计算思维在中学信息学竞赛教学中的培养

宋梅

摘要 目前计算思维这一概念受到了社会各界的广泛关注，计算思维不仅仅在计算机领域内受到重视，它还渗透到了各行各业，引起了各领域的专家和学者进行了广泛的研究与思考。对于教育行业来说，教育者们也在进行研究和尝试，希望让更多的孩子可以理解并运用这一“新”的思维方式。本文以中学信息学竞赛为载体针对如何在日常教学中对学生进行计算思维的培养作几点思考，综合目前计算思维教学的现状，深入探讨在竞赛教学中渗透计算思维的一些策略和方法。

【关键词】计算思维 中学信息学竞赛教学 培养策略

1 引言

计算思维这一概念最早由麻省理工学院（MIT）的Seymour Papert教授在1996年提出的，但真正让这一概念引起广泛关注的是美国卡内基梅隆大学（CMU）的周以真教授（ Jeannette M.Wing），它在2006年3月在权威杂志上发表的论文中清晰系统的阐述了什么是计算思维。周以真教授认为，“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”。

中学信息学奥林匹克竞赛的宗旨是通过竞赛形式，提高青少年对计算机基础常识的理解应用、使用计算机编程语言解决实际问题的能力，对有兴趣又聪明的青少年起到激励作用，促其创新能力、逻辑思维、计算思维能力等综合素养得到发展。在信息学竞赛的教学中让有才华的青少年沟通探讨，推动竞赛知识和经验的交流，合作学习共同提高，更早的发现计算机爱好者，发展新兴学科信息学，为国家选拔更多优秀的计算机后备人才。从信息学奥林匹克竞赛历年来的测试试题分析来看，试题多是将具体实际问题抽象成数学模型，以此形式考察学生的计算机素养，其实质就是希望通过试题测试来考察、提高学生的计算思维能力。因此，在中学信息学竞赛的教学中如何渗透计算思维的培养是值得探讨的，并且信息学竞赛的培养可以激发提高学生的创新意识、独立思考能力、团队协作能力等，这些能力的提升从侧面凸显了计算机科学知识的渗透力，并且在对具体问题求解、系统设计等解决问题的过程中产生了质的飞跃。

2 中學计算思维教学现状

中学信息学竞赛教学的过程其实一直在无意识、潜移默化的培养学生的计算思维能力，主要是现阶段对计算思维能力的培养还没有实质性的方案，理论的提出到具体的实践还需要研究和尝试，现阶段大多还在尝试阶段，没有权威的实施策略，具体的普及还需要进一步研究和探讨。中学信息学竞赛教学致力于培养学生利用计算机基础知识和算法等去解决实际问题的能力。信息学竞赛所涉及的课程大多是培养计算思维方法的课程，例如“算法基础”这门课程就是培养计算思维方法的典型，这本教材里包含的大量算法，比如枚举、递归、回溯等等这些都是毫无争议的计算思维典型案例。

3 中学信息学竞赛教学现状

3.1 信息学竞赛的简介

信息学竞赛的全称是信息学奥林匹克竞赛。1984年邓小平指出：“计算机的普及要从娃娃做起。”中国计算机学会于1984年创办全国青少年计算机程序设计竞赛，简称NOI）。

信息学竞赛的宗旨：

（1）旨在向那些在中学阶段学习的青少年普及计算机科学知识;

（2）给学校的信息技术教育课程提供动力和新的思路;

（3）给那些有才华的学生提供相互交流和学习的机会;

（4）通过竞赛和相关的活动培养和选拔优秀计算机人才。

NOI系列活动包括：

（1） NOIP：全国青少年信息学奥林匹克联赛（National Olympiad in Informatics inProvinces简称NOIP）自1995年至今，全国统一试卷，中小学在校学生可报名参赛，联赛分初赛和复赛两个阶段。

（2）各省省选：如重庆市信息学决赛暨省队选拔赛

（3） APIO：亚洲与太平洋地区信息学奥赛（Asia Pacific Informatics Olympiad）简称（ APIO），2007年创建。

（4） NOI：全国青少年信息学奥林匹克竞赛（NOI），是国内包括港澳在内的省级代表队最高水平的大赛。自1984年至今，每年经各省选拔产生省队选手（其中一名是女选手），由中国计算机学会组织进行比赛。这一竞赛记个人成绩，同时记团体总分。

