培養(yǎng)計算思維在高中信息技術(shù)教學(xué)中的實踐

梁善禮

摘要：計算思維是信息技術(shù)學(xué)科極其突出的核心素養(yǎng)之一，最能體現(xiàn)信息技術(shù)的學(xué)科價值。在《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》中，計算思維被確定為四大核心素養(yǎng)之一。從多年教學(xué)實踐來看，計算思維培養(yǎng)應(yīng)是信息技術(shù)教學(xué)過程中應(yīng)注重的潛移默化中培養(yǎng)的思維方式。它必然會促進學(xué)生在信息社會的適應(yīng)能力，計算思維的教與學(xué)是信息時代的需要，每個學(xué)生需要培養(yǎng)計算思維。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)課;計算思維

一、什么是計算思維

（一）計算思維概念

計算思維是美國梅隆大學(xué)周以真教授于2006年提出的：“計算思維是指運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動”。

計算思維是一種建立在計算機科學(xué)概念基礎(chǔ)上的思維方式，它不局限于計算機。實質(zhì)上計算機只是工具，真正的核心是人類借助于計算機強大計算能力求出自己的思考問題的解。而這些問題如何抽象出來，如何轉(zhuǎn)化成算法，如何自動化運算實現(xiàn)的過程就是計算思維的過程。

計算思維是一種思維習(xí)慣和思維品質(zhì)，依附于問題解決過程，強調(diào)抽象概括能力和邏輯思辨能力。

（二）特征

計算思維的本質(zhì)特征是抽象和自動化。它反映了計算的根本問題，即什么能被有效的自動進行。計算是抽象的自動執(zhí)行，自動化需要某種計算機去解釋抽象。

計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，可以完全用符號來表示，其中，數(shù)字抽象只是一類特例。與數(shù)學(xué)相比，計算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復(fù)雜。數(shù)學(xué)抽象的特點是拋開現(xiàn)實事物的物理、化學(xué)和生物等特性，僅保留其量的關(guān)系和空間的形式，而計算思維中的抽象卻不僅僅如此。堆棧是計算學(xué)科中常見的一種抽象數(shù)據(jù)類型，這種數(shù)據(jù)類型就不可能像數(shù)學(xué)中的整數(shù)那樣進行簡單的相“加”。算法也是一種抽象，也不能將兩個算法簡單地放在一起實現(xiàn)一種并行算法。

抽象層次是計算思維中的一個重要概念，它使人們可以根據(jù)不同的抽象層次，進而有選擇的忽視某些細節(jié)，最終控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。在分析問題時，計算思維要求將注意力集中在感興趣的抽象層次或其上下層，還應(yīng)當(dāng)了解各抽象層次之間的關(guān)系。

計算思維中的抽象最終是要能夠機械的一步一步自動執(zhí)行。為了確保機械的自動化，就需要在抽象過程中進行精確和嚴格的符號標記和建模，同時也要求計算機系統(tǒng)或軟件系統(tǒng)生產(chǎn)廠家能夠向公眾提供各種不同抽象層次之間的翻譯工具。

（三）計算思維的優(yōu)點內(nèi)容

優(yōu)點：

計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人將問題抽象然后再交由機器執(zhí)行。計算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由個人獨立完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計。

內(nèi)容：

計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，并完全用符號來表示，其中，數(shù)字抽象只是一類特例。

與數(shù)學(xué)和物理科學(xué)相比，計算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復(fù)雜。數(shù)學(xué)抽象的最大特點是拋開現(xiàn)實事物的物理、化學(xué)和生物學(xué)等特性，而僅保留其量的關(guān)系和空間的形式，而計算思維中的抽象卻不僅僅如此，他需要抽象后，找出解決問題的辦法，并通過自動化運行求出解。是一種利用海量數(shù)據(jù)加工計算，在時間和空間之間，在處理能力和存儲容量之間進行折中的思維方法。

二、生活中的計算思維

【實例】假如公寓樓有4部電梯，你現(xiàn)在正在12樓，準備下樓。當(dāng)前各電梯狀態(tài)為：1號電梯在底樓靜止狀態(tài)，2號電梯在24樓向下行，3號電梯在11樓向上行，4號電梯在16樓向上行。請思考，最好的電梯安排是讓幾號電梯接你。

【分析】很多人想到的是讓靜止的1號電梯上來接人，但這不是最優(yōu)方案，因為經(jīng)濟成本不劃算。電梯運行既要考慮是否為空閑狀態(tài)，又要考慮運行成本。還有電梯運行的方向和趨勢。在電梯設(shè)置算法時要根據(jù)多方面要求進行設(shè)計，再判斷出最優(yōu)方案。同時，也不是離你最近的3號電梯來接你，因為他的趨勢是向上。所以這里最優(yōu)的方案是讓下行的2號電梯來接人，這樣是成本最劃算的。

