“身邊的算法”教學(xué)實(shí)施策略探究

【摘要】《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》提倡以身邊的算法問題為載體開展算法教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生用算法解決問題的能力。本研究嘗試將編寫可執(zhí)行的流程圖融入算法教學(xué)，在掌握算法的同時(shí)確保了學(xué)生的實(shí)踐操作，在觀察流程圖動(dòng)態(tài)走向的過程中提升計(jì)算思維，為新課標(biāo)理念下信息科技算法教學(xué)提供新的實(shí)踐樣態(tài)?！娟P(guān)鍵詞】算法教學(xué)；跨學(xué)科；計(jì)算思維；思維可視目前，在中小學(xué)開展算法教學(xué)，培養(yǎng)計(jì)算思維，存在著兩個(gè)極端現(xiàn)象：一個(gè)是反對削弱編程地位，他們認(rèn)為編程是落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的有效載體，編程是數(shù)字時(shí)代的基石，學(xué)生理解編程，能更好地掌握現(xiàn)有的數(shù)字技術(shù)；另一個(gè)是重視算法教學(xué)，將教學(xué)的重心由編寫程序轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)算法，課堂教學(xué)中重點(diǎn)關(guān)注算法的描述，由此帶來的問題是編寫程序或者體驗(yàn)程序的時(shí)間不夠，學(xué)生缺少足夠的時(shí)間驗(yàn)證算法是否正確，大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)算法的熱情。第一種現(xiàn)象的編程學(xué)習(xí)脫離了算法，是一種低效的學(xué)習(xí)。新的更加簡潔、更加高效、執(zhí)行性能更好的語言在不斷出現(xiàn)，讓學(xué)生掌握特定語言的語法不應(yīng)當(dāng)成為教育的核心目標(biāo)。算法是解決問題的核心，關(guān)注算法將注意力集中在解決問題本身[1]。掌握了解決問題的思維，對學(xué)習(xí)任何一門語言都有幫助。但同時(shí)學(xué)生的實(shí)踐操作要得到保障，驗(yàn)證算法是否正確，并進(jìn)行算法的優(yōu)化與迭代，是思維活動(dòng)中重要的一環(huán)。“身邊的算法”教學(xué)策略探討基于上面的分析，筆者引入Flowgorithm進(jìn)行可運(yùn)行的流程圖教學(xué)，確保了計(jì)算思維的提升，并保障了學(xué)生的操作時(shí)間，取得較好的實(shí)踐效果。在教學(xué)這個(gè)模塊時(shí)，教師從學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)中，尋找運(yùn)用算法的例子，進(jìn)行抽象和概括，讓學(xué)生掌握基于流程圖或者自然語言描述算法的方法。在應(yīng)用環(huán)節(jié)，教師創(chuàng)設(shè)學(xué)生感興趣的情境，讓學(xué)生使用手繪流程圖將解決問題的思維進(jìn)行可視化；利用數(shù)字工具編寫流程圖的形式，對思維的過程進(jìn)行可視化的驗(yàn)證[2]。教學(xué)過程中，注重從真實(shí)生活中提取算法問題，讓學(xué)生經(jīng)歷問題抽象、分解、構(gòu)建解決問題的模型，通過手工繪制解決問題的流程圖，將解決問題的思維活動(dòng)顯性化[3]；在學(xué)生熟悉算法描述方式的基礎(chǔ)上，開展跨學(xué)科的項(xiàng)目學(xué)習(xí)，利用數(shù)字化工具編寫流程圖并加以執(zhí)行驗(yàn)證，無須編程即可實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)問題的自動(dòng)化求解[4]。教學(xué)實(shí)踐重在思維過程的可視，將教學(xué)的重點(diǎn)從程序編寫轉(zhuǎn)移到流程圖的設(shè)計(jì)，降低了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，有助于學(xué)生了解算法在解決問題過程中的作用，領(lǐng)會算法的價(jià)值；有助于學(xué)生總結(jié)解決問題的方法，并將其遷移到其他問題求解中，有效促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展[5]。