指向计算思维培养的初中Python递进式教学

侯贺中

［摘 要］编程对于发展学生的计算思维、提升学生的核心素养具有重要的促进作用。Python简单易学，但在初中教学中存在一些问题。文章分析了初中Python教学中存在的困境，基于培养计算思维的角度，通过确定问题解决的思路与方法、规划学习目标、设计递进式问题等过程，将递进式教学运用于“循环结构——while循环”一课，以期为初中Python教学提供思路。

［关键词］计算思维；递进式教学；初中Python

［中图分类号］ G633.67 ［文献标识码］  A ［文章编号］ 1674-6058（2023）26-0084-04

在科技快速发展、社会日益进步的信息化时代，培养学生的核心素养，让学生具备能适应社会发展的能力就显得尤为重要。2022年，教育部公布了《义务教育信息科技课程标准》，新课标的出台将信息科技的核心素养提升到前所未有的高度，这也意味着未来的信息科技课程将从技能的传授转向能力的培养。对一线教师来說，如何根据新课标的要求做出改变就成为亟待解决的问题。

一、核心素养中的计算思维

核心素养是人应具备的素养中最关键、最必要的共同素养，是一种跨学科素养，是知识、技能和态度等的综合表现，核心素养在注重学生基础知识、基本技能掌握的基础上，还强调学生文化基础、自我管理、勇于探究、协作交流、创新创造等能力的养成，从而使学生能够适应未来社会的发展。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》指出，信息科技课程要培养的核心素养主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。这四个方面是学生适应现代信息社会、提升数字素养和技能、掌握相关能力的基本要求。根据皮亚杰认知发展阶段理论可知，初中学生正处于形式运算阶段，这一阶段的学生能够利用逻辑推理、归纳或演绎的方式解决问题，能够理解符号的意义，具备系统思维能力，因此初中是训练学生计算思维的重要阶段。

计算思维这一概念最早由美国卡耐基梅隆大学的周以真教授提出，它是通过运用计算机科学的基础概念解决问题、设计系统、理解人类行为等一系列思维活动。有学者认为，计算思维是由意识、方法和能力三个层次的内容所组成的复合思维，是一种独特的解决问题的过程， 是一种可以帮助人们更好地理解和分析复杂问题的思想方法， 从而形成具有形式化、模块化、自动化、系统化等特征的问题解决方案。因此，具备计算思维的学生能够将具体问题抽象化，把一个大问题分解成若干个小问题，通过建立模型、设计算法形成问题的解决方案，然后通过动画模拟、程序仿真等方法来验证问题解决方案的可行性，最后反思、优化问题的解决方案，并能够将这种方式应用于其他问题。有人将计算思维的相关特征点归结为问题分析、抽象、算法与程序和自动化四个方面，（如表1），因此可以看出计算思维的核心就是“问题解决”。

二、 初中Python教学困境

Python于2020年进入浙教版初中信息技术教材，作为一种高级编程语言，它具有语法简单、简单易懂等特点，因此比较适合初中学生学习。但是在初中Python教学中存在一些问题，主要体现在以下三点：

（一）不会用流程图表示算法

用流程图表示算法是一种极好的思路方法，尽管学生在七年级下册详细学习过流程图，但是面对一些复杂的算法结构时，大部分学生仍然不知道通过流程图厘清思路。

（二）被算术思维所束缚

学生从小接受的数学教育对他们的思维方式产生了根深蒂固的影响。当面对一道计算题时，他们首先想到的是归纳出公式或方法，而不是结合计算机工作特性，运用计算机科学领域的思想、原理与方法去思考问题，因此在解决问题时可能会毫无头绪。

（三）不理解程序运行的逻辑

与C、C++、Java等高级语言相比，Python虽然语法简单、简单易懂，但不能很方便地设置断点进行debug，这就造成学生很难通过程序的运行理解循环语句等较复杂的语法。再加上有些学校的学生在小学阶段很少接触信息技术课程，没有完整地学习过scratch语言，所以他们感觉编程很难学，逻辑难以理解。

三、指向计算思维培养的初中Python递进式教学

针对上面存在的困境，笔者以新课标中的核心素养为指导，以问题解决为目标，基于计算思维的培养，在初中Python教学中采用了目标导向的递进式教学。下面以“循环结构——while循环”为例展开探讨。