（5）冬令营：在寒假期间为全国信息学竞赛学生开展的培训活动，时长为一周，包括授课、讲座、讨论、测试等。参加冬令营的营员分为正式选手和非正式选手，国家集训队选手及其教练为正式选手，其他学生为非正式选手，非正式选手自愿报名经CCF审核通过后即可参加。

（6） CTSC：选拔参加国际信息学奥林匹克中国代表队的竞赛（简称选拔赛）。

（7） 101：国际信息学奥林匹克竞赛（Intemational Olympiad in Informatics）简称（IOI）。

3.2 现高考体质下的中小学校计算机信息学课程开展现状

信息学在各中小学阶段的普及现状：

（1）编程在信息学课程中的受重视程度缺乏;

（2）目前大多数地区的高考对信息学没要求，导致了信息学教师边缘化、干杂役;

（3）信息学竞赛菁英与普及化教育鸿沟巨大。

信息学竞赛是一项菁英教育，为提高信息学竞赛辅导的质量，应选择有潜质、有才华、有浓厚兴趣的学生参加。目前各沿海城市对信息学竞赛系列活动的普及相对其他城市来说是走在前沿的，比如浙江、广东、湖南等，这些地区的学生大多从小学三到五年级就开始接触学习信息学竞赛，较早进行一些思维的锻炼。就我市而言，信息学竞赛的推广是比较落后的，大多数的家长都听过奥数，小学阶段也会将孩子送去学习奥数，但对信息学竞赛的概念是模糊的，要让孩子学习信息学竞赛，有些家长甚至是拒绝的。

（1）高考不考，让家长不放心;

（2）要求较高，难度较大，容易让孩子失去信心;

（3）学习人数较少，普及度较低，教信息学竞赛的老师很少，外面的相应培训机构几乎没有。

个人认为这些因素是重庆信息学竞赛落后的根本原因。相比奥数来说，信息学的普及度差了很多，大多家长都会将孩子送去学奥数，但对信奥基本没有听说过。对于目前重庆地区的信息老师来说，由于信息学不高考，很多老师在学校要做很多跟专业不相关的杂事，很难有专门的精力抓竞赛，并且带竞赛并不是像表面看到的那么轻松，如果没有专门的精力研究学习，想要提高竞赛成绩是比较困难的。

4 信息学竞赛教学中如何进行计算思维的培养

4.1 中学信息学竞赛对计算思维培养的可行性分析

当前，信息学竞赛在中学只是针对学有余力的学生开设，而不是普及教育，所以就这一角度来说，在信息学竞赛中进行计算思维的教学涉及学生面比较窄。若单单只是针对信息学竞赛的学生来说，由于课程特性，对他们进行计算思维教学是比较容易开展的。比如，现高二高三学习信息学竞赛的学生人数就全年级人数比例来说是极少的一部分，对他们进行有意识的计算思维培养是较容易的，在信息学日常的课程教学中进行相应引导即可，因为本来信息学竞赛所涉及的学习内容和评测方式就跟计算思维比较接近，只要在学生学习完相应课程后有意识的引导就实际问题进行分析反思总结，形成自己对问题独有的解决方案和思维方式即可。

4.2 培养计算思维的教学措施

中学生计算思维模式的培养有其特性，这就要求学校有相应软硬件配套设施，首先要求老师有足够的意识去引导学生，其次，毕竟计算思维的特征是有限性、确定性和机械性，且与计算机息息相关，所以学校要为学生提供计算机学习环境，能力的培养离不开实践的环节。为了培养学生的计算思维，要在校园内形成良好的学习氛围和学习环境。促进计算机与其他学科的融合，计算思维不仅仅是在计算机领域，从而对所有学科教师都相应的提出了挑战，需要教师具备相应的专业基础知识，指导学生运用计算思维去解决学科学习问题，激发学生的学习兴趣，从而主动积极探索，达到培养计算思维的目的。当然对于信息学竞赛学生来说，他们一定意义上是计算机专业的学生，他们所学习的课程基本上都包含了计算思维，例如： 《程序设计基础》课程，这门课程讲了大量的基础算法，里面包含大量的经典案例，现可以从计算思维的角度去重组这些案例，将问题求解的过程提升到计算思维的高度。在计算思维中问题求解的一般步骤可分为如下几步：