1.結(jié)合生活案例，了解算法的基本控制結(jié)構(gòu)“身邊的算法”模塊，“算法”確定了學(xué)習(xí)的內(nèi)容和學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)，“身邊”明確了案例的選擇范圍，讓學(xué)生借助學(xué)習(xí)與生活中的實(shí)例，體驗(yàn)常見的算法結(jié)構(gòu)，初步理解算法是可執(zhí)行的解決問題的步驟。五年級的學(xué)生正處于抽象思維發(fā)展的起步階段，教師選擇學(xué)生熟悉的內(nèi)容，學(xué)習(xí)算法的描述方式、常見的結(jié)構(gòu)，能讓學(xué)生盡快形成認(rèn)知關(guān)聯(lián)，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，避免了枯燥的概念講解教學(xué)。這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對算法的認(rèn)識從感性上升到理性，有效建構(gòu)算法的概念。如洗衣機(jī)洗衣服的步驟一般有：浸泡、洗滌、漂洗、脫水四個(gè)步驟，這四個(gè)步驟就組成一個(gè)順序結(jié)構(gòu)；再比如，通過猜數(shù)字游戲理解分支結(jié)構(gòu)，通過紅綠燈的信號控制理解循環(huán)結(jié)構(gòu)。這些源自生活的鮮活的案例，讓學(xué)生初步了解流程圖圖示，掌握流程圖的常見結(jié)構(gòu)。2.手繪流程圖解決生活問題，促進(jìn)思維可視化學(xué)生的思維活動(dòng)、思維過程往往是不可見的。在學(xué)生掌握了算法描述的基本結(jié)構(gòu)后，教師可以讓學(xué)生嘗試?yán)L制算法，解決一些簡單的生活問題，以流程圖的形式將思維可視化呈現(xiàn)。思維可視化是將原本不可見的思維路徑、思維過程，以思維導(dǎo)圖、流程圖等形式呈現(xiàn)出來。國內(nèi)研究學(xué)者充分探討了思維可視化對教師教學(xué)和學(xué)生認(rèn)知的影響，華東師范大學(xué)劉濯源研究員較早開展了思維可視化技術(shù)與學(xué)科整合的理論和實(shí)踐研究，提出了“把教學(xué)關(guān)注點(diǎn)從‘知識轉(zhuǎn)移到‘思維，從而持續(xù)提升學(xué)生的思維能力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效能的倍增”的理論。井岡山大學(xué)外國語學(xué)院許燕討論了思維可視化工具支持學(xué)習(xí)的優(yōu)勢和應(yīng)用策略，提出思維可視化工具對學(xué)習(xí)者提高理解能力和記憶能力，發(fā)展邏輯思維和創(chuàng)造性思維有著較大幫助。思維可視化的過程，是學(xué)生知識再加工的過程。將思維可視化運(yùn)用到學(xué)科教學(xué)中，有利于學(xué)生主動(dòng)地建構(gòu)知識系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)零散知識系統(tǒng)化、隱性思維顯性化、解題規(guī)律模型化，學(xué)生的思維能力能得到有效的訓(xùn)練[6]。3.編寫算法實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)問題自動(dòng)求解，使用流程圖驗(yàn)證思維過程計(jì)算思維代表了一系列解決問題的技能，它能讓學(xué)生真正參與學(xué)習(xí)，參與有價(jià)值的學(xué)習(xí)，并超越信息科技課程，擴(kuò)展到更廣泛的內(nèi)容領(lǐng)域?？鐚W(xué)科學(xué)習(xí)要求學(xué)生跨課程靈活地運(yùn)用概念，研究表明，學(xué)生在多種環(huán)境和跨學(xué)科中學(xué)習(xí)的知識比在單一環(huán)境中更有可能實(shí)現(xiàn)知識的遷移。數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)是學(xué)生生活中的重要部分，因此將數(shù)學(xué)問題的自動(dòng)求解作為提升學(xué)生計(jì)算思維的重要學(xué)習(xí)項(xiàng)目。