高中生计算思维培养中的教师因素——以《数据编码》为例

王旭 江苏省黄埭中学

从本质上讲，计算思维是一种更有效的解决问题的方法。在新课程背景下，信息技术课程更多的是让学生去探索技术背后的方法与思想，去探索人类如何让计算机工作、人机如何共存等问题，在学习与探索中提升学生计算思维能力。学生计算思维的培养是理论与实战结合的过程，而由于学习基础不同，学生对理论知识的领会及解决实际问题的能力必然有很大的差距，这无形中提高了教师的教学难度。因此，笔者结合教科版第三章第一节《数据编码》的教学，以教师为主体，对信息技术课堂计算思维的培养进行了探究。

● 课堂教学设计中的教师主体作用

1.信息道德修养

让教师成为“有思想的实践者”，是新课程改革的灵魂。教师应注重提升自身的信息道德修养，树立正确的审美观和价值取向，以无私、客观的态度对待课堂中出现的问题。教师应辨别有用信息与无用信息，引领学生发展积极向上的思维，培养学生树立正确合理使用信息的能力。

2.充足的知识积累

计算思维涉及的知识是多学科的，其中包括哲学、物理、生物、医学、建筑、教育等不同领域。教师拥有丰富的知识基础，可以保证一系列思维活动的顺利开展。

例如，在《数据编码》第一课时的教学设计中，笔者仔细分析了生活中文本图片的基本信息采集的多种方式，其中包括简单的方式和比较实用的方式。简单的方式是类似输入法手动输入、语音输入等比较普及的信息录入方式。比较实用的方式是类似一些OCR工具软件的使用，使得信息录入的准确度、效率进一步提高。另外，从计算思维和数字化学习与创新等核心素养的培养出发，还有更加专业的方式，如通过Python编程实现海量图片的处理。

3.信息加工能力

思维的创新来自实践。教师在具体实践中可以尝试多种思维训练，围绕课堂主题创设多问题情境，力争把最优的活动带进课堂，在教学过程中准确引领学生。

在《数据编码》的“进制换算”教学设计中，教师熟练掌握二进制和十进制之间的换算方法，并熟练掌握其他进制之间的换算是非常必要的，这是引导学生完成进制换算项目任务的基本要求。在项目任务拓展阶段，尤其需要教师引领学生采用多种信息化手段来解决问题。针对信息化工具的应用，教师可以指导学生利用计算机自带的程序员型计算器来实现；针对信息化工具的开发，教师可以带领学生探究利用Python代码来实现进制换算。在活动中，学生通过理解进制换算的规则、深入体验信息化手段来实现进制换算的过程。学生顺利实现对任务的拓展探究，离不开教师对各种进制换算机制、各种循环算法及特点的熟练掌握。教师计算思维能力高，就能更精准地创设课堂情境，更好地培养学生的计算思维。在平时的信息技术课堂中，教师还要不断探索适合计算思维培养的最优化的教学情境，在情境中解决问题，避免把学生置于枯燥的概念之中。

在课堂设计过程中，教师应该创设适合本节课内容的课堂情境，让学生在情境中思考数据编码的概念，掌握运用多种方式解决问题的能力。在具体问题中引导学生思考利用信息化手段解决问题与传统方式的不同，通过活动了解利用信息化手段解决问题的特点。

● 情境设计中的教师主导作用

1.游戏式情境是课堂教学的催化剂

游戏式项目教学具有两个特点：其一，活跃课堂气氛；其二，将知识融入游戏之中，实现深度学习。

“进制换算”一直被学生们当成知识难点，也通常被教师作为教学重点。而游戏式项目教学能把学生带入情境，在情境中理解知识，利用现有的数学基础突破思维深度，提高解决问题的准确性。因此，结合教材的内容，笔者在课堂中设计了卡牌游戏；将5张卡牌从右向左依次排开，正面分别写有1、2、4、8、16，用数字1表示当前牌正面朝上，由数字0表示当前牌正面朝下。将班里学生分为6个组，每个组轮流随机出5位0和1组成的串来表示从右向左卡牌正面朝下还是朝上，其他组抢答对应牌面朝上的数字和是多少。

从课堂表现看，学生们起初的反应有些迟钝，但当逐渐掌握了游戏的窍门后，就能很快运算出结果。但是，本项目活动的最终目是引导学生思考其中的原理，深入理解其中的运算机制。所以，教师可以引导学生分析出这5个数的数学规律：它们之所以和二进制之间有直接对应关系，是因为它们之间依次为二倍关系。利用基数和指数表示它们依次为20、21、22、23、24。让学生从原理上清楚十进制是如何与二进制进行对应的。

经过拓展得知，八进制的基数为8，它们对应的卡牌值则为80、81、82、83、84。十六进制的基数为16，同样它们对应的卡牌值为160、161、162、163、164。由此，就实现了从二进制的运算拓展到八进制和十六进制的换算。通过游戏式的项目学习，不仅培养了学生的创新思维，还将多种知识融合拓展，培养了学生的发散性思维。

2.前后承接的活动设计是课堂教学的阶梯

前后承接的游戏式项目教学能更好地培养学生的创新思维，激发学生的潜能，提高学生之间的协作能力。因此，结合前面的项目活动，笔者设计了如下活动：现有255个相同的苹果，事先分装成若干袋，每袋装若干个苹果，当用户来买苹果时，无论他要多少个（在0到255之内），都可以不拆开袋子，直接选取几个袋子给他。那么，应该怎样装袋？如果他要100个苹果，应给他哪几袋？

面对这样的问题，最简单直接的解法就是装255个袋子，每个袋子一个苹果。学生经过讨论与思考，很容易发现255个袋子显然不是最好的答案。前面5张卡牌项目活动的结论“任何十进制数都可以用二进制数来表示”是解决问题的关键。本题苹果数量最大值为255，由于28=256，所以本题就可以转化为8张卡牌的问题。

8张卡牌对应8个口袋，8张卡牌上面的数值对应8个口袋内的苹果数量分别为20、21、22、23、24、25、26、27个苹果，至此问题迎刃而解。面对这样的难题，学生从熟悉的卡牌入手，利用前面已经掌握的知识点将问题分解，并从现象到本质，较深层次地理解了进制的应用，计算思维能力得到快速提升。

● 课堂有效实施中的教师关键作用

计算思维几乎渗透到了各个学科，因此，课堂设计可以融入多学科的知识。例如，在分苹果项目活动中，学习基础较弱的学生可能会出现思维卡壳的情况，这时教师可以利用分治的思想引导学生把项目进行切块，降低维度，逆向思考，如根据前面的活动把5张卡牌能够表达的十进制范围列出来，解决了5张卡牌的表达范围，接下来可以尝试6张卡牌表达的十进制数的范围，依此类推，当8张卡牌表达的十进制数范围算出来时，分苹果问题也就迎刃而解了。因为28=256，第9张卡牌对应的苹果数超出了苹果总数255，所以最多需要8张卡牌，也就是8个袋子就足够了。在分析的过程中笔者发现，苹果数越多，相应运算的复杂度也就越大，因此，可以通过数据大小来控制活动的难度。另外，答案的准确性验证也对学生的数学基础有一定要求。教师作为引导者要做好各方面的知识储备，引导学生利用多学科知识解决问题。

在实际教学中，项目活动最终都要靠团队协作来完成。因此，教师要精心准备素材，引导学生利用多学科知识，通过小组协作学习、共同研究等多种途径，解决各种难度的问题。在这样的氛围下学习既轻松又富有成就感，同时这也是培养学生核心素养的理想途径。