基于計(jì)算思維培養(yǎng)的“python選擇結(jié)構(gòu)”教學(xué)設(shè)計(jì)

汪慧

【摘要】計(jì)算思維可以讓學(xué)生從多元化的視角用信息技術(shù)學(xué)科思維方式理解信息世界，進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)課程的改革與重構(gòu)。根據(jù)python程序設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)，將python程序設(shè)計(jì)的理論與計(jì)算思維的原理有機(jī)結(jié)合起來，并把計(jì)算思維中一系列方法運(yùn)用到課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，提高學(xué)生的信息素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維;python;程序設(shè)計(jì)

新課標(biāo)指出：“計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)。具備計(jì)算思維的學(xué)生，在信息活動(dòng)中能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問題，抽象特征，建立結(jié)構(gòu)模型，合理組織數(shù)據(jù);通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案;總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中?！盵1]這里特別突出了計(jì)算思維的重要性并對(duì)其提出了具體要求。初中信息技術(shù)課程中該如何通過編程教學(xué)體現(xiàn)計(jì)算思維呢？我們以華中科技大學(xué)出版社初中信息技術(shù)八年級(jí)“Python選擇結(jié)構(gòu)”為例進(jìn)行了初步探討。

【基于計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)案例】

Kuster等理解的計(jì)算機(jī)思維內(nèi)涵是數(shù)據(jù)分析、算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及數(shù)學(xué)建模的一個(gè)綜合體。這個(gè)綜合體不是一蹴而就的，而是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，需要有針對(duì)性地對(duì)課堂教學(xué)加以培養(yǎng)。我們?cè)O(shè)計(jì)了一節(jié)以計(jì)算思維的培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)案例——身體質(zhì)量指數(shù)BMI。

本節(jié)課的教學(xué)流程大致分為以下幾個(gè)階段。

一、明確任務(wù)

任務(wù)：編寫一個(gè)根據(jù)體重和身高計(jì)算BMI值的程序，并同時(shí)輸出國(guó)際和國(guó)內(nèi)的BMI指標(biāo)建議值。

學(xué)生活動(dòng)一：分組完成表格1，了解并記錄本組成員的體重、身高。閱讀資料了解BMI的基本指標(biāo)。

了解BMI的基本指標(biāo)。BMI通過人體體重和身高兩個(gè)數(shù)值獲得相對(duì)客觀的參數(shù)，并用這個(gè)參數(shù)所處范圍衡量身體質(zhì)量。BMI的定義如下：

BMI=體重（kg）/身高的平方（m2）

例如：一個(gè)人身高1.78米，體重78公斤，他的BMI值為23.67。

BMI值可以客觀地衡量個(gè)人的肥胖程度或者說健康程度。世界衛(wèi)生組織（WHO）根據(jù)對(duì)全球人口體重的統(tǒng)計(jì)認(rèn)為，BMI值低于18.5kg/m2時(shí)屬于“過輕”，表明個(gè)體可能營(yíng)養(yǎng)不良或飲食無法保障;BMI值高于25m2時(shí)屬于“過重”。

二、分析問題，建立數(shù)學(xué)模型

學(xué)生活動(dòng)二：將文字材料分析成能用計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)問題，并列出IPO描述。

輸入：身高和體重值。

處理：計(jì)算BMI值，并根據(jù)BMI指標(biāo)分類找到合適分類。

輸出：打印指標(biāo)分類信息。

計(jì)算思維：通過輸入、處理、輸出對(duì)問題進(jìn)行分析，化難為易，將一個(gè)衡量個(gè)人健康程度的問題分解成簡(jiǎn)單的計(jì)算與數(shù)據(jù)對(duì)比問題，從而使學(xué)生找到解決問題的思路，建立數(shù)學(xué)模型。

三、確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法

采用if-elif-else多分支結(jié)構(gòu)對(duì)BMI數(shù)值按照不同區(qū)間范圍進(jìn)行分類。

學(xué)生活動(dòng)三：了解三種分支語句，從單分支語句開始判斷，找出最合適的判斷語句，根據(jù)判斷語句，分析BMI區(qū)間值判斷個(gè)人健康程度，思考表2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)如何同步。

