基于计算思维能力培养的高中信息技术课堂教学探究

朱余芹

摘   要：计算思维能力作为新课标明确规定的人才培养目标，值得一线教师结合自身的教学实践，深入挖掘其思想内涵及实现手段。本研究以“对分查找算法”一课为例，详述了教学环境中培养学生计算思维能力的探究过程及实施手段，并提出了今后教学工作的几个努力方向，即，真实问题情境的设计、教学支架的搭建及多种思维形式的综合运用。

关键词：计算思维;问题求解;最近发展区;教学支架

1  计算思维的内涵及其作用

《普通高中信息技术课程标准》（2017年版）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过程中产生的一系列思维活动[ 1 ]。

计算思维能力本质上是人们解决问题过程的一种思维方式。它是人们在信息技术高速发展、数据量急速膨胀的数字化时代，面对筛选和合理利用数据解决现实问题的一种能力体现，是信息社会人类必备的生存技能之一。

计算思维主要可以划分为如下六个子能力：问题形式化、抽象问题特征、建立结构模型、分析和组织数据、问题解决过程自动化、解决方案系统化[ 2 ]。

下面以“对分查找算法”一课为例，展示笔者在高中信息技术课堂上培养学生计算思维能力的一些探索和实践。

2  在高中信息技术课堂中培养计算思维能力的教学设计分析

2.1  教学目标分析

“对分查找算法”是高一信息技術选修一“算法与程序设计”中第四章“算法与程序实现”第三节的内容。新课标对本节课程的基本目标要求是：能够从生活实例出发，概述算法的概念与特征，并用恰当的描述方法和控制结构表示简单的算法;掌握一种程序设计语言的基本知识，使用程序设计语言实现算法。通过问题的解决，体验程序设计的基本流程，感受算法的效率，掌握程序调试与运行的方法[ 1 ]。

其中，掌握简单算法的描述方法，需要学生能够清晰地界定问题、描述问题，将问题从具体复杂的情境中抽取出一般特征，并创造性地提出问题解决的一般方案。能够使用一门程序设计语言解决问题，则要求学生对程序设计语言有一定程度的掌握，能够使用结构化的程序表示算法，并通过调试运行程序实现问题解决的自动化。新课标对本章节的目标要求体现了培养学生计算思维能力在课程中的具体落实。

2.2  基本学情分析

从知识储备的角度看，学生已经掌握了VB程序设计语言的基本语法知识，能够使用流程图等方法描述简单的算法，掌握了顺序、选择、循环三种基本的程序控制结构。从认知发展水平看，高中生具备一定的逻辑思维能力，能够对自己的观点用简要的事实加以论证，能够根据已知的事实推导出常识性的结论，这为本章节的学习奠定了基本的认知基础。

2.3  教学环节分析

基本的教学设计思路如图1所示。

3  高中信息技术课程中培养学生计算思维能力的几个关键点

3.1  真实问题情境的设计

教师在课堂上应该尽量选取贴近学生日常生活的相关案例，借助学生熟悉的内容来创设教学情境。一方面，学生熟悉的场景更容易激发其学习兴趣，更容易使其调用相关的生活经验去分析情境、界定问题、寻求解答;另一方面，这也加强了学生分析复杂的现实问题，将问题抽象化、进行建模，并运用计算机解决问题的能力，而这一能力正是计算思维能力的具体表现。

以“对分查找算法”一课的猜数字游戏为例。首先，游戏化的案例符合中学生的年龄心理特征，容易激发学生的兴趣与关注，提高课堂的参与度;其次，在猜数字的过程中，学生借助相关的生活经验，会很快发现“猜测中间数，可以很快缩小查找范围，锁定目标”，对二分查找算法的基本思想有更加直观、透彻的领悟。这一认知水平的达成，便于学生下一步对问题的具体分析，并抽象出相关特征。

课堂教学中选取的案例需要贴近学生生活，才能更易于激活学生潜在的思维能力，调取相关经验，以便更好地界定问题、分析问题。

3.2  教学支架的搭设

根据维果斯基的最近发展区理论，学生解决问题的实际水平和学生可能达到的发展水平之间存在差异，即，最近发展区。教师在教学中，只有为其搭建教学支架，提供必要的帮助与支持，才能让学生顺利完成教学内容，达成教学目标。

在“对分查找算法”一课中，教师让学生通过表格的填写，叙述猜数字的思考过程，明确猜数字过程中所用到的思考和解决问题的方法，即二分查找法。通过学生的亲身体验感受二分查找法的操作过程，在头脑中形成对二分查找法概念的准确定义，明了其使用的前提条件，为下一步提取二分查找法的基本特征奠定基础。

通过学案提问的方式，学生可以有效把握使用二分查找法的几个关键环节，即中间值的计算、循环查找终止条件的设置以及确定查找数据的具体范围，并对关键环节概括相关特征，用逻辑表达式进行表述，实现对问题解决过程的初步抽象化、概括化，为下一步创建问题解决模型奠定基础。

合理搭建教学支架需要教师具备以下的基础条件：

（1）对学生的基本学情有清晰的把控，明了其知识储备、认知水平以及其通过探索可能达到的高度，能够预判学生在探究过程中可能出现的困难。

（2）有深厚的学科专业功底，对教材有深刻的理解，能够对教材做深入挖掘和灵活处理。

（3）能够灵活运用合作学习、独立探究等多种教学方法，以便学生在探究受挫时能够得到足够的支撑与帮助，从而促进探究活动的顺利开展。

（4）做好教学资源建设，建议尽量使用系统化的、多媒体化的、有难度梯度的多种资源，以便不同认知类型的学生各取所需。

3.3  聚合思维与发散思维等多种思维形式的综合运用

相关理论研究表明[ 3 ]，计算思维是多种思维形式共同作用的结果。“对分查找算法”一课中，借助猜数字游戏，学生能够清晰地用语言描述二分查找算法的计算过程，这个过程中学生运用到了形象思维;而将二分查找算法抽象成计算模型又需要用到抽象思维;采用对分查找解决问题的思维过程可以看作学生不断聚焦、不断去粗取精、提取事物的关键特征、构筑模型解决问题的过程，这是一种聚合思维的形式;而将学到的方法迁移到其他的应用领域，形成更加广泛的应用，又需要学生具有发散思维的能力。

因此，计算思维不是具体的某一种思维形式，而是多种思维形式综合运用形成的高阶思维模式。在教学中培养学生的计算思维能力，需要教师准确把握不同学生的思维特点，因材施教。

4  结束语

计算思维能力是构成中学生信息技术核心素养的关键因素，需要教师在课堂中对学生着力培养。唯有如此，才能够让学生满足当今社会的人才需求，成为信息社会的合格公民。同时，我们还应该看到，计算思维能力的培养是一个逐步内化、长期曲折的过程，不可一蹴而就，需要师生持之以恒的努力与付出。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准 （2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]任友群，李锋，王吉庆. 面向核心素养的信息技术课程设计与开发 [J] .课程教材教法，2016，（7）：56-61.

[3]熊炜，孙少艾. 论思维科学[J].南京航空航天大学学报（社会科学版），2018，20（1）：76-80，85.