這個(gè)環(huán)節(jié)采用數(shù)字化的流程圖編寫軟件Flowgorithm開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，將學(xué)生的思維活動(dòng)顯現(xiàn)化。Flowgorithm是一種可以繪制流程圖并可以執(zhí)行驗(yàn)證的軟件，相比于圖形化編程軟件，F(xiàn)lowgorithm更符合新課標(biāo)的要求，更適合在教學(xué)中使用。Flowgorithm由flow（流程）和algorithm（算法）兩個(gè)詞組成。與圖形化編程軟件、代碼編程軟件側(cè)重編程不同，F(xiàn)lowgorithm側(cè)重算法設(shè)計(jì)。Flowgorithm簡單易用，不需要拖拽組件，通過在“開始”和“結(jié)束”之間增加輸入、輸出、分支、循環(huán)等結(jié)構(gòu)完成算法設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)者通過設(shè)計(jì)流程圖，將思維過程可視化。作為一款流程圖軟件，F(xiàn)lowgorithm提供了多種常見的流程圖例，降低了設(shè)計(jì)流程圖的難度。與普通流程圖繪制軟件不同，F(xiàn)lowgorithm中繪制的流程圖是可以執(zhí)行的，學(xué)生可以運(yùn)行流程圖，觀看流程圖執(zhí)行的動(dòng)態(tài)走向，驗(yàn)證算法是否正確。當(dāng)算法執(zhí)行出錯(cuò)，學(xué)生可以了解自己出錯(cuò)的位置和原因，并從中吸取教訓(xùn)，從而提升解決問題的能力。這個(gè)過程對學(xué)生理解算法非常重要。通過反復(fù)調(diào)試和觀看算法執(zhí)行的走向，學(xué)生的思路逐步清晰，邏輯思維能力得以提升。除此之外，F(xiàn)lowgorithm還能將流程圖轉(zhuǎn)變?yōu)槌^25種主流的編程語言，如Python，C++，C#，Java，JavaScript，PHP，Pascal，Swift，Lua，Perl，Ruby，VisualBasic.NET以及VBA等?！安挛镉螒蛑械乃惴ā苯虒W(xué)案例“猜物游戲”是研究分支結(jié)構(gòu)的案例。學(xué)生從喜聞樂見的游戲中，提煉出算法的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，嘗試運(yùn)用分支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“判斷平年和閏年”數(shù)學(xué)問題的自動(dòng)求解。1.嘗試描述算法：從身邊的具體活動(dòng)抽象出解決問題的過程設(shè)計(jì)程序的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)算法，直接讓學(xué)生描述算法難度較大。教師引導(dǎo)學(xué)生從真實(shí)的猜物游戲中提煉抽象出算法：從羽毛球和網(wǎng)球中選擇一個(gè)物體讓學(xué)生猜。學(xué)生猜測物體的特征，老師進(jìn)行判斷，學(xué)生再根據(jù)老師的判斷分析選中的是何種物體。如學(xué)生猜測這個(gè)物體有羽毛，老師如果判斷“真”，那么選中的物體就是羽毛球，否則就是網(wǎng)球；還可以通過增加物體的數(shù)量，掌握多分支結(jié)構(gòu)。教師通過活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生理解現(xiàn)實(shí)世界解決問題過程中所蘊(yùn)含的算法、原理，改變以往一味傳授概念知識的方法，實(shí)現(xiàn)知識和思維的雙重建構(gòu)。通過這樣的活動(dòng)，學(xué)生逐步抽象出解決問題的步驟。2．繪制流程圖在掌握了分支結(jié)構(gòu)的繪制方法后，學(xué)生嘗試開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)判斷平年閏年數(shù)學(xué)問題的自動(dòng)求解。這個(gè)過程就是對判斷方法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。教師挑選一些典型的流程圖，帶領(lǐng)學(xué)生一起分析，尋找問題，最終為判斷方法建立模型。3.