判斷表2中的4種情況，是并列的關(guān)系，可以使用多分支語if -elif-else來寫代碼。

計(jì)算思維：計(jì)算思維是用來解答問題的，它將實(shí)際生活中的問題以抽象化和程序化的形式表示出來。在程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過程中，要注意培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)已有知識(shí)體系提出問題、解決問題的能力[2]。本例采用問題分解法，先將問題分解成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)兩項(xiàng)，再將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中4種情況的關(guān)系找出來，轉(zhuǎn)化成4個(gè)小問題，找出合適的語句，將一個(gè)復(fù)雜問題分解成幾個(gè)問題，再細(xì)分成一個(gè)個(gè)具體的小問題，用學(xué)生已有的知識(shí)體系解決復(fù)雜問題。

四、算法實(shí)現(xiàn)

學(xué)生活動(dòng)四：根據(jù)數(shù)學(xué)模型，將任務(wù)適當(dāng)分解為子任務(wù)，根據(jù)算法分析選擇多分支語if-elif-else書寫代碼。

計(jì)算思維：①分解——分解是對(duì)整體任務(wù)進(jìn)行合理的功能模塊劃分，將總?cè)蝿?wù)分解成可以單獨(dú)解決、獨(dú)立開發(fā)的子任務(wù)，減少一次要處理的任務(wù)負(fù)荷，使復(fù)雜的問題得到較容易的解決。在算法實(shí)現(xiàn)的過程中采用分解思維，將總?cè)蝿?wù)分解為兩個(gè)子任務(wù)：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。找出4種情況的關(guān)系，選擇合適語句寫出代碼。②算法思維——算法是一系列的計(jì)算步驟，用來將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成輸出結(jié)果，是計(jì)算機(jī)問題求解中非常重要的步驟，在分析清楚問題后，需要通過設(shè)計(jì)算法把問題的數(shù)學(xué)模型或處理需求轉(zhuǎn)化為使用計(jì)算機(jī)解題步驟，然后將算法實(shí)現(xiàn)為程序，最后在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，從而得到問題的解。把算法理解透徹，成為習(xí)慣思維，自然而然地就成為計(jì)算思維。③評(píng)估——確保當(dāng)前的解決方案是最優(yōu)的。比較實(shí)例代碼BMIv1和實(shí)例代碼BMIv2可以看到if語句的運(yùn)用主要與程序編寫者對(duì)問題的理解及算法設(shè)計(jì)有關(guān)，采用一組if語句將兩套BMI指標(biāo)融合在一起，實(shí)際上是算法的改變。程序的簡(jiǎn)潔性和可讀性都比更少的代碼行數(shù)重要。這里，評(píng)估BMIv1的方式編寫程序?yàn)樽顑?yōu)方案。

五、程序調(diào)試

學(xué)生活動(dòng)五：運(yùn)行程序，搜集數(shù)據(jù)，填寫表格1《學(xué)生健康情況》，并對(duì)學(xué)生健康情況進(jìn)行分析，找出其規(guī)律。

計(jì)算思維：學(xué)生通過算法實(shí)現(xiàn)程序，并由程序的自動(dòng)執(zhí)行來搜集數(shù)據(jù)。

本教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)緊緊圍繞計(jì)算思維的操作性定義和編程的四個(gè)基本步驟展開，從當(dāng)前最受關(guān)注的健康問題說起，引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用計(jì)算機(jī)來解決問題。通過主動(dòng)、有意識(shí)地將計(jì)算思維培養(yǎng)融入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，不僅有利于學(xué)生理解程序設(shè)計(jì)的方式和方法，而且有利于學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科的獨(dú)特思維來求解專業(yè)問題，培養(yǎng)學(xué)生面向未來發(fā)展的能力。只有當(dāng)計(jì)算思維成為一種本質(zhì)的、所有人都具備的思維方式，使計(jì)算思維成為人類活動(dòng)的整體，才能激發(fā)人們對(duì)科學(xué)探索的興趣，使計(jì)算思維成為一種常識(shí)。作為提升學(xué)生信息素養(yǎng)的中小學(xué)信息技術(shù)課程，也應(yīng)該承擔(dān)起計(jì)算思維培養(yǎng)的重任[3]。

【參考文獻(xiàn)】

[1]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì)，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]丁金鳳，李英梅，徐建山，等.基于計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（15）：65-68.

[3]王榮良.計(jì)算思維對(duì)中小學(xué)信息技術(shù)課程的影響初探[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2012（27）.