在问题解决活动中培养计算思维

金婧

计算思维作为信息技术学科的核心素养之一，出现在新修订的课程标准中。本文以计算思维的“形式化”“模型化”“自动化”特点为依据，以《计算机解决问题的背后》一课为例，进行计算思维培养的教学设计与实践，探索总结以运用计算思维的方法进行问题求解为主线的教学程式。

● 设计背景

在新课程标准修订中，信息技术学科核心素养中引入了“计算思维”这一核心内容。这使得我们的教学不能仅仅关注技术工具、操作技能，还要深层次理解这些技术工具，知道它们的工作方法和应用流程，处理好人与技术工具的关系。计算思维作为一个学科的思维方式、思想方法，要让学生从无到有、再内化为一种自然的思维方式是一个难点，需要学生经历在各种情境中运用学科思维方式、已有知识和技能分析解决实际问题的过程。

● 设计思路

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》必修模块1“数据与计算”包含数据与信息、数据处理与应用、算法与程序实现三个部分，涉及数据、信息、算法、程序在内的学科核心概念。本节课内容来源于“算法与程序实现”这部分，内容要求为“从生活實例出发，概述算法的概念与特性，运用恰当的方法和控制结构表示简单算法”，其中渗透计算思维的“形式化”（如抽象出算法解决问题的一般过程）、“模型化”（如用结构化程序表示算法）、“自动化”（如通过计算机自动化实现算法）。这部分内容强调简单算法的学习，并非要求系统掌握专业编程知识，其中，对问题的抽象或形式化描述是算法的基础。

本节课授课对象是高一学生，尽管他们已经能够利用计算机解决一些基本问题（如文章编辑、绘画和简单的多媒体处理等），但对利用计算机解决问题的完整过程了解不够;多数学生只是具备操作技术工具的技能，而对其工作方法和应用流程不了解，对解决问题的算法不甚明白。高中学生的逻辑思维能力趋于成熟，能够对自己的思想观点进行论证，能有条理地对各项经验加以说明。

基于以上思考，本节课以培养学科思维方式为素养目标，将教学定位在以运用计算思维的方法进行问题求解为主线，以知识和技能在解决问题的过程中自然引入作为支撑，将问题提出、问题分析、问题解决等主要流程贯穿于教学活动中，引导学生在问题情境中学习技术工具，理解学科方法，利用技术工具和学科方法解决问题（如上页图1）。

● 教学实践

1.创设情境，提出问题

结合我校的学生生活和学习情况，从参与国庆晚会筹备工作入手，引出制作邀请函的问题需求（如图2）。如何快速处理大数量的邀请函？从表面上看这是一个很简单的问题。在人工处理过程中，人动用了眼睛与手，其中的思维过程一闪而过。而计算机不同，对这些数据的处理过程看不见摸不着，怎么来完成这一任务呢？其实，计算机解决问题的关键，就是要把人解决问题的思维过程用计算机语言描述，即为大脑思维的每一步“拍照”。这是重点也是难点。从效率角度来思考，学生自然想到根据需要运用数字化工具解决，由此引导学生联系到计算机优于人工解决问题的“自动”与“批量”。

2.协作探究，构建方案

这部分由三个层层递进的小活动组成。

活动一：人是如何解决问题的？从制作一张邀请函开始，引导学生进行问题分析，得出完成一张邀请函的步骤。一张如此，大量邀请函又如何？通过观察，学生提取问题的基本特征，抽象关键要素——“固定主文档”与“可变数据源”，分析要素间的关系——“插入与合并”。这样，从人解决问题的一般过程类比过渡到计算机解决问题，帮助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，体现出计算思维活动的“形式化”。

活动二：建立信息处理模型。适时抛出三个阶梯性问题：①邀请函模板如何制作？②人员信息应做何处理？③如何合并？引导学生思考并分析：完成上述生活中的实际工作，需要分解为哪些具体步骤？学生在活动一的基础上分组互动，有逻辑地分解解决步骤，这样有助于学生从计算机解决问题的角度理解与分析，找出计算机等工具能识别的且能自动执行的本质性操作——列出对应的抽象模型，以建立可以支持自动化的解决方案（如上页图3）。这其实就是让学生感受到算法思想。

活动三：绘制流程图。根据活动二中的分解步骤可知，第1步和第2步学生可以借助软件工具完成数据的预处理（word图文编辑制作邀请函模板，Excel管理人员数据），第3步到第6步可不可以依靠计算机自动完成呢？如果可以，要让计算机解决问题，必须明确地告诉它要处理的具体对象和每一步准确的处理过程，否则计算机就无法工作，所以我们往往先用流程图描述算法（如上页图4）。这样，将活动二中算法思想从文字语言转变为可视化表达，是为了让学生形成与强化思维方式。这一部分引入“画程”软件，一方面让学生能够借助快捷的数字化工具表达自己的思想，另一方面也是引导学生以流程图描述算法，为以后程序语言设计的学习做好铺垫。整个环节是形成解决方案的过程，体现思维的“模型化”。

3.体验功能，验证方案

在这一环节，学生并没有亲自编写程序代码，但根据前面活动建立的操作解决步骤，学生通过“邮件合并”功能的尝试使用，实现了邀请函的批量生成，也体验了“程序的过程与方法”。在完成合并之后，将具象的软件操作过程与前面的分解步骤进行比较分析，找出之间的对应关系（如上页图5），在这种抽象化的对比中验证之前解决步骤方案的可行性，消除计算机程序的神秘。掌握“邮件合并”的操作并不是重点，而是借“邮件合并”的使用让学生去理解计算机等技术工具是如何工作的。让学生不只停留在对工具的使用的掌握，还探究方法背后的学科思维。进一步地，让学生继续思考类同工作模式，将本节课内容带入生活，理解其他应用原理及意义。

4.课堂小结，知识升华

将“方法—算法—指令”的概念与“建模—流程图—程序”的表达方式做一个对照性梳理，进一步加深理解利用计算机解决问题的过程与方法，促进对计算机解决问题的思维方式的形成。“从软件的研究者到未来的软件的开发者”的鼓励也进一步激发学生学习算法与程序设计的热情，为后续课堂做好铺垫。

● 结语

国际教育技术协会和计算机科学国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会（CSTA）指出的计算思维是一个用来解决问题的过程。因此，作为一个学科的思维方式、思想方法，应该让学生经历在各种情境中运用学科思维方式、已有知识和技能分析、解决实际问题的过程。本文中的教学实施正是基于以上观点进行的尝试，教学中借助于数字化工具的使用来理解数字化工具的本质特征，让学生在体验计算机解决问题的过程中，分析、探究、实践从应用和操作层面去理解利用算法进行问题求解的基本思想、方法和过程，进而理解信息社会思考与解决问题的方式，逐步形成计算思维。当然，让学生从无到有、再内化为一种自然的思维方式，这一计算思维培养之路还很长，信息技术教师还需要在教学中做更深入的研究和实践。