阅读与实验：基于“法”“码”平衡的计算思维学习探索

焦晨潇 王爱胜

在信息科技新课程的推进中，进行一线教学资源的构建将会促进多维度课程建设与教学研究的深入开展，对建设丰富的课程生态具有积极的意义。因此，本期解码我们将探讨师生创作与利用课程资源对课程生态的重要意义。

摘要：本文以通过探索信息科技新课程中“算法”逻辑主线的课程学习以达成“计算思维”学习目标的资源创新与创作为例，分析重“法”轻“码”认知产生的学习瓶颈，采用类比阅读与数据实验的创新方式，尝试探索贴近学生年龄特点的故事化“跨学科阅读”与“不插电阅读”的系统化设计，以“法”“码”平衡为信息科技课程的“计算思维”探索趣味化的深度学习资源，助力丰富的课程生态建设。

关键词：计算思维；类比阅读；数据实验

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）01-0025-04

随着《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）的颁布，“计算思维”成为信息科技课程培养学生核心素养的重要内容，而“算法”这一逻辑主线将贯穿中小学信息科技课程。因此，如何更好地转向以算法为逻辑线索的计算思维教育，共建中小学一体化的信息科技課程新形态变得十分重要。鉴于“计算思维”与“算法”在中小学信科技课程中的重要地位，笔者基于“法（算法）”“码（代码）”平衡的视角，尝试系统探索程序、算法学习与计算思维培养融合的阅读设计与数据实验。

“法”与“码”平衡的课程生态分析

由于新课标重视“算法”认知，在一定程度上弱化了“代码”编程，而更倾向于用“码”验“法”的算法验证，因此，如何通过技术实验、数据验证来学习算法成为新的研究方向。另外，受中考、学考及高考等的影响，对以代码（C++、Python）编程为载体的程序、算法、计算思维的考查仍因极具“可操作性”而难以摒弃，要在短期内弱化“代码”的“支撑”作用，还存在很多困难。算法设计如果用“纸质的形式化推演”来代替编程，会在算法深刻体悟、效率直观认知及知识局限等方面发生“歧变”，单纯的课堂学习也易走上“务虚”的说教式形式主义，更多教师会让也不得不让学生通过补学“代码”来打基础，这样就会增加学生的课业负担。因此，笔者基于计算思维的构成要素，提炼基础算法思想，浓缩中小学生必备程序知识，运用学生喜闻乐见的武侠故事设置学习情境，架构类比阅读的学习资源，从易到难，环环相扣，形成“阅读学算法，不插电学编程”的新思路，让学生在一个个精彩的故事中学习计算思维与算法，提高对算法与程序设计的整体认知。这种追求生动的课外阅读活动，以故事类比阅读帮助学生轻松了解、掌握算法思想与程序设计，培养了学生的计算思维、算法思想与工程思维，助推了信息科技课程系统、有机的“法”“码”平衡学习生态建设。

阅读设计：对程序、算法与计算思维进行拟人故事化处理

笔者在创作《编程江湖》一书时，以拟人化的系统故事情境及虚拟的武侠小说对“算法”“计算思维”与“程序”进行融合学习设计。全书分三卷、九章、三十六回，在寻剑、弩攻、争锋的故事场景中，把各种计算语言作为江湖门派，生动有趣，以程序实例和人物性格展现算法与语言的特点，用剑术、剑法、剑道类比程序知识、算法思想和计算思维，以盘龙阵、飞花令、套娃、击剑比赛、剑法擂台赛及算术动物园、派森英雄榜等趣味程序项目实践来降低认知难度，提高学习效益。

故事情境、人物语言与行为具有亲和力和形象感是阅读设计的效度要素。例如，人物的知识与技术融合中国功夫、兵家阵法等文化元素，以提高对编程技术与算法的理解力和应用性；程序范例结合古今中外的经典案例与优秀算法，以提高算法学习的典型性与可操作性。故事中的人物相对独立，但在学习中会将他们作为一个“程序、算法与计算思维的编程能力”整体来对待。例如，派森恩喜“剑术”，是Python编程知识的形象类比；韩青锋会“剑法”，是算法思想的形象类比；姬思木懂“剑道”，是计算思维的形象类比。众所周知，计算思维、算法与程序设计常需要融合学习，在阅读中，读者自然吸取各人之长，视他们为一个团队，或同一个“真实人”的多项能力。读者在学习之外，会逐步兼具三人优秀品质，规避如姬思木体质柔弱、派森恩话多语碎、韩青锋沉默寡言等“暗喻”的缺陷。整个故事的发展，也正是三人相互促进、扬长避短、克服缺点的成长过程，如姬思木“健康”了（暗喻计算思维强化实践），韩青锋“爱笑”了（暗喻算法生动有趣），派森恩“务实”了（暗喻程序知识学以致用）等，对读者极具不断成长的教育意义。

