聚焦于計(jì)算思維的高中Python教學(xué)模式探索

摘要：計(jì)算思維作為高中信息技術(shù)核心素養(yǎng)之一，是人工智能時(shí)代高中學(xué)生必備的信息素養(yǎng)和思維方式。Python編程以其簡(jiǎn)單易學(xué)、強(qiáng)大的庫(kù)等特點(diǎn)走進(jìn)高中信息技術(shù)教材，成為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的有效手段，而傳統(tǒng)的講練為主的高中信息技術(shù)課堂已無(wú)法滿足重過(guò)程、重思維、重問(wèn)題解決的Python教學(xué)。因此，本文構(gòu)建了聚焦于計(jì)算思維的高中Python教學(xué)模式，并提出具體的實(shí)施建議，以期為廣大教師提供借鑒。關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；Python編程；教學(xué)模式問(wèn)題的緣起Python編程語(yǔ)言以其簡(jiǎn)單易學(xué)、強(qiáng)大的庫(kù)等特點(diǎn)成為高中信息技術(shù)課堂培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的有效手段。但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，大部分教師仍沿用傳統(tǒng)信息技術(shù)教學(xué)授課模式，即注重理論知識(shí)講解，注重學(xué)生機(jī)械訓(xùn)練，輕視計(jì)算思維培養(yǎng)，輕視問(wèn)題解決能力遷移等，相關(guān)教育資源也十分有限。同時(shí)，大部分高中學(xué)生對(duì)編程的理解學(xué)習(xí)并不足，還停留在難度大、枯燥乏味的淺顯認(rèn)識(shí)層面，少部分學(xué)生停留在圖形化編程的印象上。因此，教師在具體的Python教學(xué)過(guò)程中，不能單純地教編程，而應(yīng)將計(jì)算思維的培養(yǎng)過(guò)程融入具體的編程教學(xué)過(guò)程中。這樣一來(lái)，如何通過(guò)Python編程教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，并提高學(xué)生的問(wèn)題解決能力，就成為亟待研究的問(wèn)題。相關(guān)概念理解1.計(jì)算思維《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）將計(jì)算思維納入核心素養(yǎng)之一[1]，指出“計(jì)算思維的培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)是‘嘗試、驗(yàn)證、修正’的試錯(cuò)過(guò)程，讓學(xué)生親歷問(wèn)題解決過(guò)程，發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維”。計(jì)算思維是一種思維過(guò)程，以解決具體問(wèn)題為導(dǎo)向，能夠?qū)⒕唧w問(wèn)題抽象化，以數(shù)字化的形式進(jìn)行理解、處理，并對(duì)解決方案不斷改進(jìn)優(yōu)化，形成一種具象化的思維過(guò)程。[2]2.Python編程語(yǔ)言Python語(yǔ)言是由荷蘭數(shù)學(xué)家吉多·范羅蘇姆于20世紀(jì)90年代初設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，其以簡(jiǎn)單易學(xué)、開(kāi)源免費(fèi)、可移植、可跨平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)[3]，成為最受編程初學(xué)者歡迎的程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言之一。Python編程的普及學(xué)習(xí)有助于培養(yǎng)高中學(xué)生的計(jì)算思維能力，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下兩方面：①簡(jiǎn)單易學(xué)。其接近通俗易懂的自然語(yǔ)言更容易理解；代碼書(shū)寫(xiě)并不復(fù)雜，可以降低學(xué)生的抵觸心理。②豐富的庫(kù)功能。其具有眾多強(qiáng)大的各種庫(kù)及擴(kuò)展包，成為智能時(shí)代的主流編程語(yǔ)言，如Pygame游戲庫(kù)、Numpy數(shù)學(xué)庫(kù)、Random隨機(jī)數(shù)庫(kù)等，有助于促進(jìn)普通高中學(xué)生的主動(dòng)性學(xué)習(xí)。