关于培养高中生计算思维能力的教学思考

【摘 要】 本文通过引入计算思维的教学案例分析，探讨高中生计算思维能力培养的目标和方法。主张培养学生通过判断、分析与综合处理各种信息资源能力，形成利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决过程中。

【关键词】 高中生；信息技术；计算思维能力；教学；培养

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》明确指出，普通高中信息技术课程的根本任务是全面提升学生的信息素养。课程围绕信息技术学科核心素养，精炼学科大概念，吸纳学科领域的前沿成果，构建具有时代特征的课程内容。

信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四方面构成。其中，计算思维是最能体现信息技术学科本质的核心素养。

一、关于“计算思维”的概念

2006年美国卡内基梅隆大学周以真教授提出“计算思维”的概念，周以真教授认为，计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类行为。近年来，“计算思维”概念受到广泛关注，不同学者亦有不同观点。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中表明，“计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成解决方案的过程中产生的一系列思维活动。”

二、高中信息技术课程中计算思维的培养目标

高中信息技术教学旨在通过信息技术学科的学习与训练，逐步培养学生的计算思维这一核心素养，使学生在基于信息技术的学习活动中，从计算机能够处理的视角，进行问题的界定、特征的抽象及提取，结构模型的建立，数据的合理组织等，通过判断、分析与综合处理各种信息资源，选择并合理运用算法形成解决问题的方案，总结出利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决中。

三、高中信息技术课的教学现状

分析现行高中教材及教师教学实际情况可知，基于“技术应用”的教学理念非常广泛。教师通常把教学目标的定位放在学生学会技术操作，能够应用技术解决问题上。

例如，讲授关于概念的知识时，教师的教学侧重点是列举与概念相关的例子，强调的是与概念相关的应用技能，而对于与计算机科学相关的概念、原理和思想，缺乏准确细致的讲授，涉及概念的内容，仅限于“了解”层面，讲授肤浅。学生对计算机科学知识体系缺乏整体性认知和结构化意识。讲授操作技能类知识时，教师的教学侧重点是学生具体操作技术掌握的熟练程度，在这种只强调技术操作，忽视学生分析与解决问题的思维能力培养的教学下，学生学会的只是照猫画虎的操作技术，缺乏严谨的逻辑思维习惯、创新思维能力与信息社会责任感。

四、高中信息技术课程教学中落实计算思维的培养策略

在教学过程中，教师要在如何引导学生以计算思维的方式进行思考上下功夫。教师备课时的首要任务就是要设计出有意义、有价值的真实问题情境，搭建思维“脚手架”，提出层层递进的思考问题，采用有针对性的训练，帮助学生学会在分析问题和解决问题时的一般流程，并在此过程中形成计算思维意识，进而提升计算思维能力。

“信息的基本特征”是高中必修册中典型的一节理论课，涉及概念较多。粤教版教材上给出一些常见生活事例及谚语，要求学生讨论思考其具有信息的哪种特征。这样的教学案例目的单一，只能让学生基本了解信息的基本特征有哪些，缺少深层次的思维过程。现实生活中，我们所遇到的信息表现出来的特征都不是单一的，信息是通过多个特征综合呈现的。在高中信息技术教学中，学生学习信息的特征不是为了能正确罗列信息特征有哪些项，而是要深层次学习信息及其特征的作用。比如，在鉴别某个信息的真伪时，能够综合分析该信息符合信息的哪些特征，并从中梳理出相关的信息特征项，分析其表现形式和所起的作用，从而理性的鉴别、评价和运用信息。这样才能体现出“通过判断、分析与综合各种信息资源，提取关键特征，建立结构化思想的知识体系，并能够迁移到解决实际问题当中”的计算思维核心。

“网络信息资源的获取”是以技术应用为主的一节课，通常教师从应用的角度出发，把教学侧重点放在使用搜索引擎的技巧上，而講授搜索引擎概念及工作原理内容时，轻描淡写的一带而过。学生在课堂上学会了一些有针对性的技巧，但遇到复杂的综合性实际问题，需要进行分析、筛选并决策时，就无计可施了。这样的教学明显缺失计算思维中“学会利用计算机解决问题的过程和方法，并迁移到相关的实际问题解决中”的培养。实际生活中我们搜索网络资源时，初步检索出的信息通常是海量的、模糊的、零散的、模棱两可的，在进行教学时，我们就要设计呈现这种真实的生活情境问题，引导学生在面对信息不完整不清晰的情况下，通过细致观察、客观分析、合理推断，提取信息的关键特征，利用分析得出的特征再次进行精准检索和科学筛选，最终得出更准确结果。通过这样的学习，学生才能学会分析界定问题、对检索问题进行抽象和归纳、构建关于信息检索的通式模型，并使用该模型将模糊信息转化成精准的有规律的检索条件项，以此达到从一个问题的解决迁移到一类问题的解决上。

