计算思维视角下信息技术校本课程跨学科设计

高萍 袁寿根

为培养学生适应终身發展和社会发展需要的必备品格和关键能力，针对过分强调学科本位、科目过多和缺乏整合的现状，本轮课程改革提倡加强不同学科之间的相互关联、相互渗透，从而改变现行课程过分强调学科本位的现象，“跨学科”教学内容设计成为本轮课程改革的重要内容。利用校本课程灵活多样性的特点，不拘泥系统知识的束缚，根据学生特点和育人目标，选择综合性项目进行跨学科课程内容设计，有利于学生充分体验跨学科方式解决问题的过程。而计算思维为各类问题的解决提供了新的策略和方法，为跨学科设计找到了信息技术学科与其他学科相互交融的纽带。

“计算思维”需要数学建模

计算思维培养需要学生经历“分析问题”“算法设计”“程序编写”及“调试运行”四个环节，其中算法设计是问题得以解决的关键。有些问题，学生通过简单的抽象就可以直接进行算法设计，但有些复杂情境中的问题，在算法设计前，还需要通过数学建模或逻辑求解才能把问题转化成可计算的问题。

案例一：模拟转盘“随机转”效果。

问题描述：指针初始位置指向0度位置，单击“go”按钮后，转盘开始转动，每次转动不同圈数，停下后，落针位置指向奖品区中央。

数学建模：如图1所示圆盘被分成8个奖品区，转盘向右每转动一格，需要转动（360/8=45）度，要保证每个奖品区都能被随机抽到，转盘转动的格子数至少是1到8之间的随机数。可视化编程实现关键部分如图2所示。

案例二：模拟转盘“减速转”效果。

在案例一转盘匀速转动的基础上，生活中转盘因为空气的阻力，转动时会出现“逐渐减慢”的效果，如何逼真模拟现实效果。

问题描述：模拟“减速”直至“停止”的转盘，动态分配每次“转动角度”，使每次转动的角度越来越小。

数学建模：把每次转动的角度构建成等比数列。假设，每次转动角度按照10%递减，推算出每次相对最后一次转动角度增长倍数。基数的角度（最后一次转的角度）等于总角度/总增长倍数，倒数第二次转动的角度等于基数角度*1.1，倒数第三次转动的角度等于基数角度*1.1*1.1，倒数第四次转动角度依次类推……可视化编程实现关键部分如图3所示。

从上面两个案例可以看出，问题之所以得以解决，关键是算法设计前的数学建模。选取与学生认知水平相当的数学知识作为建模基础，有利于学生学有所用，有利于增强学生综合应用跨学科知识的意识和能力。

“计算思维”处理物理实验数据

物理学是一门实验科学，处理物理实验数据是研究事物内在规律的重要环节。学生在验证牛顿第二定律实验中，通过实验测量获得如图4所示的数据，为了探究在质量一定的情况下，拉力和加速度存在何种数量关系，可以选择人工描点法或Excel数据拟合功能。人工描点法工作量大且不精确，Excel数据拟合功能有限。

Python作为编程语言带有丰富的第三方库：numpy是一个开源的、高性能的数值计算库，提供快速高效的数组矩阵运算。将牛顿第二定律实验数据全部通过该库转化为数组格式。Python中scipy模块的子模块optimize中提供了一个专门用于曲线拟合的函数curve_fit（）。matplotlib是Python经典的二维画图库，可以简单地画出折线图、柱状图、散点图等各类二维图像，应用该库实现数据的可视化。代码实现过程如图5所示。

程序运行结果如图6所示，通过拟合出的曲线可以看出，拉力F和加速度a之间成线性关系，同样的方法可以计算出拉力F一定的情况下，质量m和加速度a之间的数量关系，从而验证牛顿第二定律。

“计算思维”助力文本分析

计算思维是信息时代解决问题独特的方法，它不仅能处理结构化数据，还能处理非结构化数据——文本。文本分析是指对文本的表示及其特征项的选取，是文本挖掘、信息检索的一个基本问题。词频统计是计算思维在文本分析中的重要体现，是进行文本分析的重要技术。词频统计通过“计算”文件中词语的重复程度为文本分析提供依据，常用于语言学、心理学、新闻与传媒、互联网技术等领域的研究。

中学生经常需要阅读并研究名著，利用词频统计技术为学生研究文本内容提供新的方法和视野，有利于学生加深对文本内容的理解。例如，以《西游记》第九十三回《给孤园问古谈因 天竺国朝王遇偶》为例，研究文本人物出场频率。

在Python中利用文件的函数read（）先读取文本内容，调用第三方库jieba中lcut（）函数进行中文分词（如图7）。

遍历列表words，计算出列表中出现词语的次数，把词语和对应的次数作为键值对存入到字典counts中（如图8）。

为统计有效词语，设定停用词并在列表中删除（如图9）。

对字典中记录的词语次数从高到低排序，最后输出频率最高的五个词语（如图10）。

计算思维注重培养学生从“计算”的视角解决问题，让学生在问题解决的过程中形成经验模式，并把经验模式迁移到类似问题的求解中。当学生掌握词频分析技术后，可以迁移到《红楼梦》的相关文本研究中，如通过比较《红楼梦》120章回中主要人物名称出现的频率、虚词的词频、词与词之间的相关性等方面分析作者的异同情况。

创设跨学科课程旨在为学生提供现实世界的复杂情境，让他们有机会整合和运用不同学科（领域）的观念、方法和工具，生成可迁移的知识和技能。“计算”是信息时代解决问题独特的方法。笔者在校本课程中，以计算思维培养为目的，选取符合高中生认知水平的学科知识，或用数学知识建模，或解决物理实验数据处理问题，或解决文本分析问题，让学生利用信息技术学科中独特的思维方式进行跨学科学习。这样不仅打通了各学科之间的边界，而且让学生不受制于具体工具的功能或产权，体验使用编程这一通用方式解决问题，为学生终身发展和形成适应社会发展的必备品格和能力奠定基础。