事物的基础，图式的形成和变化是认知发展的实质。例如，通过地图比较，寻找A地到B地的最短路径，利用灯泡的亮、灭，绘出不同的物理电路图，掌握“与、或、非”等。

3.通过设计问题串、任务链等，训练学生的计算思维

采用启发式教学，朝着最终问题解决的方向，从学生易于理解的角度提出一连串问题，环环相扣推进教学。问题串的作用还包括：提出问题，发挥学生的主体地位，引导他们积极思考，做好问题的界定、抽象和建模;在讨论中把问题一步步引向深入，寻求合理的算法解决问题，并加深学生对内容的理解;启发学生发现规律、纠正和补充自己的认知等，促进学生自主构建知识，发展计算思维。

例如，设置以下问题展开学习，当所有问题解决时，排序就水到渠成了：①如何判断两个数的大小？②如何选出三个数中最大数？③如何选出n个数中最大的数？④如何找出余下n-1个数中最大的数？⑤如何把余下n-2个数按从大到小逐个输出来？⑥探究阶段，还可以结合程序引导学生思考，每个内循环都要比较n-1次吗？

建构主义理论的核心是以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。因此，可以设置任务链，布置有一定梯度的任务，并通过微课、学案等给予学生必要的技术支撑，引领学生自主构建知识。例如，在学习绘制复杂图形时，设置如下任务：①绘制一条线段;②让小海龟转一定角度，再绘制一条线段;③让小海龟重复执行前两步一定的次数。

4.经历优化、拓展应用等探究活动，进一步提升学生的计算思维

通过举一反三、拓展应用，做好同类问题的解决，可以充分发挥计算思维的育人价值。因此，教师要善于启发学生的“疑”与“思”，通过进一步优化程序，培养学生的探究能力，提升其计算思维水平。例如，在应用穷举法解决百钱买百鸡时，各穷举对象的穷举范围为什么不用0～100？穷举对象用公鸡和小鸡，或者母鸡和小鸡组合，好不好？从而让学生理解，优化程序是为了减少循环的次数，提高程序的计算效率。又如，在学习迭代法、递归法解决斐波那契数列问题后，启发学生思考、质疑其算法优劣，通过实验、推理验证其想法。

● 结语

编程教学不只是教编程，更重要的是培养学生应用计算思维解决问题的思想，指导学生在解决实际问题中运用，在跨学科创新中迁移计算思维，体现计算思维的育人价值。在教学过程中，教师应根据需要设计出美妙的情境场、问题串、任务链、情感线……选择基于问题、基于项目、基于支架等的不同的教学模式，利用生活中的经验讲算法，用算法讲程序，引导学生自主构建知识，促进其思维的发展，从而让计算思维在编程教学中落地、生根、发芽。

本文系安徽省教育信息技术“十三五”规划2019年度课题“中学生计算思维培养与编程教学实践研究”（课题编号：AH2019211）的研究成果。