（一）解决问题的思路与方法

目标导向的递进式教学的目标是解决一个具体问题，在本课中是“计算1+3+5+7+…+93+97+99的值”，要想解决这个问题必须首先确定解决问题的思路和方法。“计算1+3+5+7+…+93+97+99的值”是一个典型的循环问题，但与普通的循环不同的是，从1加到93后接下来加的不是95而是97，也就是说这个问题计算的是从1到100的奇数和再减去95。由于本课的主题是“循环结构——while循环”，因此解决这个问题可以仅使用while循环计算从1到100的奇数和再减去95，也可以在while循环中嵌套分支结构，使用continue语句来控制循环计算该问题。

（二）学习目标的规划

本课涉及while循环结构和循环控制语句两个关键知识，基于学生的认知基础与学习特点，本课学习目标的设定由易到难，即通过学习先掌握while循环结构的基本内容，再理解学习循环控制语句，因此学习目标分为普通和进阶两部分，具体见表2。

（三）递进式问题的设计

根据确定的学习目标和目标问题，本课需要设计5个递进式的问题来达成学习目标、解决目标问题。第一个问题是最简单的累加问题，帮助学生理解while循环的格式和执行流程，如“计算1+2+3+4+5的值”；第二个问题将累加的数字增加，使用while循环计算1到99的和；第三个问题要求学生使用while循环解决目标问题；第四个问题是在while循环中嵌套if语句，通过continue语句控制程序的输出，计算1+2+3+5的值；第五个问题是在第四个问题的基础上做出修改，解决目标问题。

（四）递进式教学的实施

尽管学生已经在上一课时学习过for循环，但while循环的基本结构与for循环完全不同，因此需要从while循环的基本结构讲起，教学活动的设计如下。

【教师讲解】结合while循环的流程图讲解while循环的基本结构和执行流程。

【问题1】使用while循环计算1+2+3+4+5的值。

代码：

i = 1

s = 0

while i <= 5：

s = s + i

i = i + 1

print（s）

【教师讲解】讲解问题1的执行流程（如图1）。

通过表格展示问题1每次循环时i和s的值

【分析】设置问题1的目的是帮助学生巩固while循环的基本结构和执行流程。问题1提出后，教师让学生思考1分钟，然后直接给出答案，以问题1为实例讲解该问题的每一步，巩固while循环的执行流程。

【问题2】使用while循环计算1+2+3+4+5+…+97+98+99的值。

代码：

i = 1

s = 0

while i <= 99：

s = s + i

i = i + 1

print（s）

【学生解决问题】学生画出问题2的流程图，根据问题1来思考问题2的算法及程序。

【分析】学生能理解掌握问题1，问题2就变得非常简单，只需要将条件i<=5改为i<=99即可。学生完成问题2后，教师可以对问题2的代码做出两次修改，第一次是将i<=99改为i<99，第二次保持i<=99不变，将i=i+1这句代码删掉。第一次修改的变化显而易见，当第98次循环结束时，i的值是99，此时已不满足i<99，所以第99次循环不会执行，得到的结果为1到98的和，学生也可以在IDLE中输入代码，比较修改前后结果的不同得到结论。第二次修改代码后，无法改变i的值，将代码输入到IDLE中运行，学生能很直观地看到结果得出结论。

【问题3】使用while循环计算1+3+5+…+93+97+99的值。

代码：

i = 1

s = 0

while i <= 99：

s = s + i

i = i + 2

s = s - 95

print（s）

【学生解决问题】学生画出问题3的流程图，思考问题2的算法及程序。

【教师点评】分析前三个问题中的易错点，指出学生学习和操作过程中的错误。

【分析】问题3是本课达成普通学习目标需要解决的目标问题，前两个问题解决的都是连续整数相加问题，这个问题是奇数相加再减去一个数，i=i+1在循环中的作用是每循环一次将i加1，从而得到连续整数，要想得到连续奇数i每次加的数应该是2，循环结束后再减去95就可得到最终结果。在这个问题中，教师可以让学生尝试把s=s-95放入循环体中，在IDLE中观察输出结果是怎样的，并思考原因。

【问题4】使用while循环和continue语句计算1+2+3+5的值。

代码：

i = 0

s = 0

while i < 5：

i = i + 1

if i == 4：

continue

s = s + i

print（s）

【学生自主学习】解决问题4前，教师引导学生自己上网搜索循环控制语句的相关学习资料，学生自学后画出流程图，尝试解决该问题。

【教师点评并讲解】点评学生自主学习的成果，讲解问题4的执行流程，展示问题4每次循环时i和s的值（见表4）。

【分析】设置问题4的目的是学习循环控制语句的含义以及如何在while循环中嵌套if语句。当第四次循环开始时i由3变为4，此时满足if语句的判断条件，执行continue语句，本次循环结束，不执行s=s+i这一句，所以第四次循环并没有进行累加。在这个问题中，将i=i+1这句放在if语句前和放在if语句后有不同的结果，学生可以自主探究并思考其中的原因。

