基于計(jì)算思維培養(yǎng)的Python語(yǔ)言教學(xué)流程探索 論文

基于計(jì)算思維培養(yǎng)的Python語(yǔ)言教學(xué)流程探索——以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)《計(jì)算存款總額》為例摘要：本文以教科版高中信息技術(shù)教材必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》第2單元項(xiàng)目式學(xué)習(xí)《計(jì)算存款總額》為例，把運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題的過(guò)程融入到創(chuàng)設(shè)情境、分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)算法并解決問(wèn)題、實(shí)施反饋、項(xiàng)目遷移和分享總結(jié)六個(gè)教學(xué)流程中，從而對(duì)基于計(jì)算思維培養(yǎng)的Python語(yǔ)言教學(xué)流程進(jìn)行新的探索。關(guān)鍵詞：計(jì)算思維、Python、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、教學(xué)流程計(jì)算思維的概念自2006年提出以來(lái)，一直受到國(guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注，尤其在教育領(lǐng)計(jì)算思維已成為第四種學(xué)生必備的基本能力。而計(jì)算思維的一種重要應(yīng)用方向是在編程領(lǐng)域，在眾多編程語(yǔ)言中，Python語(yǔ)言因其簡(jiǎn)單明了、高效直接、接近自然語(yǔ)言等眾多優(yōu)點(diǎn)而成為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的首選工具。鑒于此，對(duì)Python編程語(yǔ)言在高中信息技術(shù)課程中的教學(xué)流程新模式有必要進(jìn)行積極的探索。傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言教學(xué)，老師教學(xué)的起點(diǎn)往往是編程語(yǔ)言的基礎(chǔ)知識(shí)，包括常量、變量、數(shù)據(jù)類(lèi)型、各種語(yǔ)句、各種運(yùn)算符與表達(dá)式等，而后是Python的算法設(shè)計(jì)及程序結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，再應(yīng)用明顯可以使用編程解決的案例進(jìn)行教學(xué)展開(kāi)。本文提出基于計(jì)算思維培養(yǎng)的Python分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)算法并解決問(wèn)題、實(shí)施反饋、項(xiàng)目遷移和分享總結(jié)六個(gè)教學(xué)流程中，并從計(jì)算思維的問(wèn)題界定、問(wèn)題分解、模式匹配、數(shù)據(jù)表達(dá)與抽象、算法設(shè)計(jì)、評(píng)估反思的幾個(gè)方面進(jìn)行深入分析。其具體流程如下圖：?jiǎn)栴}分解算法設(shè)計(jì)模式匹配導(dǎo)入案例問(wèn)題分解算法設(shè)計(jì)模式匹配導(dǎo)入案例提出問(wèn)題任務(wù)驅(qū)動(dòng)開(kāi)展教學(xué)組織討論組織分組任務(wù)分享評(píng)價(jià)展示項(xiàng)目情境和問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)、解決問(wèn)題下發(fā)分組任務(wù)開(kāi)展評(píng)價(jià)創(chuàng)設(shè)情境分析問(wèn)題設(shè)計(jì)算法解決問(wèn)題實(shí)施反饋?lái)?xiàng)目遷移分享總結(jié)問(wèn)題界定數(shù)據(jù)表達(dá)與抽象評(píng)估反思理解情境明確問(wèn)題運(yùn)用計(jì)算思維分析、表達(dá)、解決問(wèn)題分組討論交流分享教學(xué)過(guò)程學(xué)生行為圖1：基于計(jì)算思維培養(yǎng)的Python編程教學(xué)流程下面以項(xiàng)目“計(jì)算存款總額”為情境，先提出初級(jí)問(wèn)題“計(jì)算利率不變情況下的到期存款總額”，之后逐漸增加問(wèn)題的復(fù)雜度，提出高級(jí)問(wèn)題“計(jì)算利率變動(dòng)情況下的到期存款總額”。