因此，教师需要在教学中改变原有的教学内容和教学方法，通过解决生活中真实存在的复杂问题，达到培养学生计算思维能力的目的。

五、基于计算思维培养的教学案例

王荣良教授在《计算思维教育》一书中写到：算法思维方式是信息技术的最基本的思维方式。计算机处理问题最根本的机制就是“算法”，所以计算思维涵盖了算法思维的本质。应用到我们教学实践中，就需要将思维本身具象化，使用具有可操作性的教学策略，在教学活动中落实计算思维的培养。

下文教学案例中的三个学生任务，是基于计算思维的培养，使用回溯算法思想指导学生进行信息检索的教学内容。

回溯算法的基本思想是：从一条路往前走，能进则进，不能进则退回来，换一条路再试。许多复杂的，规模较大的问题都可以使用回溯法。利用回溯思想检索网络信息，分析归纳出信息检索的一般方法。通常，在检索条件清晰、明了的条件下，可以直接利用回溯优化检索结果，若检索条件模糊、含混，则需要利用信息的结构化原则，先进行检索关键词提取。

【任务一】在12306官网上查询列车时刻信息，制定一份从“西安”到“北海”的火车乘车安排，要求越早到達越好。（提示：没直达车时可以考虑转车。）

任务一分析：从西安到北海没有直达的列车，在这个任务中，首先要引导学生发现哪个城市是最合适的换乘城市，除了要考虑路程外，还要考虑换乘的时间是否匹配，才能符合“越早到达越好”的条件。在尝试寻找换乘城市的过程，就是体会回溯算法的思想。

【任务二】制定一份从“西安”到“北海”的出行安排，要求费用越低、时间越少越好。（提示：可以考虑多种交通方式。）

任务二分析：改变任务条件以后，有时间、路程和花费几个关键因素要考虑任务也就相应变得复杂化，搜索结果可能使人决策困难。这时，可以使用决策矩阵法进行分析。

具体操作思路如下：将影响决策的多个因素进行梳理，并建立起数学模型。给这些决策因素进行赋值，计算并分析其结果。

假设三个变量分别是：t=时间，s=路程，m=金钱。每一个变量的值为0或者1，代表该变量对路线的影响程度，0为次，1为好。在完成任务二时，需要参考这三个变量，通过权重系数可以调整三个变量的重要程度，权重越高则越重要。权重范围可以设为1-3。

最终，我们根据数据分析得出结果。

使用决策矩阵法的过程就是计算思维的体现。这种将人的主观意识用数学方式来表达，形成一般性策略，即达到将生活问题使用计算机自动处理的目的。

【任务三】从海边旅游城市北海和海南中二选一，如何用科学的方法找出最优方案？

任务三分析：任务三是在任务二的基础上，巩固学习内容的掌握，检测学生解决实际问题的能力。同时，也是用该任务进行一般性策略验证的过程。

在这个教学案例中，当学生初次搜索的线路不符合条件时，需要返回并重新开始，再次进行检索，最终达到符合条件的结果。这个过程就是回溯思想的生活应用。当学生在搜索信息发生决策困难时，要引导学生能够有意识的对问题进行抽象和归纳，重新进行信息的提取，进行精准检索，在遇到选择问题时，使用决策矩阵的方法进行信息的分析及筛选。由此形成一种科学的、数字化的思维方式。并逐步形成基于计算思维的核心素养。

我们现在身处于一个大数据时代，在海量的信息里进行有效检索的思维方式非常关键。引入计算思维后，我们的信息检索教学思路需要进行一些变化。基本思路如：搜索信息的结构化；对搜索问题进行抽象和归纳，依据数学分析的算法，构建起关于信息检索的、可被计算机处理的数学模型；根据模型将模糊的描述性搜索信息转换成精确、可由计算机处理的数学表达式；由计算机进行处理；归纳、总结出在计算思维条件下进行信息搜索的一般性策略与方法。

六、结论

当前，计算思维正在受到教育界的广泛关注和研究，我们将计算思维引入高中信息技术课教学实践当中，旨在引导学生学会采用科学方法，建立数据模型，设计合理算法，构建思维模式。培养学生用科学的方法解决身边问题的能力，这是一个探索的过程，也许会有很多细枝末节的不足之处，我们将在教学实践中不断完善，探索出符合信息技术课特征，体现出学科价值的新思路。为促进信息技术学科良性发展做出努力。

【参考文献】

[1] 教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M]. 北京：人民教育出版社，2017.

[2] 李辛.基于“数据与计算”课程的高中生计算思维能力培养[J].教育信息技术，2018.4.

【作者简介】

李南颖，女，一级教师，陕西省教学能手，陕西省莲湖教师进修学校中学信息技术教研员、电教信息部主任，陕西师范大学现代教育技术教育硕士导师，主要研究方向：中学信息技术教育教学.