在中小学信息科技课堂中开展不插电的计算机科学教学的应用研究

2015-08-18窦颖

中国信息技术教育 2015年13期

窦颖

● 不插电的计算机科学

2014年8月，在第23届中国儿童青少年威盛中国芯HTC计算机表演赛颁奖典礼现场，魔术师表演的翻牌魔术引发了高潮。魔术师面向观众，站在他背后的同学无论怎么翻动纸牌，魔术师转过身都能很快辨认出是哪张纸牌被翻动了（如图1），随后笔者被邀请上台做了魔术揭秘，作为一名教师，我怎么知道“魔法”的真相呢？其实，这个小魔术是与计算机数据纠错知识相关的。

众所周知，计算机中的数据是采用比特（二进制数字）的形式存储或传送的，它们一般是不会发生改变的，不过有时一些故障也会导致数据突然改变，有时可能只是CD表面的小划痕就会把0变成了1，那么我们要怎样才不用担心发生这些意外呢？科学家发明了一种计算机自动检测数据中的错误并自动修复的方法──奇偶校验（parity）。

听起来是不是挺神秘的？其实，魔术中的双面纸牌（正面红色，背面蓝色）对应了计算机中的比特（0或1），根据红色纸牌朝上（对应比特“1”）的数量是奇数或偶数来进行判断（校验）。而采用何种判断方式（校验）是事先规定好的（即红色纸牌朝上的数量是奇数还是偶数），通过设置奇偶校验位（即魔术师会增加一些纸牌），用它使这组纸牌中红色朝上（对应比特“1”）的数量为奇数或偶数，从而确定翻动了哪张纸牌（也保证了存储或传输数据的正确性）。

用魔术来解释计算机原理是不是感觉特别酷？这样的创意活动设计来自于“不插电的计算机科学”课程，它通过一些生动有趣的活动或游戏，采用开放和自主学习方式把培养计算思维能力融入青少年的信息技术课程学习中，其创新点是不使用任何实体计算机就能达到学习“计算机科学”的目的，这也是不插电计算机科学的魅力和有趣之处。不插电计算机科学的教学设计活动原创于新西兰Canterbury大学的教授和两位中小学教师，他们依据实际教学经验，组织设计了丰富的教学活动来提升思维能力。该项目是面向世界的信息科学技术训练项目，创新案例在世界范围内不断充实。

有别于传统的计算机使用教程，不插电的计算机科学CS Unplugged着眼于：①在启动计算机之前先探寻、领悟计算机运作及其解决问题的原理和思想，高效地使用计算机，并激发新的想法。②展示真实发生在计算机中的工作原理和工程。③通过具体的活动指出与相关技术的联系，理解计算机技术的设计以及如何进一步影响日常生活。④提高解决问题的能力。⑤培养计算思维（Computational Thinking）。⑥开心地学习（游戏教学）。

● 信息科技课程中不插电计算机的学习

计算机作为一种信息自动处理工具，不仅是工具应用，更多的是工具处理信息的思想和方法，而且后者比前者更为重要。不插电的计算机科学不同于传统课堂讲授“如何使用计算机”，它更侧重各种计算机技术原理的应用，也并非完全展示计算机如何工作的全部细节，更多的是揭示那些被计算机科学家们运用于设计计算机系统的多元化的思路和技术，把问题化繁为简，以激发学习和创新的兴趣。

我所在学校的生源相对较好，学生们对信息科技也有一定兴趣，由此我自2013年9月起在六年级开设了《不插电的计算机科学》探究课。在教学中，我深深感受到探寻、领悟计算机运作及其解决问题的精妙思想并将之运用于现代生活已是信息时代人们需要掌握的基本技能之一。对于初中信息科技学科来说，课本的篇幅有限，一些学生感兴趣的新技术鉴于篇幅无法列入基础课的教学，而计算机如何储存数据又鉴于课本的篇幅有限往往不能太过深入讲解，推广开展这样的探究课程，可以帮助开发学生的“计算思维”，从而提高其解决问题的意识和能力。

● 不插电的计算机科学的教学案例展示

不插电计算机科学教学法灵活应用游戏教学的方式，以学生为主体来提高思维能力、应用能力是其宗旨。在文章伊始提到的表演赛的颁奖活动现场，我就以“二进制卡片”活动为例，进行了简短的现场展示。

引入：根据之前信息科技课程的学习，大家都知道，计算机上所有的数据，都是采用一系列0和1的形式存储和传送的。那么只有0和1这两个数字，怎样展示各种形式的信息呢？其实，我们可以借助“二进制卡片”的活动来展示如何只用数字0和1来表示所有的数字。

（1）师准备图2的活动卡片。

（2）师：请四位同学手持卡片从左到右以数字的降序依次排列展示（如图3）。问题是：①卡片上的图案有怎样的规律？②如果在这些卡片的左侧增加一张卡片，这张卡片上需要画几个点？③如果向左侧继续再增加一张卡片，这张新的卡片上需要画几个点？④你是依照怎样的规律来决定刚才新增卡片上的图案的？

（3）卡片背面朝上代表二进制数字0，正面朝上代表二进制数字1。计算正面朝上卡片的点数之和就能表示出不同的十进制数字（如图4）。

问题是：①图中表示的是数字几？②是否可以找到另一种方式来获得数字6？③四张卡片能表示的最大数字是多少？最小数字呢？

讨论：如何能表示出更大的数字？

● 不插电的计算机科学和计算机表演赛

中国儿童青少年威盛中国芯HTC计算机表演赛中创新挑战赛、手机应用开发赛等赛事项目要求学生进行研究性学习和科技实践，从创意到实现的过程，正是从原理到应用的过程。这与不插电计算机科学的理念也是契合的，而在2014年，表演赛也将不插电的计算机科学作为创新项目引入进来，并开展活动进行进一步的探究。

不插电计算机科学中的对计算机工作原理的阐释可以激发学生的创造性，促使其更好地参与赛事。反过来，通过参与比赛，在思考、实践、开发和反思的过程中能够帮助学生更好地理解和运用计算机科学知识，更有效地激发学生的求知欲和创造力，让学生能够主动探索和积极思维，从而训练计算思维能力，培养学生解决实际问题的能力，领会科学技术服务于生活、让生活更美好的本质。