對(duì)于初級(jí)問(wèn)題，學(xué)生可能會(huì)使用順序結(jié)構(gòu)算法來(lái)解決問(wèn)題。對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題，則需要使用循環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)算法。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)體現(xiàn)出順序結(jié)構(gòu)算法的劣勢(shì)，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生使用新算法的迫切需要，計(jì)數(shù)循環(huán)算法應(yīng)勢(shì)而出，求解問(wèn)題更加暢快淋漓。一、創(chuàng)設(shè)情境項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是需要情境的。在正式的學(xué)習(xí)活動(dòng)開(kāi)始之前，老師要向?qū)W生創(chuàng)造項(xiàng)目的情境、提出項(xiàng)目需要解決的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生探究的期望。在該環(huán)節(jié)中教師讓學(xué)5萬(wàn)元存入銀行，選擇‘1年定期、自動(dòng)轉(zhuǎn)存’的存款方式，假設(shè)5年內(nèi)存款利率不變，均為3.25%，5年后到期存款總額是多少？”學(xué)生思考后將問(wèn)題抽象后建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)學(xué)公式來(lái)統(tǒng)一處理：50000*（1+0.0325)5。二、問(wèn)題解決——“存款總額”初級(jí)問(wèn)題1.界定問(wèn)題該環(huán)節(jié)首先涉及的是計(jì)算思維的問(wèn)題界定。教師先提出問(wèn)題：“計(jì)算存儲(chǔ)總額除了用數(shù)學(xué)公式解決之外，能用計(jì)算機(jī)解決嗎？如果能，該問(wèn)題的輸入、輸出、終止條件分別是什么？”學(xué)生思考、交流后認(rèn)為該問(wèn)題能用計(jì)算機(jī)解決，輸入是存放金額、利率和存款年數(shù)的數(shù)值，輸出是5年后到期的存款總額。2.分解問(wèn)題該過(guò)程是計(jì)算思維的分解問(wèn)題過(guò)程。在此環(huán)節(jié)，教師提出問(wèn)題：“利用計(jì)算機(jī)計(jì)算利率不變情況下的到期存款總額，需要經(jīng)過(guò)哪幾個(gè)步驟？”學(xué)生討論交流后將問(wèn)題分解成三個(gè)子問(wèn)題：如何存放金額、利率和存款年數(shù)的數(shù)值；如何計(jì)算5年后到期的存款總額；如何顯示存款5年后到期的存款總額。3.解決問(wèn)題該過(guò)程涉及的計(jì)算思維有數(shù)據(jù)抽象與表達(dá)、算法設(shè)計(jì)和模式匹配。學(xué)生通過(guò)以前的課程已系統(tǒng)掌握Python編程語(yǔ)言的基礎(chǔ)知識(shí)，包括常量、變量、各種運(yùn)算符與表達(dá)式、數(shù)據(jù)類(lèi)型及賦值、輸入輸出語(yǔ)句等。教師要引導(dǎo)學(xué)生確定哪些子問(wèn)題是能夠通過(guò)運(yùn)用已掌握知識(shí)解決的，哪些子問(wèn)題是暫時(shí)不能解決的。然后指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模式匹配思維將已有知識(shí)與子問(wèn)題關(guān)聯(lián)，找出解決問(wèn)題的辦法。并且判定子問(wèn)題與子問(wèn)題之間是否有聯(lián)系，分析異同之處，并嘗試把不能解決的子問(wèn)題和其他子問(wèn)題同理求解。子問(wèn)題1學(xué)生分組討論交流后提出，可以運(yùn)用學(xué)過(guò)的變量知識(shí)和輸出語(yǔ)句：使用變量money存放金額的數(shù)值、變量rate存放利率的數(shù)值、變量years存放存款年數(shù)的數(shù)值、使用print語(yǔ)句輸出存款5年后到期的存款總額。