這反映到計算機中，就是利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的棧和隊列等原理來實現(xiàn)，通過貪心算法等進行處理后，得出最優(yōu)方案，指揮電梯工作。

這個實例問題的解決就是運用計算思維解決問題的方式，其思維過程實質(zhì)就是將問題抽象描述出來，再將問題解決方案通過計算機運算表達出來。

三、培養(yǎng)計算思維實踐

在高中信息技術(shù)教學(xué)的二十余年的實踐中，特別是開展編程及EXCEL等數(shù)據(jù)處理類軟件教學(xué)中，深刻體會到計算思維對學(xué)生帶來的潛在影響。創(chuàng)新教學(xué)策略，其本質(zhì)是運用計算思維的基本方法進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和理解他人行為，解決生活和學(xué)習(xí)中的實際問題。

下面是我教學(xué)實踐中的一個案例，探索運用計算思維求解問題的三個步驟：描述問題，組織數(shù)據(jù);抽象數(shù)據(jù)類型，尋找自動化方案;實施自動化方案，解決問題。逐步實現(xiàn)計算思維的潛移默化的影響和作用。

【案例】某單位需要統(tǒng)計實發(fā)工資。工資分為兩部分，固定收入部分，變化的支出部分。工資高于5000元的還要上個人所得稅，最終算出結(jié)果，并給出上報統(tǒng)計表。根據(jù)問題描述，幫助該單位會計做上報統(tǒng)計表。

【思路分析】嘗試讓學(xué)生運用“任務(wù)驅(qū)動”方式和“項目教學(xué)”方式去“分析問題”和“解決問題”，應(yīng)用于解決問題的具體實踐。

（一）描述問題，組織數(shù)據(jù)

第一步是根據(jù)現(xiàn)實問題描述，合理組織數(shù)據(jù)，首先將復(fù)雜問題化簡，轉(zhuǎn)化為子問題。第一步，建立上報統(tǒng)計表的表頭，第二步，獲取工資表中固定收入工資信息;第三步，導(dǎo)入及輸入變化的支出部分;第四步，利用函數(shù)及公式自動統(tǒng)計實發(fā)工資。

（二）抽象數(shù)據(jù)類型

根據(jù)常規(guī)解決問題步驟，分析：從計算機解決問題的角度理解，需要獲取哪些計算機能自動執(zhí)行的必要數(shù)據(jù)？也就是對常規(guī)問題的步驟進行模型抽象，找出自動化執(zhí)行的本質(zhì)性操作。引導(dǎo)學(xué)生分析和列舉哪些計算機工具可實現(xiàn)操作的有序步驟（計算算法思想）。具體如下：

【表頭創(chuàng)建】選用EXCEL作為工具，新建工作薄，制作表頭，表頭包含工號、姓名、日期、崗位工資、基礎(chǔ)績效、薪級工資、保留津貼、公積金等。

【計算】實發(fā)工資=崗位工資+基礎(chǔ)績效+薪級工資+保留津貼等

【篩選】篩選出工資大于5000的記錄，并計算出個人所得稅。

（三）實施自動化方案，解決問題

建立完整的表格形勢，并對變化項目進行自動計算，由此得出最終結(jié)果。每月只需要改變變化的數(shù)據(jù)，EXCEL即給出實發(fā)工資。

四、計算思維在教學(xué)中的價值

計算思維的提出為信息技術(shù)教學(xué)提供了思路，也為高中信息技術(shù)課程指明了方向，也意味著信息技術(shù)不是單一的應(yīng)用工具學(xué)科。它培養(yǎng)學(xué)生具備現(xiàn)代信息社會所需要的計算思維能力，正如語文培養(yǎng)語言能力和文學(xué)素養(yǎng)，數(shù)學(xué)和物理培養(yǎng)邏輯思維和空間想象能力，英語培養(yǎng)語言能力一樣，計算思維是信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)的核心價值所在。計算思維可以讓學(xué)生以一個多元化的視角理解信息世界，解決信息社會面臨的問題。同時也是培養(yǎng)學(xué)生具備適應(yīng)人工智能時代的能力。

參考文獻：

[1]培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)樣本課程研究曹曉明安娜

[2]培養(yǎng)計算思維的教學(xué)策略與創(chuàng)新實踐張長水

[3]高中信息技術(shù)課程蘊含的計算思維分析張學(xué)軍郭夢婷李華