基于计算思维的高中信息技术教学设计实践研究

张良环

在高中信息技术课程的培养目标中， “计算思维”直面学科特性，为重新审视信息技术学科所蕴含的思想与方法带来了全新的角度，而培养学生的计算思维也成为高中信息技术学科教学的关注热点。笔者结合自己的教学实践，以《用穷举法设计程序》为例，分别从教学目标、活动设计、教学资源和教学评价四个方面谈谈对计算思维的培养。

一、确定发展学生计算思维的教学目标，并选择合适的项目

计算思维是指采用计算机方式界定问题，运用合理的算法形式解决问题，并迁移到与之相关的其他问题中。然而，当前高中信息技术教学大多重视技术素养的培养，对学生学科思维方面的训练研究不够、实践太少。因此，要改变以往教学的思路和方法，教师必须将计算思维的培养明确到教学目标中。

以广东教育出版社 《算法与程序设计》中的第四章第二节 《用穷举法设计程序》为例，笔者将教学目标确定为：

1.了解穷举法的基本概念和思想；

2.能用穷举法对具体问题进行分析及算法设计；

3.能根据具体问题的条件，进行算法优化。

根据穷举法的原理和计算思维处理问题的本质，可以将问题分解为三个子目标：

1.确定枚举对象和枚举范围，不遗漏，不重复；

2.确定判断条件，逐一验证每个解是否都正确；

3.使可能解的范围降至最小，以便提高解决问题的效率。

这样将复杂的算法思想和解决问题的过程分解为若干个子问题、子目标的教学思路同样可以应用到其他经典算法的教学当中，学生在学习目标达成的过程中逐步提升计算思维的培养，体验算法的魅力，加深学习算法的欲望。

二、设计培养学生计算思维的活动任务，并选择有效的教学模式

新课标倡导项目教学，因此笔者模仿了学生感兴趣的综艺节目《奔跑吧，兄弟》，创设相关情境，将 “密码破译” “百钱百鸡” “水仙花数” “谁是案犯”等经典问题融入到挑战游戏项目活动中，引导学生分析问题，找出规律，巩固思维，让学生在解决问题的过程中体会穷举法的基本思想和程序实现。

1.导入新课环节的任务设置

【情境】 （播放笔者课前自制的动画） 《奔跑吧，兄弟》节目组向全班发出邀请，以4人为一小组自行组队参赛，按要求顺序完成4个任务，哪个小组最先完成任务即获胜。现在所有的任务要求都在一个加密的文件中，文件密码是1位小写字母，请你尽快破解密码，拿到任务卡奔跑吧。

笔者通过一个简单的、十分常见的小任务引人穷举法的主题，让学生体会算法并不抽象，使其更有亲切感，并亲历穷举法解决问题的基本思路：第一步，根据问题的要求，把所有可能的情况都考虑到；第二步，对全部可能的结果 （密码）逐一进行判断，过滤掉不符合要求的，直至找到正确的结果 （密码）。利用 “思维拓展”的设置让学生体会到人工穷举的局限性，发挥计算解决问题的优势，引发学生思考生活中的例子用计算机编程解决的必要性和意义。

2.项目 （主题）活动中的任务设置

在穷举法教学中，采用一个项目 （主题）活动贯穿整个教学过程，按照教学目标设计阶梯化任务，引导学生由简单的问题不断思考，建构出相应模型。在不断使用同一种解题思路解决问题的过程中，学生能力将呈螺旋式上升，思维也得到锻炼。笔者在这一环节设计了以下活动任务：

任务一：穷举方案的设计及程序实现

【情境】 《奔跑吧兄弟》游戏设置的第一个任务是用银行卡到最近的柜员机提取100元，但拿到的银行卡密码纸条已破损，只能看到6位数密码是159□4□，个位数和百位数已经模糊不清，不过纸条上还提示这个6位数能被88整除。

笔者将计算思维渗透到任务的设置中，启发学生将抽象的概念进行数学建模，并用循环结构和选择结构进行实现，培养学生界定问题、抽象特征、建构模型、确定算法的计算思维。

学生经过个人思考、小组讨论，最后给出整个方案。任务进行到这里并没有结束，笔者再次提出了新的拓展任务：在不遗漏任何一个正确解的前提下，如何缩小罗列的编码范围，从而达到循环结构循环次数减少的目的，来提高程序的执行效率，即实现程序最优化。这一任务培养了学生多维度思考问题的习惯，提升了计算思维的应用。

任务二：拓展延伸

【情境】 《奔跑吧兄弟》游戏发出的第三个任务是挑战以下问题：

（1）已知玩具公鸡每只5元，母鸡3元，小鸡1元3只，要求用100元买100个小玩具，三种玩具都要有。

（2）如果一个三位数等于它的每个数位上数字的立方和，如153=13+53+33，则我们称此数为“水仙花数”。求 100-999之间的全部水仙花数。

（3）有6名犯罪嫌疑人A、B、C、D、E、F，已知：A、B至少有1人作案；A、E、F三人中至少有2人参与作案；A、D不可能是同案犯；B、C或同时作案，或与本案无关；C、D中有且仅有1人作案；如果D没有参与作案，则E也不可能参与作案。请推理出谁作了案。

整个课堂教学中，学生经历了分析问题、建构数学模型、确定算法、编程实现算法的基本过程，并在两个穷举方案的制定过程中领会穷举算法解决问题的基本思路、算法优化和穷举算法的适用范围，在解决问题和完成任务中提升计算思维；教师通过组织学生讨论和归纳、思维启发等教学方式来培养学生的计算思维，从解决实际问题中亲历穷举算法的实现和知识的迁移，并且在最后设置了穷举算法的现实应用的探究，使算法的学习回归到生活中。

三、为计算思维的培养提供充分有效的教学资源

能否充分地、精心地做好课前教学资源的准备是有效培养学生计算思维的必要前提条件。笔者在穷举法教学设计的时候，利用UMN互动平台在课前向学生发布了教学资源包，包括介绍穷举算法的微课视频、穷举法设计程序导学案、程序半成品、拓展阅读材料等。这些教学资源可以让学生课前对上文中提到的任务有充分的时间去思考去预习，课后也可以对学习进行检验与补充拓展，为学生计算思维的培养和应用提供了载体。资源还包含了检测题目，提升不同层次学生的思维敏捷性和独创性。

四、制订巩固学生计算思维的多元化教学评价方案

多元化评价，一方面可以是教师对学生的评价，在 《用穷举法设计程序》一课中，笔者根据学生在学习过程中的表现以及方案完成情况来评价学生用计算思维解决问题的能力。另一方面是指学生借助导学案和评价表，完成自评和互评。笔者根据教学目标和计算思维培养目标设计了一份发展性评价表，根据表格的描述，学生在进行自评时，能清楚地知道自己掌握到什么水平。

计算思维是信息技术学科核心素养的根基，更是培养信息技术核心素养的着力点。如何将计算思维贯穿于教育教学的全过程，提升学生计算思维的意识和品质，将是今后学科研究的核心内容。笔者仅以《用穷举法设计程序》一课为例，将计算思维的培养渗透到课程教学设计中，为学生核心素养的提升、解决问题能力的提高打下基础。