教師又提出問(wèn)題：“我們?cè)诘?.12money存放存款總額的數(shù)值，然后重復(fù)以上的步驟計(jì)算變量money5循環(huán)結(jié)構(gòu)的語(yǔ)句格式，學(xué)生寫(xiě)出的是順序結(jié)構(gòu)算法及Python程序代碼如下表：表1：算法設(shè)計(jì)及程序代碼算法流程圖程序代碼money=50000rate=0.0325years=5money=money*(1+rate)money=money*(1+rate)money=money*(1+rate)money=money*(1+rate)money=money*(1+rate)print('5年到期存款總額為：',money)代碼調(diào)試運(yùn)行后，部分學(xué)生首先提出問(wèn)題：重復(fù)變量money的計(jì)算5次所以有5行重復(fù)的代碼，是不是可以用循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化算法來(lái)求解問(wèn)題？學(xué)生討論后期待老師的解惑。教師給出回應(yīng)：計(jì)算機(jī)程序中某些代碼的反復(fù)執(zhí)行稱(chēng)為循環(huán)，循環(huán)重復(fù)次數(shù)一定時(shí)，我們通常稱(chēng)為計(jì)數(shù)循環(huán)。在Python中，可以使用forin語(yǔ)句來(lái)創(chuàng)建計(jì)數(shù)循環(huán)。適合該問(wèn)題的forin語(yǔ)句的基本格式如下：for循環(huán)變量inrange()函數(shù)：語(yǔ)句或語(yǔ)句組其中的設(shè)計(jì)循環(huán)結(jié)構(gòu)算法，寫(xiě)出新的程序代碼。新方案的算法和代碼如下表：表2：新方案算法設(shè)計(jì)及程序代碼算法流程圖程序代碼money=50000rate=0.0325years=5foriinrange(years):money=money*(1+rate)print(money)４.實(shí)施反饋該環(huán)節(jié)是計(jì)算思維的評(píng)估反思。此階段學(xué)生對(duì)算法設(shè)計(jì)和程序調(diào)試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行評(píng)估反思，對(duì)解決問(wèn)題的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而提出算法中存在的問(wèn)題：順序結(jié)構(gòu)算法年存款總額”問(wèn)題，應(yīng)該使用循環(huán)結(jié)構(gòu)算法來(lái)設(shè)計(jì)程序代碼。在這個(gè)迫切需求下，教師帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)使用forinrange()計(jì)數(shù)循環(huán)完美解決了問(wèn)題。三、問(wèn)題解決——“存款總額”高級(jí)問(wèn)題1.界定問(wèn)題該環(huán)節(jié)涉及的仍是計(jì)算思維的問(wèn)題界定。教師先提出問(wèn)題：“將5萬(wàn)元存入銀行，5年內(nèi)存款利率分別為1.75%，5年后到期存款總額是多少？”與上一個(gè)初級(jí)問(wèn)題不同的是5年內(nèi)的各年的存款利率不同，那么應(yīng)該如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？學(xué)生交流討論后認(rèn)為，既然還是重復(fù)性計(jì)算問(wèn)題，使用循環(huán)結(jié)構(gòu)算法依然可以解決問(wèn)題。2.分解問(wèn)題該過(guò)程是計(jì)算思維的分解問(wèn)題過(guò)程。教師提出問(wèn)題：“我們計(jì)算利率變化情形下的5年后到期存款總額，需要分成哪幾個(gè)步驟？”學(xué)生討論交流后仍將問(wèn)題分解成三5年后到期的存款總額；如何顯示存款5年后到期的存款總額（已解決）。3.解決問(wèn)題該過(guò)程涉及的計(jì)算思維有數(shù)據(jù)抽象與表達(dá)、算法設(shè)計(jì)和模式匹配。子問(wèn)題1和3在初級(jí)階段已經(jīng)解決。教師針對(duì)子問(wèn)題25年利率不變的情況下，我們使用forin語(yǔ)句配合range()函數(shù)來(lái)計(jì)算存款總額，由于新問(wèn)題的利率每年都在range()函數(shù)來(lái)計(jì)算存款總額了呢？”學(xué)生類(lèi)比分析后得出結(jié)論,既然range()函數(shù)的作用是生成某個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)字列表，現(xiàn)在我們不使用range()函數(shù)而直接使用列表來(lái)存放5年內(nèi)各年的存款利率不就可以了嗎？