基于计算思维培养的Python语言“算法分析”研究

杨兆华

一、计算思维简介

关于计算思维，学术界有多种解释。就像美国国际教育技术学会总结的，计算思维就是利用电脑来解决问题，通过算法的设计来形成处理问题的最佳解决方法；美国卡耐基·梅隆大学周以真教授指出，“计算思维”是一种思考活动，它利用计算机的基本概念来解决问题；也有人把计算思维看作是一种“递归方式”的思考，是一种平行的思考模式。

本文的观点是，计算思维是一种把人的问题，经过程序化的处理，转换成计算机可以解决的方式，它的目标是通过计算机来解决实际问题或者加快问题的解决。对于计算思想的理解，具体来说，首先通过对问题的识别、抽象，将问题进行可以计算化的处理，然后对问题进行建模，并设计一系列的解决方法和步骤，最后，实现对计算机进行自动处理。从教育的基本理念出发，计算思维的培养目标是培养学生运用计算机技术和方法，来解决实际问题的能力和习惯。

二、Python语言“算法分析”问题解决教学——培养高中生计算思维的教学模型

要构建Python语言“算法分析”问题解决教学——培养学生计算思维的教学模型，首先要明确计算思维、 Python和趣味问题的联系。在对“计算思维”要素、“Python”要素、“趣味问题”要素深入了解的基础上，建立“三个要素”的关系模型。

单纯地培养学生的计算思维能力是很困难的，必须将其分解成不同的层次，再将它们融合在一起，这样才能更好地实现最终的应用评价。模型上，从内部到外部的关系模式是三个层次，分别是计算思维、 Python、趣味问题。如此设置的原因有以下几点：首先，培养计算思维是目的，是最重要的属性，归类于第一个层次；其次，是思考如何培养计算思维，本文在选择Python语言的学习作为问题解决实施方式，归类于第二个层次；Python语言程序可以培养学生的计算思考能力，但一般情况下，程序是非常枯燥的，所以在这里，教学中选择一些趣味问题，以满足学生的好奇心，提升学习兴趣，同时将趣味问题作为教学内容、思想方法上的载体。因此趣味问题属于方法的具体实现状态，归类于第三个层次。

三、基于计算思维培养的Python语言“算法分析”教学流程构建

1.创建问题情境

在问题解决教学模式中，首先需要进行问题的情境设计。例如，某学生在网上看到了一次有奖问答，他被一道题目给吸引住了：“上到2楼有10个阶梯，从下到上，每次跨越阶梯数量最多1到2个台阶，总共有几种方式上楼？”

2.引导分析问题——问题抽象化

在问题解决教学模式中，第二步需要進行启发思考，通过对问题的分析，可以引导学生从多个角度进行思考，从而激发他们的创造性思维。

例如：排列组合问题算法。在对这个问题进行分析时，学生最容易联想到数学中的排列组合问题，这个问题的求解过程（算法）核心在于对问题进行全面、综合的分析。

从这个问题的数学描述来看，在课堂教学过程中，学生很容易就会想起排列组合的算法，但实际生活中，学生常常通过排列组合的方案进行综合分析并解决问题。

3.解决问题——问题算法化

在基于问题解决的教学模式中，第三方面就是对问题进行分析并解决。经过上楼问题的实践探索，将问题转化成学生了解的斐波那契数列的解析式，并解释这个数列与自然现象的关联，如松果、凤梨、葵花的花瓣、蜻蜓的翅膀等等。在此基础上，激发学生的学习兴趣，增进对递归算法思想的理解。学生也会自然而然地想到递推演算法，但此时，他们往往会忽略了运算的空间和时间复杂性，进而指导学生按照哈希表的存储模式来思考这个问题。利用哈希表的方法，学生发现了在实际的存储中仍然有一些浪费，因此，指导他们去解决这个问题的时候，延伸出动态规划算法。在解决实际问题的过程中，学生分析问题和解决问题的能力也得到了提升。

4.归纳总结

在基于问题解决教学模式中，最终需要对问题进行总结并归纳。通过这一系列相似问题的系统分析、解决问题，并让学生归纳出学习算法的重要性。

四、实施效果

教学评估是一种以教学目的为依据来衡量教学质量的手段。在计算机思维的三维结构中，麻省理工学院的研究者根据计算机思考的三维结构，建立了一种以工作文件袋分析、访谈、方案情境设计为基础的评估模型，并运用问卷法综合评估了学生的计算思维发展水平。在实际问题应用解决后，将运用分析、问卷调查等方法，运用“计算思维”的立体结构来评估实际问题解决的算法的实施效果。

本次基于Python语言学习的算法教学研究，在对实际问题解决过程中，对学生进行了一次问卷调查，发现92%的学生对该问题的解题方法和步骤了如指掌；86%的学生对该概念和含义了如指掌；88%的学生认为教学实践对培养计算思维有很大的帮助；85%的学生说非常感兴趣，课后会继续学习；73%的学生认为，教学实践可以显著提高他们的解题能力。

五、结语

针对传统教学中培养学生计算思维能力的不足，提出了一种基于 Python语言学习与问题解决的教学模式，并通过实践分析并解决问题，培养学生的计算思维的能力。

（作者单位：江苏省吴江区平望中学）

责任编辑：李广军