編寫可執(zhí)行的數(shù)字流程圖通過交流互動(dòng)，學(xué)生基本明確解決問題的過程。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以利用Flowgorithm進(jìn)行流程圖的設(shè)計(jì)。學(xué)生在設(shè)計(jì)完畢后，并不需要等待老師的評價(jià)，F(xiàn)lowgorithm的優(yōu)勢在于可以直接執(zhí)行流程圖，學(xué)生可以根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，進(jìn)一步了解算法的執(zhí)行流程，對遇到的問題進(jìn)行調(diào)整。4.自評與互評：提升合作學(xué)習(xí)能力交流活動(dòng)能有效提升學(xué)生的批判性思維能力、合作學(xué)習(xí)的能力。教師根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)。學(xué)生也對項(xiàng)目的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行自評和互評，匯報(bào)自己小組在研究過程中遇到的問題，以及是怎么解決問題的；對自己的研究項(xiàng)目進(jìn)行反思，提出優(yōu)化改進(jìn)的想法，對其余小組的項(xiàng)目提出建議。在計(jì)算思維的培養(yǎng)過程中，比較重要的一環(huán)是自覺遷移算法用以解決實(shí)際問題。教學(xué)中，教師要鼓勵(lì)學(xué)生將解決問題的思維進(jìn)行遷移和運(yùn)用，用于解決相似的問題，將解決問題的過程內(nèi)化為解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。結(jié)論與建議1.Flowgorithm讓教學(xué)專注于解決問題的思維訓(xùn)練信息科技的教學(xué)不能只關(guān)注程序設(shè)計(jì)語言，在信息社會，程序設(shè)計(jì)語言本身在飛速地發(fā)展，新的高效的語言層出不窮，教育者的注意力應(yīng)當(dāng)回歸到解決的問題本身。新課標(biāo)將教學(xué)重心前移，從關(guān)注程序轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注算法。課程標(biāo)準(zhǔn)對信息科技的教學(xué)提出了新的要求，不應(yīng)局限于學(xué)生對某種特定程序設(shè)計(jì)語言的掌握，而是讓學(xué)生掌握使用計(jì)算機(jī)解決問題的思維方式和實(shí)踐方法。Flowgorithm讓教學(xué)專注于解決問題的思維訓(xùn)練，是學(xué)生提升計(jì)算思維的有效途徑。2.將學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)置于現(xiàn)實(shí)情境的豐富任務(wù)之中知識是由學(xué)習(xí)者基于經(jīng)驗(yàn)主動(dòng)構(gòu)建的，而不應(yīng)該被動(dòng)地從外部獲得。教育者在創(chuàng)建研究任務(wù)時(shí)，要通過設(shè)計(jì)豐富的任務(wù)，確保所有學(xué)生都有機(jī)會進(jìn)行高層次的思考。當(dāng)豐富的挑戰(zhàn)任務(wù)與現(xiàn)實(shí)生活背景及學(xué)生的個(gè)人興趣緊密地聯(lián)系在一起時(shí)，學(xué)生更有可能投入到任務(wù)的研究中，從而提升高階思維能力。通過個(gè)人或協(xié)作完成任務(wù)挑戰(zhàn)，讓學(xué)生感到有能力運(yùn)用技術(shù)解決問題，并能改進(jìn)以滿足自己的需求。豐富的任務(wù)發(fā)展了學(xué)生解決問題和推理的能力，形成適應(yīng)未來環(huán)境的能力。這些學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的獲得會幫助學(xué)生形成遷移到新問題的能力[7]。3.通過分享與交流加深理解知識和技能在生生、師生的互動(dòng)中有效建構(gòu)，分享算法還可以讓課堂上的每個(gè)學(xué)生成為積極的思考者。學(xué)生解釋自己解決問題的想法或評估其他同學(xué)的策略，能夠加深對思維的理解，從而產(chǎn)生深度學(xué)習(xí)，提升用語言表達(dá)對問題理