运用计算思维求解问题

张长水 王娟

摘要：“互联网+”时代，对学生计算思维能力的培养不断受到教育者的关注，基于计算思维的教学改革在大学计算机基础课中已经实施。近年来，部分专家开始关注计算思维在中小学尤其是高中信息技术课程中的实践应用。笔者以计算思维操作性定义为依据，在高中信息技术课程中以“表格数据处理”一课为例，开展基于计算思维的教学设计与实践，并通过实践初步总结出运用计算思维方法分析和求解问题的一般过程，初步探索了基于计算思维的高中信息技术的教学模式。

关键词：计算思维；计算机；高中信息技术；表格数据处理

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）19-0036-04

● 设计背景

计算思维是当前国际计算机界和教育界较为关注的、涉及计算机本质科学和课程核心价值的重要概念，2006年美国卡内基梅隆大学计算机科学系主任周以真教授首次提出计算思维的概念，她认为计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。[1]2010年，中国9所高校在西安交通大学就增强大学生计算思维能力的培养发表了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》[2]，标志着我国基于计算思维的大学计算机基础课的改革工作得以实施。近年来，已有部分专家开始关注计算思维在中小学信息技术课程中的应用，对于有着明确国家课标的高中信息技术课程，如何融入和有效培养学生的计算思维，已成为值得研究的课题。2011年，国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会（CSTA）给出了计算思维的操作性定义，并指出计算思维是一个用来解决问题的过程，它具有以下六个特点[3]：①制定问题，能够使用外界工具如计算机和其他工具等帮助解决这个问题；②组织和分析数据，要符合逻辑；③通过抽象，如模型、仿真等，重现数据；④通过一系列有序的步骤也就是算法思想，支持自动化的解决方案；⑤识别、分析和实施可能的解决方案，找到最有效的方案，并且有效结合这些步骤和资源；⑥将该问题的求解过程进行推广并移植到更广泛的问题中。

● 思路分析

本课课型为新授课，教学对象是高一年级学生。本课根据教育部2003年颁布的《普通高中技术课程标准（实验）》（内含信息技术课程标准）的内容标准和实施建议，结合计算思维概念的操作性定义，以运用计算思维的方法进行问题求解为主线，贯穿“问题提出”“问题分析”和“问题解决”等主要流程，融入“任务驱动”“项目教学”等教学方法（如图1）。[4]

针对高中信息技术学科特点以及研究的实际需求，在计算机教室中安装常规软件的基础上，笔者运用ASP动态网页技术设计了本课的课堂教学导学平台，学生可以通过教师机的IP地址访问导学平台，并完成整个教学流程。同时，笔者还将导学平台设置了外网访问地址（http：//61.155.76.18/ct/dxdata/），为学生课后学习提供了资源和技术支持。

● 教学实践

1.问题提出——发现生活中的问题

根据教学目标进行分析，本课的设计从生活中的实际问题入手，引出表格数据处理的应用需求。问题描述如下：某单位党员需要向上级党组织缴纳党费，党费收缴以月为单位，缴纳金额以工资表中实发工资为基数。实发工资3000元以内（含3000元）缴纳比例为0.5%，超过3000元的缴纳比例为1%，最终上报的统计表按右上表所示的表头设计。请你根据问题描述，帮助该单位党办主任完成党费收缴和上报统计表的工作。

2.问题分析——组织分析所需数据

根据上述问题描述，按照操作性定义的思想，首先将复杂问题化简，并转化为若干个子问题。由此引导学生分析：完成上述生活中的实际工作，需要分解为哪些具体任务？即从常规角度看，解决问题需要获取哪些必要数据？具体步骤分解如下：第一步，建立上报统计表的表头；第二步，获取工资表中实发工资信息；第三步，查找本单位党员信息；第四步，统计每位党员应缴党费。

3.方案设计——抽象数据和寻找自动化解决方案

根据上述常规的解决问题的步骤，引导学生分析：从计算机解决问题的角度理解，需要获取哪些计算机能够自动执行的必要数据？即要对常规求解问题的步骤进行模型抽象，找出计算机能识别的且能自动执行的本质性操作。经过分析，列出对应的抽象模型（如图2）。

基于抽象出的数据模型，可以寻找支持自动化的解决方案。即引导学生分析和列举一系列运用计算机等工具实现操作的有序步骤（算法思想）。具体如下：

【字段创建】选用合适表格工具（可选工具有Word、WPS、Excel、Access等）新建报表，并制作报表表头，表头包含字段为：序号、党员姓名、缴费基数、缴费比例、缴费金额。

【数值运算】在单位提供的“工资表.xls”中选择合适的方法计算员工的实发工资。已知：实发工资=应发工资-公积金-保险，应发工资=岗位工资+薪级工资+职务津贴+综合补贴。

【数据筛选】从“工资表.xls”中筛选出政治面貌是“党员”的员工信息，并复制到新建的报表中。工资表和报表中字段的对应关系为：姓名→党员姓名，实发工资→缴费基数。

【排序判断】在“报表”中运用排序命令或条件判断函数，根据缴费基数和缴费比例，计算最终的缴费金额。

4.问题解决——实施可能的自动化解决方案

针对寻找到的若干项支持自动化的解决方案，分析、识别并确定其中最有效的解决方案，如对表格数据处理软件的选择，为方便上报的报表与单位已有工资表之间的数据衔接，在众多的数据处理软件中，选择大众化的表格加工工具——Excel，即可完成该任务。围绕这些解决方案，对应抽象模型的四个步骤设计学生实践活动如下：

