例谈高中Python教学中计算思维培养的策略

高连 浙江省湖州中学

●高中Python教学中计算思维培养存在的问题

在信息技术课堂中充分挖掘教学资源，培养与发展学生的计算思维仍困难重重，充满挑战。具体表现在以下三个方面。

1.计算思维概念理解不透彻

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，然而很多教师常是机械化地完成每节课的操作任务，不能将计算思维很好地融入项目教学，无法有效传达计算思维的核心概念。

2.“解构”与“模式识别”不充分

在实际生活中，大部分学生对具体问题不会解构，而部分教师没意识到这个问题，导致在教学中遇到需要结构的问题时，没有引导学生如何思考、解构和模式识别。

3.总结、归纳不到位

在教学中，教师常采用题海战术，很少深入分析题目间的差异，并总结归纳题目之间的联系，导致学生花费大量时间做题，但无法有效提升解决问题的能力。

●高中Python教学中计算思维培养的策略

1.体验使用“计算思维”解决问题的过程

高中信息技术课程要求学生通过具体的技术操作体验，理解其背后的原理与格局、特点与局限，拓宽视野，发展思维。因此，教师可将学生的学习问题进行整合，帮助学生分析问题，并引导学生自主解决问题，培养其计算思维。

下面，笔者以编写计算机程序（Python turtle）绘制一个正方形为例，呈现引导学生使用计算思维解决问题的步骤。

正方形是四边形，相邻的两个夹角是90度，首先向Python turtle发出指令，让它画出一个正方形，调整函数的参数可以绘制不同大小的正方形。教师要引导学生做好问题的解构，使其了解更细致的内容，进而明确实际操作的步骤，即使用forward(distance)指令让小乌龟前进一个指定的距离，使用turtle.left(degree)指令让小乌龟逆时针转动90度，如下页图1所示。接着，教师引导学生可以将该问题的计算思维“灌输”给小海龟，让它根据自己的思维执行相应的动作。

图1

通过“解构”，把一个复杂问题分解成了一系列可控而容易解决的简单任务，这样能让学生明白接下来的操作步骤。具体指令如图2所示，运行结果如图3所示。

图2

图3

学生通过观察发现，绘制一个正方形，相同的指令重复了4次，使用了8行代码。若要绘制一个正六边形，则相同的指令需要重复6次，使用12行代码，只不过是转动的角度不同。基于此发现，学生便可以设计算法，解决类似的问题。

接下来，就可以引导学生利用for循环编制程序，具体如图4所示。

图4

引导学生进一步思考，他们会发现只需要进行两处修改便可以实现代码重用，可以推广到任意正多边形（如图5），运行结果如图6所示。

图5

图6

turtle绘图是一个十分有趣的算法学习方式，教师引导学生独立进行实践操作，强化了学生的计算思维，激发了学生的积极性，也使学生在计算思维的体验中明白了知识间的关联性。

2.使用算法解决数学问题，培养计算思维

具备计算思维的学生，能对问题进行抽象、分解、建模，通过设计算法形成解决方案，并将其迁移运用于解决其他问题。下面是引导学生使用算法解决数学问题的例子—欧拉计划的问题（Project Euler）。

网格路径：从一个2×2网格的左上角出发，若只允许向右或向下移动，则恰好有6条抵达右下角的路径（如图7）。那么，对于20×20网格，这样的路径有多少条？

图7

利用计算思维的解构与模式识别，会发现以下的规律：

这个网格是一个带有四个小方格的正方形。想要找到所有路径，可以选择从左上角出发，则最上面一条边的点只能是从左面过来，最左面一条边的点只能是上面点过来，所以它们都只有一种路径，而中间的点既可以是上面点过来，又可以是左面点过来。

进一步抽象之后，得到状态方程：dp[i][j]=dp[i-1][j]＋dp[i][j-1]

具体的Python程序如图8所示。

图8

3.借用多层需求与多位格局案例发展计算思维

案例：智能城市交通优化。

背景：某城市的交通问题越来越严重，交通拥堵和交通事故频发。为了解决这个问题，政府决定引入计算思维来优化交通系统。

多层需求：

市民需求—市民希望能够更快、更安全地出行，减少交通拥堵和事故风险。

环境需求—减少车辆拥堵，降低尾气排放，改善空气质量，减少噪音污染。

经济需求—提高交通效率，减少时间浪费，促进经济发展。

多位格局：

政府部门—负责制订交通规划和政策，管理交通系统运行。

车辆驾驶员—负责遵守交通规则、道路安全，确保自身行车安全。

交通管理机构—负责交通信号灯、路牌等设施的设置和维护。

解决方案：

数据收集与分析—通过城市摄像头、交通传感器等设备收集交通数据，包括车流量、拥堵情况、事故发生地点等。

算法优化与模拟—使用计算机模拟来预测交通流动情况，根据实时数据和历史数据，进行路网优化、信号灯优化等。

交通管理与协调—基于优化的结果，交通管理机构可以及时调整信号灯时间、道路限行政策等，以减少交通拥堵。

数据共享与智能导航—将优化后的交通数据共享给市民，让他们可以通过APP等方式获取实时路况信息，选择最佳路径出行。

教师利用案例引导学生利用计算思维来解决城市交通问题，启发了学生思考问题及解决问题的方式。同时，还应为学生提供相似的例题展开专题练习，巩固计算思维的培养。

根据教学实践，笔者认为例题可从以下三种来源中选取：

一是选考真题中的主观题。题目综合性强，涉及多维度的复杂问题，教师可以根据其提供的情境，进行适度的改编。

二是信息学竞赛中的相关试题。题目可能晦涩难懂，教师可通过讲解，激发学生找到化繁为简、深入浅出的表述方法，并最终达到触类旁通、举一反三的学习目标。

三是各类联考卷中的“大题”。教师可以收集并选择合适的题目，进一步抽象、提炼、整合。

总之，教师要积极培养学生的计算思维，使其能够对现实中的真实问题提出新的解决方案，创造性地解决问题。