初中信息科技算法设计思维培养策略探析
时间：2022-12-06 19:40:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王孝龙
（福鼎市第六中学，福建 福鼎 355200）
随着《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》（以下简称“新课标”）［1］的公布，信息科技正式从综合实践活动独立出来成为一门国家课程。新课标明确指出计算思维作为学科核心素养的核心因素，是培养学生初步具备解决问题能力的关键，算法设计是问题解决过程中的重要计算思维活动。面对一个复杂问题，设计算法形成解决方案是学生具备计算思维的显著特征。因此，算法设计的本质是基于计算思维的活动［2］。但是，在初中信息科技教学中，往往把算法设计作为程序设计教学的一部分，认为只有程序设计才用到算法，算法设计就是教学生画流程图、调试程序，忽视了算法设计培养的实质意义是发展学生的计算思维。为此，笔者以初中信息科技课堂活动设计为抓手，通过探讨算法设计思维在课堂活动中的培养策略，以期探索一条发展学生计算思维的理想路径。
Cynthia Selby 和John Woollard 两人在《计算思维：发展中的定义》一文中将计算思维划分为五个维度：抽象、分解、算法设计、评估和概括，并认为它是一种解决问题的方法，包含了以上五个方面的思维过程［3］。其中，抽象是计算思维的基础，作为一个科学概念，抽象被定义为一种思维过程，指“对具体事物的本质属性进行概括，而舍弃非本质的”。在计算机处理任务时，抽象是对复杂的任务建立系统模型；
在解决大型问题时，分解是必需的，它是计算思维的核心，将复杂的系统转化为多个子任务，或者对方案进行分解，可以解决很多复杂问题；
算法设计是最重要的计算思维，在计算机中算法是表示一组有序的清晰的指令，算法设计是按照定义好的明确的步骤来求解问题的思想；
评估是对解决问题的方法进行评估以求得最佳方法；
概括是提取解决问题的方法，形成经验或者对原有的方法进行改造，用于解决下一个问题。按照Selby 和Woollard 博士关于计算思维内涵的界定，计算思维的五个维度既是解决问题的整体思维，又可以理解为某一方面具体的思维活动。因此，文中提及的算法设计是计算思维的一个维度，是运用计算思维解决问题必须经历的思维活动，培养学生的算法设计思维目的是发展学生的计算思维。
新课标提出信息科技学科核心素养的不同学段特征，初中学生通过信息科技活动应能提取问题的基本特征，制订解决问题的方案。在设计课堂活动时，教师可以将课堂教学内容与计算思维的算法设计培养有机结合，关键是教师要充分挖掘与算法设计相关的教学内容，培养学生解决问题的能力，发展学生的计算思维。在初中信息科技课堂教学算法设计思维培养中，教师可结合教学内容设计课堂活动中的某个环节，也可结合教学内容设计一堂完整的课堂活动。本文以福建省义务教育教材《信息技术》（初中版2020 年修订）为例，对培养学生算法设计思维的课堂活动设计进行探讨。
（一）在课堂活动某个环节培养算法设计思维
计算思维的五个维度，既是整体的思维活动，也是某一方面具体的思维活动。教师在初中信息科技课堂某一活动环节教学中，可以结合教学内容的需要，基于对学生算法设计思维的培养进行设计。
例如，如何引导学生理解二分查找算法呢？教师可以在“猜价游戏”编程环节中设计一个游戏活动环节，首先教师应为学生设置一个情境问题，然后让学生分组来猜展品的定价，每组都有10 次机会，猜对定价有奖励。
第一组猜价的规则是：没有任何提示，学生随意猜定价，猜到10 次论输赢。第二组猜价的规则是：学生随意猜测定价，每次，主持人都会根据猜测价格和定价的比较来提示是“高”还是“低”。第三组猜价的规则是：主持人给出展品的定价区间，如100 元到10000 元之间（没有小数），请学生猜一个定价如10000 元，根据猜价与定价的比较，主持人宣布“高了”，这时学生以减半（或加倍）的方法继续猜下一个定价，直到猜对为止。游戏结束，引导学生讨论哪一组规则更容易猜对价格，得出第三组规则的优势，引出二分查找的算法，最后引导学生用算法来描述游戏的活动方案，从而形成解决问题的方案。
从这个案例可以看出，即使是设计课堂活动的某一环节培养学生计算思维的算法设计维度，也要遵循计算思维培养的一般规律。计算思维是学生在解决问题过程中运用计算机科学的思想形成问题解决方案的思维活动［1］，算法设计是运用计算思维解决问题表征出来的一种思维活动，离开了计算思维培养的一般规律，算法设计仅仅是程序设计教学环节中的一个步骤，而非思维培养。
（二）在整堂课活动设计中培养算法设计思维
教师可以基于算法设计结合教学内容设计一节完整的课堂活动，这不仅能培养学生的算法设计思维，而且能培养学生计算思维的多个维度。在编程模块教学中，基于对学生计算思维算法设计的培养，结合编程教学的特点，一节完整的课堂活动设计可以包含五个步骤：第一步是分析问题，学生能从编程任务中识别问题的特征，建立问题模型，并能对问题进行分解，养成主动思考问题的习惯，从整体上把握需要解决的问题。第二步是设计算法，学生能把问题以具体的步骤呈现，并能用自然语言进行描述或画出流程图。第三步是编写调试程序，学生能够在具备解决问题思想的基础上进行实践应用，使用计算机来解决问题，是对问题分析和算法设计的大胆验证。第四步是测试优化，对自己的程序进行测试和评估，对作品作进一步的优化处理，以求得对编程作品有最佳的答案。第五步是展示交流，学生在相互展示作品的基础上，相互吸纳对方的建议，对解决问题方法有了更深刻理解，形成自己的经验。
下面以《信息技术》七（下）“设计一个小游戏”的课堂活动设计（见表1）为例来分析如何基于对学生算法设计思维的培养，达到培养学生计算思维的五个维度。
表1 “设计一个小游戏”课堂活动设计与说明
（续表）
上述案例“设计游戏程序”是一项综合活动，建议安排2 个学时，以编写游戏程序为活动主题，综合运用三种结构程序设计，引导学生从制订“猜价游戏”的活动规则出发，让学生体验用C 语言设计程序并通过计算机实现游戏功能的全过程，从而学习“根据实际需求，设计方案和用电脑解决问题”的方法。在开展本活动之前，学生已经具备初步的计算思维，对计算机解决问题的步骤有一定了解，能画出流程图，基本掌握程序设计的三种基本结构，能熟练使用Dev-C++编译环境，能编写简单的程序，但学生对编写像猜价游戏这样综合性较强的程序还是有一定难度的。通过本次课堂活动，学生的计算思维目标能达到对特定的游戏项目任务进行分析，确定问题，设计问题解决方案，画出流程图，以C 编程实现。从本案例的实施效果可以发现，计算思维的五个维度在解决复杂问题过程中是一个整体。基于学生计算思维算法设计的课堂活动，不仅可以提升信息科技课堂的教学效果，而且能更好地培养学生具备计算思维解决问题的能力。
算法设计思维是计算思维的重要维度，培养学生的算法设计思维必须遵循运用计算思维解决问题的一般规律。在初中信息科技课堂教学中，教师可以结合教学内容，基于算法设计思维的培养来设计课堂活动的某一环节或整堂课活动，这不仅可以提高教学效果，而且能培养学生具备计算思维解决问题的能力，发展学生的计算思维。
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