【问题5】使用while循环和continue语句计算1+3+5+…+93+97+99的值。

代码：

i = 1

s = 0

while i < 99：

i = i + 2

if i == 95：

continue

s = s + i

s = s + 1

print（s）

【學生解决目标问题】参考前面四个问题的解决思路，首先画出流程图，然后在IDLE中编写程序解决问题5。

【教师点评】点评学生提交的程序，指出问题5的易错点。

【分析】问题5是本课达成进阶学习目标需要解决的目标问题，总的来说，问题5对于初中学生具有一定的难度，主要体现在i的初始值的确定。如果仿照问题4的程序来编写问题5的程序，i的初始值为0，这样第一次循环开始后i的值变为2，之后每次循环i的值都是加2，最终得到的结果不是奇数相加的和；如果i的初始值为1，第一次循环开始后i的值变为3，之后每次循环i的值都是加2，最终得到的结果少了1，所以程序应该在循环结束后将s加1，或者把i的初始值设为-1，才能得到正确结果。有了问题3的结果作为参考，学生在解决问题5时能知道自己的程序是否正确，及时思考程序错在哪里，进而实现本课的学习目标。

四、 初中Python递进式教学的成效与不足

（一）教学成效

1. 问题由易到难，提升学生信心

计算思维强调将复杂的问题分解为一个个小问题，通过抽象、建模、设计算法等过程解决问题。与传统教学相比，本课的递进式教学由易到难设置了5个问题，帮助学生建立分析问题、化简问题的思路。简单问题的设置增强了学生解决问题的信心，使学生敢于挑战新的问题。

2. 学生自主探究，培养学习能力

新颁布的义务教育信息科技课程标准更加注重能力的培养。本课通过流程图绘制、教师讲解、资料查询等方式培养了学生自主学习能力和问题解决能力，课后练习的结果也表明学生对while循环的理解和应用整体较好。

3. 教学及时反馈，学生感受深刻

Python的IDLE能够在程序运行后及时给出反馈，提示学生找出程序中的问题。此外，除问题1外，学生完成其他4个问题的解答后，教师都会点评学生的程序，分析每个问题的易错点，促使学生深入思考，从而实现了从感性体验到理性认识的提升。

（二）发现的问题

尽管递进式教学取得了一定的成效，但在实际实施中同样发现一些问题，主要体现在以下几点。

1. 课程内容较多

本课设置5个问题，主要由学生自主探究解决，总体来说内容较多，无法在1个课时内完成，要想让学生较好地掌握知识，至少需要两到三个课时。

2. 评价方式不够多样

本课递进式教学中涉及的评价方式主要是教师点评，缺少学生自评、小组互评等其他评价方式。

3. 学生代码编写习惯不好

大部分学生刚接触代码编程，对Python的语言逻辑和语法规则不够熟悉，没有养成良好的代码编写习惯，容易出现忘记冒号和括号、缺少缩进等格式上的问题。

综上所述，在核心素养的视角下，将目标导向的递进式教学应用于初中Python教学中，通过设计5个由易到难的问题，完成课程的学习目标，培养学生的计算思维。实践表明，这种教学可以较好地帮助学生掌握知识、提高能力，但仍有些许不足，在后面的教学中需要改进和完善。

［   参   考   文   献   ］

［1］  陈明选，张宁.基于高中信息技术学科核心素养的学习活动设计［J］.中国电化教育，2019（1）：87-93.

［2］  中华人民共和国教育部. 义务教育信息科技课程标准：2022年版［M］北京：北京师范大学出版社，2022.

［3］  JEANNETTE M W. Computational Thinking［J］.Communications of the ACM，2006（3）：34-35.

［4］  龔沛曾，杨志强.大学计算机基础教学中的计算思维培养［J］.中国大学教学，2012（5）：51-54.

［5］  任友群，隋丰蔚，李锋.数字土著何以可能？：也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性［J］.中国电化教育，2016（1）：2-8.

［6］  叶新苗. 以培养计算思维为导向的初中《Python程序》的教学实践研究［D］.上海：华中师范大学，2020.