实践活动1：建立报表表头→字段创建。

方案实现推荐：打开Excel程序，新建一个工作簿，命名为“党费报表.xls”。在工作簿的Sheet1表中，按实际报表要求建立序号、党员姓名、缴费基数、缴费比例和缴费金额5个表头。

资源技术支持：导学平台“实践活动1”中“资源支持—视频—新建工作簿”。

实践活动2：获取实发工资→数值运算。

方案实现推荐：在“工资表.xls”中计算员工实发工资。实发工资=应发工资-公积金-保险，应发工资=岗位工资+薪级工资+职务津贴+综合补贴。

资源技术支持：导学平台“实践活动2”中“资源支持—视频—公式和函数”。

实践活动3：查找党员信息→数据筛选。

方案实现推荐：从“工资表.xls”中利用“自动筛选”命令筛选出政治面貌是“党员”的员工信息，并将筛选出的“姓名”和“实发工资”字段下的单元格数据复制到报表“党员姓名”和“缴费基数”两字段下面的单元格中。

资源技术支持：导学平台“活动3”中“资源支持—视频—数据筛选”。

实践活动4：统计应缴党费→排序判断。

方案实现推荐：方案1：运用排序命令对报表“实发工资”排序，并在“缴费比例”列中输入比例数值（小于等于3000元的输入0.5%，其他输入1%），再运用数值乘法运算统计出缴费金额。方案2：在“缴费金额”列的单元格中运用条件函数IF进行判断，并统计出缴费金额。

资源技术支持：导学平台“活动4”中“资源支持—视频—数据排序”。

实践活动完成后，学生将“党费报表.xls”通过导学平台上传至教师机。

5.问题推广——总结归纳并移植至其他问题

（1）总结归纳问题求解的一般过程

在生活和学习中，当遇到类似问题时，我们可以尝试运用计算思维的方法去分析和解决问题。首先，要能准确地描述问题，并将问题有逻辑地分解为若干求解步骤；其次，从这些步骤中抽象出本质性的操作模型，并寻找能通过计算机等工具自动化执行实现的方案；最后，选择一种最有效的自动化方案让计算机执行，实现问题的解决（如图3）。

（2）推广移植求解过程至其他问题

运用计算思维求解问题的方法渗透于生活的各个方面，按照上述总结归纳运用计算思维求解问题的一般过程，列举如下两例，简要说明运用计算思维求解此类问题的基本思路。

【问题求解1】

问题描述：某单位工会决定在职工每年生日时，为职工准备一份生日礼物。该单位工会主席现需要统计1～12月份中每月过生日的员工名单。请你运用计算思维的方法协助该单位工会主席完成本项工作。

求解提示：通过对问题的分析，要统计1～12月份中每月过生日的员工信息，只需要获取每位职工出生日期中的“月”和“日”，由此抽象出数据模型可以从身份证号码中提取出生年月日信息，在寻找自动化方案中可以用Excel中的MID函数实现出生年月日信息的提取。

【问题求解2】

问题描述：BMI指数，称为“身体质量指数”，是国际上常用的衡量人体胖瘦程度以及是否健康的一个标准，其计算方法是用体重公斤数除以身高米数平方得出的数值。已知目前亚洲人BMI的理想指数是18.5至22.9，请你运用计算思维的方法：①计算自己的BMI值，判断是否健康；②参照BMI的理想指数，判断是否超重。

求解提示：通过分析可知，要判断自己是否健康或是否超重，根据问题描述中已知的BMI计算公式和亚洲人BMI的理想值，均需要获取自己的体重（公斤）和身高（米）信息，由此可以抽象的数据模型是对获取到的体重和身高的值按公式进行乘除运算，得出的值再与参考值比较大小。寻找自动化方案，并在Excel中予以实现。

● 结语

笔者将计算思维的概念渗透到高中信息技术课堂中，并运用计算思维的方法求解问题，尝试让学生在理解“计算思维”概念的基础上将其付诸实践，取得了预期的教学效果。但计算思维是建立在计算机应用和操作层面上的属于方法论层次的概念，如果脱离了信息技术课程的具体内容，单纯地讨论计算思维能力培养，那是比较虚的。因此，要真正将计算思维的方法论融入到高中信息技术课程中，在内容体系和教学模式方面还需要做深入的研究和实践。信息技术教师还要在信息技术课堂教学实践中主动构建基于计算思维训练的课程内容，并积极地向学生渗透计算思维的理念和方法，潜移默化地呈现高中信息技术课程的核心价值。

参考文献：

[1]Wing J M.Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006（3）：33-35.

[2]九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010（9）：4.

[3]郭守超，周睿，邓常梅.基于App Inventor和计算思维的信息技术课堂教学研究[J].中国电化教育，2014（3）：91-96.

[4]马秀麟.信息技术课程教学法[M].北京：北京师范大学出版社，2013.

作者简介：张长水，江苏省板浦高级中学高级教师，江苏师范大学智慧教育学院现代教育技术硕士研究生，主要从事中小学信息技术教育研究。王娟，江苏师范大学副教授，博士。