（1）如何建立模型，即如何将实际问题抽象化的描述，也就是问题的表示;

（2）如何设计算法，即寻找问题的解决方案，也就是问题求解;

（3）如何有效地求解、编码，即计算机实现过程、效率;

（4）对于这类实际问题的延伸拓展。

按照计算思维重组教学案例，让学生更能体会计算思维的本质，即抽象和自动化。

据目前培养信息学竞赛学生的反馈来看，学习计算思维可以丰富学生的认知结构，提高学生的认知能力和综合能力。当然在教学方法上，教师要多鼓励学生发散思考，更要尊重学生不同的认知方式，提倡算法的多样化，多运用计算思维去解决问题，鼓励学生多思考多提问，倡导算法的简化和优化，从而培养计算思维。

4.3 计算思维概念在信息学竞赛教学中的渗透

我校一直把信息学竞赛定位于兴趣活动，参加的学生必须做到以“兴趣”为出发点，以“学有余力”为前提和基础。在开展信息学竞赛的过程中，我校很重视提升学生的综合素质，注重学生能力的培养，而不仅仅是成绩的取得。并且尊重学生的个性，尊重学生的特长。因材施教，结合学生的文化课成绩和竞赛特长等情况组织有针对性的训练，分层教学，在信息学竞赛的教学过程中培养学生的自学能力，信息学竞赛的辅导方法不是一成不变的，一开始学生刚入门的时候，以老师的讲授为主，慢慢地老师应该培养学生的自学能力。学习者自己悟出的道理是最高层次的学习，其次是学习者碰到困难与人讨论解决之，自己实在弄不懂，求教于人;第三层次是教师安排以上课的形式传授教会的。

信息学竞赛是一门锻炼学生思维的比赛，我们在训练的过程中要求学生对问题要进行深入研究，切不可浅尝辄止，要具备怀疑精神，不屈服于权威，注重一题多解，注重学生举一反三，加强同学之间的讨论交流进行思维的碰撞，学生的思维能力得到很大的提高。如：“主席树”、“CDQ分治”、“莫队算法”等都是以学生名字命名的算法或数据结构，他们都曾是信息学竞赛学生在竞赛生涯中发明或者优化的，他们提出这些算法或数据结构的时候还是一个高中生，却比很多大学生都优秀，这就是思维锻炼的效果，科学研究普通人的人脑使用率只有3%-5%，还有95%处于休眠状态，信息学竞赛活动可以在提升学生的计算思维、逻辑思维，让他们的大脑更灵活。培养学生团队协作沟通表达的能力，一个好汉三个帮，不单打独斗，讲究团队协作，利用团队的力量个人发展的同时也回馈团队，使团队和个人实力都得到提升。信息学竞赛鼓励学生独立思考、深入探究，但有时也要讲究效率，团队协作在训练过程中起着至关重要的作用。训练过程中，我们会经常创造机会让学生加强交流合作，这种思维的碰撞，往往能产生智慧的火花，同时学生的表达能力也得到很好的锻炼。

5 结束语

计算思维是人类重要的思维方式，它作为一个解决问题的高效思维工具，正在渗透着各行各业，也正在改变信息学竞赛的教学和考核方式，在新时代背景下的的教育模式中它都发挥着不可小视的作用。本文在中学信息学竞赛中以计算思维为牵引，从中学信息学竞赛培养学生计算思维的视角阐述了一些简要观点，并就如何在中学信息学竞赛的教学中培养学生的计算思维探讨一些方法和措施。详细介绍了中学生信息学奥林匹克竞赛培养现状并阐述了培养计算思维的重要性，希望通过自己对信息学竞赛教学过程的思考，找到一条培养学生计算思维的有效途径。

参考文献

[l]Seymour Papert. An Explorationin the Space of MathematicsEducations [J]. International Journalof Computers for MathematicalLearning， 1996， Vol.， No.1： 95-12 3.

[2]李廉，计算思维 概念与挑战，2012.

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[5]大学生计算机基础教学中的计算思维培养[J].中国大学教學，2012.