聚焦于計(jì)算思維的Python教學(xué)模式設(shè)計(jì)筆者認(rèn)為，高中Python教學(xué)模式應(yīng)重點(diǎn)突出編程教學(xué)結(jié)構(gòu)、過(guò)程、方法的有機(jī)統(tǒng)一，教學(xué)模式應(yīng)由單一走向多元，由歸納走向體驗(yàn)、試錯(cuò)、演繹，由教師機(jī)械地教轉(zhuǎn)為學(xué)生理解性地學(xué)習(xí)。因此，教師應(yīng)以計(jì)算思維為核心，以高中信息技術(shù)必修Python課程為基礎(chǔ)，并結(jié)合高中信息技術(shù)教學(xué)的三維目標(biāo)（如圖1）設(shè)計(jì)教學(xué)模型。1.設(shè)計(jì)原則（1）注重結(jié)合實(shí)際創(chuàng)設(shè)探究情境合適的、有吸引力的探究意境有助于提升學(xué)生的計(jì)算思維，結(jié)合Python編程的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以以生活中有趣的問(wèn)題引入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。（2）以學(xué)生學(xué)為主體，鼓勵(lì)學(xué)生試錯(cuò)高中學(xué)生已經(jīng)能夠書(shū)寫(xiě)初始代碼，理解簡(jiǎn)單讀程，并能夠用自然語(yǔ)言描述算法。在此基礎(chǔ)上，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生不斷調(diào)試運(yùn)行，在一次次試錯(cuò)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)并解決Bug，優(yōu)化算法，理解編程的精髓。有別于其他學(xué)科的結(jié)果式答案，Python編程理想的教學(xué)應(yīng)是過(guò)程式答案，解決問(wèn)題的方法和步驟更加重要。（3）弱化考試評(píng)價(jià)導(dǎo)向，強(qiáng)化問(wèn)題解決能力培養(yǎng)筆者所在省已將Python編程納入高中學(xué)業(yè)水平測(cè)試考試科目，相比較而言，它是通過(guò)率相對(duì)較低的學(xué)測(cè)科目，原因在于其教學(xué)忽視學(xué)生編程思維的訓(xùn)練，陷入練題解題的傳統(tǒng)考試導(dǎo)向的學(xué)習(xí)方式中。因此，應(yīng)弱化考試評(píng)價(jià)導(dǎo)向，強(qiáng)化問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)，同時(shí)提升學(xué)生的計(jì)算思維水平。2.構(gòu)建“探究—試錯(cuò)—問(wèn)題解決—遷移”的教學(xué)模式計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的思路有別于傳統(tǒng)的解題過(guò)程，不僅追求結(jié)果的正確，而且追求過(guò)程的演繹正確。因此，在具體的教學(xué)過(guò)程中可以設(shè)置思維的臺(tái)階，鼓勵(lì)學(xué)生找到解決問(wèn)題的算法并將其代碼實(shí)現(xiàn)，吸引學(xué)生不斷試錯(cuò)、調(diào)試、運(yùn)行，最終解決問(wèn)題。[4]下面，筆者結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建聚焦于計(jì)算思維的高中信息技術(shù)Python教學(xué)模式（如圖2）。3.教學(xué)案例根據(jù)高一年級(jí)新生的認(rèn)知特點(diǎn)和實(shí)際學(xué)情，筆者選取了教科版“計(jì)算與問(wèn)題解決”單元《非數(shù)值計(jì)算》章節(jié)的第一課時(shí)作為案例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)（如下頁(yè)圖3），具體的教學(xué)過(guò)程如下。①（問(wèn)題分解）“猜數(shù)字”游戲?qū)?，回顧舊知，以貼合學(xué)生的情境過(guò)渡。學(xué)生根據(jù)問(wèn)題情境，分解子問(wèn)題及具體思路，運(yùn)行Python編寫(xiě)的“猜數(shù)字”游戲。計(jì)算機(jī)在0～1000中隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)，試試看要多少次才能猜中（如下頁(yè)圖4）。