上個(gè)問(wèn)題range(5)會(huì)生成[0,1,2,3,4]這樣一個(gè)列表，在新問(wèn)題中直接使用列表[0.0325,0.03,0.03,0.02,0.0175]就可以了。學(xué)生在分析完要解決的問(wèn)題后，進(jìn)行算法描述，設(shè)計(jì)的算法及Python代碼如下表：表3：高級(jí)問(wèn)題算法設(shè)計(jì)及程序代碼算法描述程序代碼1.使用變量money存放金額的數(shù)值money=500002.使用變量rate存放利率的數(shù)值rates=[0.0325,0.03,0.03,0.02,0.0175]3.計(jì)算每一年到期的存款總額，使用變量money存放存款總額的數(shù)值forrateinrates:money=money*(1+rate)4.重復(fù)以上的變量money的計(jì)算5次5.輸出存款5年后到期的存款總額print('5年到期存款總額為：',money)4.實(shí)施反饋該步是計(jì)算思維的評(píng)估反思。此階段學(xué)生對(duì)算法設(shè)計(jì)和程序調(diào)試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行評(píng)估反思，對(duì)解決問(wèn)題的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。循環(huán)重復(fù)次數(shù)一定時(shí)，我們可以使用計(jì)數(shù)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但forinrange()與forin列表兩種計(jì)數(shù)循環(huán)應(yīng)用的場(chǎng)合不同：forinin列表語(yǔ)句適合于在循環(huán)體中需要遍歷使用列表中的元素下使用。四、項(xiàng)目遷移在本環(huán)節(jié)中，教師為學(xué)生下發(fā)內(nèi)容相似或難度更大的任務(wù)，學(xué)生分組合作探究完成任務(wù)。學(xué)生在熟練本節(jié)課知識(shí)點(diǎn)和思維方法的基礎(chǔ)上舉一反三，利用該項(xiàng)目中獲得的經(jīng)驗(yàn)，去解決其他類(lèi)似的問(wèn)題。找出任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)算法并編程實(shí)現(xiàn)。這是對(duì)模式匹配這一計(jì)算思維的強(qiáng)化訓(xùn)練，也是對(duì)新課內(nèi)容的加深鞏固。教師下發(fā)分組任務(wù)：“小學(xué)數(shù)學(xué)中的九九乘法表我們都背得滾瓜爛熟，同學(xué)們能不能利用Python軟件編寫(xiě)一個(gè)程序打印出九九乘法表呢？”這是一個(gè)難度相對(duì)提高的任務(wù)，教師引導(dǎo)學(xué)生找出九九乘法表問(wèn)題和計(jì)算存款總額問(wèn)題兩者之間異同：兩個(gè)問(wèn)forin計(jì)數(shù)循環(huán)語(yǔ)句可以實(shí)現(xiàn)算法；不同的是乘法表算法中循環(huán)中包含另一個(gè)循環(huán)，即循環(huán)嵌套，需要使用雙重循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出九九乘法表。五、分享總結(jié)分組任務(wù)完成后，各小組代表在課堂上展示本小組的作品或運(yùn)行結(jié)果。并講解本小組算法設(shè)計(jì)的思路、代碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程中遇到的阻礙和解決辦法，取長(zhǎng)補(bǔ)短促進(jìn)共同進(jìn)步。教師對(duì)各小組的成果橫向比較，進(jìn)行過(guò)程性和總結(jié)性評(píng)價(jià)，并組織學(xué)生之間的互評(píng)和學(xué)生的自評(píng)。通過(guò)總結(jié)和評(píng)價(jià)，評(píng)估反思學(xué)生利用計(jì)算思維解決問(wèn)題的閃光點(diǎn)和不足之處，從而進(jìn)行改進(jìn)，強(qiáng)化思維。本文觀點(diǎn)打破了傳統(tǒng)Python編程語(yǔ)言以學(xué)生死記知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)模式,提出基于計(jì)算思維培養(yǎng)的Python分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)算法并解決問(wèn)題、實(shí)施反饋、項(xiàng)目遷移和分享總結(jié)六個(gè)教學(xué)流程中，