类比演绎：把程序知识通俗融入算法与计算思维

类比式演绎知识与实践，是对较难理解的技术、原理有效“破壁”的策略之一，为教师“阐释”和学生“理解”提供桥梁作用。在《编程江湖》一书中，笔者不仅发挥了常规类比的作用，还以故事来演绎类比，让过程更具可读性。

第一，程序知识的类比演绎。例如，以基本功类比“交互式”程序命令，将“套路”演绎程序作为指令整体的“算法”流程意义。将输入、运算、输出类比为“吸气”“运气”“呼气”的基本过程，将int（）、round（）函数类比成“断舍离”剑术，将字符串的切片类比成“斩蜂群”，将列表和复合列表类比成“盘龙阵”和“群龙阵”，以及将自定义函数和调用类比成“战队”与“指挥”，在故事演绎中用各种生动、形象、贴切的类比让学习更有趣、理解更有效。

第二，算法设计的类比演绎。通过在行军中对顺序、判断和循环的类比演绎，不断发展到在战斗中“弩攻”时循环发射及死循环、中断等类比演绎，扣人心弦又直观有趣。对难度较大的“递归”算法，以套娃类比演绎，以“剑法”演绎递归过程，准确把握递归结构与特点。在对数据搜索算法阐述时，以“寻箭”演绎，对照草地上的矩阵划分，让算法可懂又可用。对“排序”等算法，更是用大量篇幅进行剑法类比演绎，如在擂台赛时把标准函数类比为“一剑封喉”的剑法，将“桶排序”类比为挑水舞蹈，将“冒泡排序”类比成冒泡剑法，将“插入排序”类比成插扑克牌游戏等，通过类比对基础算法的描述、特征、应用、功能进行演绎，让算法变得好玩、好懂、好用。

第三，计算思维的类比演绎。一方面，笔者将计算思维的分解、抽象、模式、算法进行故事演绎。例如，用“各个击破”分解猴群，用“化繁为简”的简笔画探查敌情，用“照猫画虎”识别背单词的词序模式。另一方面，通过有一定规模的作品设计，如“飞花令”“口算游戏”“剪刀石头布”“派森英雄榜”等，融合计算思维与工程思维进行作品创作，让学生系统体验需求分析、问题分解、模块化设计、抽象建模、技术迭代与产品泛化的计算思维综合应用，培养了学生的数字素养与技能。

数据实验：用数据测试、观察、分析、揭示算法的过程与功能

为直观地体验、理解算法，笔者设计了“数据实验”开展各种方式的数据观察，不仅提供如字符串、列表、数据类型等程序设计知识进行“程序执行过程的数据观察实验”，更以“武功秘笈”的形式提供数据实验“模板”，以“简约高效”的实验策略进行数据观测与分析。例如，用“运行时间差异实验”直观对比不同算法的运行效率，实验过程如图1所示。

测试数据要具有可实验的样本效益，要么现场采集数据，要么提前准备数据文件，还可以随机生成数据等。现场采集的风险非常大，因为采集失败或数据质量对后期教学影响是巨大的。提前准备数据文件，文件形式可以是文本文件或电子表格等。因电子表格读取需要安装并引入pandas库，且数据存储、读取要符合规范，所以使用時须谨慎。文本文件相对容易操作，但文本文件读取时有不同的格式。

为此，笔者在实验中引导观察，使用“容错”方法改进实验，既体现了计算思维的技术细节“迭代”思维，又渗透了算法通用化的“泛化”思维。例如，对不同文本文件格式的容错测试可用try/except来适应多种数据提供模式，代码如图2所示。

综上所述，笔者通过通俗阅读算法故事，类比演绎算法基本思想和计算思维基本要素，降低认知难度，即通过数字素养与技能培育为信息科技课程的实施助力，通过构建丰富的课程资源为“法”“码”平衡的课程生态大厦添砖加瓦。

参考文献：

[1]王爱胜.编程江湖[M].北京：清华大学出版社，2023.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.