②（抽象模型）提出“二分查找法”，由學(xué)生完成自然語(yǔ)言描述算法。學(xué)生確定問(wèn)題解決的關(guān)鍵要素，構(gòu)建相關(guān)解題模型，運(yùn)用自然語(yǔ)言描述算法：二分查找又叫折半查找，將數(shù)列有序排列，采用跳躍式查找數(shù)據(jù)；以遞增數(shù)列為例，先以中點(diǎn)位置的元素作為比較對(duì)象，如果要找的元素值小于該中點(diǎn)元素，則將待查序列縮小為左半部分，否則為右半部分；每一次比較后都可以將查找區(qū)間縮小一半。③（算法設(shè)計(jì)）根據(jù)算法流程圖，完成代碼實(shí)現(xiàn)及算法設(shè)計(jì)。學(xué)生需要解決的問(wèn)題為：流程圖如何描述？程序代碼如何實(shí)現(xiàn)？學(xué)生通過(guò)算法分析與設(shè)計(jì)，完成代碼編寫(xiě)（如圖5）。④（算法評(píng)估）多次調(diào)試運(yùn)行。協(xié)作探究，鄰桌互助，交流評(píng)估其算法優(yōu)劣，并加以優(yōu)化。學(xué)生調(diào)試運(yùn)行程序，并自主修改部分代碼，重點(diǎn)體會(huì)循環(huán)結(jié)構(gòu)和分支結(jié)構(gòu)的書(shū)寫(xiě)格式。⑤（知識(shí)遷移）活動(dòng)拓展，學(xué)以致用，加深對(duì)遞歸算法的理解，用計(jì)算思維遷移解決新問(wèn)題。學(xué)生深入理解二分查找法，運(yùn)用二分思想解決其他實(shí)際問(wèn)題，嘗試解決二分法解方程（如圖6）。聚焦于計(jì)算思維的Python教學(xué)實(shí)施建議1.探索跨學(xué)科融合聚焦于計(jì)算思維的Python編程教學(xué)更多的是解決具體問(wèn)題，而具體問(wèn)題的分析可以抽象為具體的數(shù)學(xué)模型。[5]跨學(xué)科融合式的Python教學(xué)模式，可以建立在學(xué)生已有的數(shù)學(xué)邏輯思維能力基礎(chǔ)上，將數(shù)學(xué)的“讀題—解題—運(yùn)算—驗(yàn)證”過(guò)程，轉(zhuǎn)變?yōu)椤八惴枋觥惴ㄔO(shè)計(jì)—代碼實(shí)現(xiàn)—算法優(yōu)化”過(guò)程，降低學(xué)生認(rèn)知難度。物理學(xué)科問(wèn)題的解決也同樣如此，Python編程自帶的模塊庫(kù)，也可以作為物理實(shí)驗(yàn)的程序表示，可以突破實(shí)驗(yàn)環(huán)境和觀察數(shù)據(jù)的局限性。此外，還可以與藝術(shù)結(jié)合，進(jìn)行數(shù)字藝術(shù)創(chuàng)作等。2.探索大單元教學(xué)大單元教學(xué)是以單元為學(xué)習(xí)單位，依據(jù)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)，聚焦學(xué)科課程核心素養(yǎng)，注重情境與實(shí)踐，圍繞某一主題或活動(dòng)（大概念、大任務(wù)、大項(xiàng)目）對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整體思考、設(shè)計(jì)和組織實(shí)施的教學(xué)過(guò)程。大單元教學(xué)可以打破傳統(tǒng)的枯燥乏味的教學(xué)模式，通過(guò)多樣化的探索和實(shí)踐活動(dòng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，關(guān)注學(xué)生能力培養(yǎng)。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，教師可以根據(jù)具體的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)情選擇適合的主題，形成綜合性的學(xué)習(xí)單元，促進(jìn)學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和掌握Python編程知識(shí)。3.探索故事化學(xué)習(xí)路徑、游戲化學(xué)習(xí)體驗(yàn)將教學(xué)內(nèi)容融入到故事情境中可以讓學(xué)生在完成任務(wù)的過(guò)程中，體驗(yàn)到故事角色的成長(zhǎng)和挑戰(zhàn)。例如，在“拯救網(wǎng)絡(luò)世界”項(xiàng)目中，利用游戲化設(shè)計(jì)元素，如積分系統(tǒng)、等級(jí)挑戰(zhàn)和虛擬獎(jiǎng)勵(lì)，讓學(xué)生在