高中算法與程序設(shè)計教學(xué)意義及有效性

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摘要：算法和程序設(shè)計教學(xué)會加深學(xué)生對計算機科學(xué)的認(rèn)識，使他們從游戲、聊天、打字、表格處理等對計算機工具作用的認(rèn)識上升到計算機科學(xué)的高度上來，對學(xué)生的編程教育起到啟蒙作用。筆者通過具體教學(xué)實例探討在課程中擴展學(xué)生知識面、培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力，依據(jù)高中生個人特點與算法和程序設(shè)計的教學(xué)情況，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)信息課程的過程中進一步提升核心素養(yǎng)，進一步提升計算思維能力。

關(guān)鍵詞：計算思維；邏輯思維；推理

算法與程序設(shè)計模塊教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、邏輯思維能力，培養(yǎng)學(xué)生把一個大問題分解成多個小問題，再用算法和計算機語言來解決問題的能力[1]。該模塊的教學(xué)與計算機技術(shù)的發(fā)展和社會對人才的需求密切聯(lián)系，能激發(fā)許多優(yōu)秀學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)他們的智慧，促進綜合素質(zhì)的提高。

一、算法和程序設(shè)計教學(xué)的意義

如今，人類社會對信息技術(shù)高度依賴，計算機科學(xué)越發(fā)重要，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力成為必然。如何有效培養(yǎng)這方面的能力，成為國內(nèi)外計算機教育界與科學(xué)界關(guān)注的焦點。中學(xué)算法和程序設(shè)計的教學(xué)對學(xué)生的全面發(fā)展具有重要意義。

（一）算法和程序設(shè)計教學(xué)拓展了學(xué)生知識面，引領(lǐng)學(xué)生走進信息科學(xué)的殿堂編程教育在世界各國已經(jīng)成為孩子繼閱讀、寫作、算術(shù)這三項基本能力外需要掌握的第四項必備技能。而計算思維屬于三大科學(xué)思維的范疇，是人應(yīng)該具備的重要能力之一[2]，與我們的生活息息相關(guān)，更關(guān)乎對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。算法與程序設(shè)計的教學(xué)會幫助學(xué)生推開一扇門，讓他們在一個0和1的世界中去創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)，讓感興趣的學(xué)生及早步入信息科學(xué)的殿堂。算法與程序設(shè)計課程可以拓展學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)生的求知欲。例如，在學(xué)生學(xué)習(xí)語言的過程中，教師要講信息的二進制表示，在這個0和1、有和無的世界中，計算機是怎么用簡單的0和1表示五彩繽紛的信息的，還要講字符信息的編碼ASCII碼。在講進位制或按位計數(shù)法的過程中，教師會講二進制、十進制、八進制、十六進制，讓學(xué)生知道不同位的意義。教師還可以加上不使用按位計數(shù)法的羅馬數(shù)字，用鐘表表盤上的羅馬數(shù)字來拓寬學(xué)生的知識面。I表示1，IV表示4，V表示5，X表示10，L表示50。古羅馬人已經(jīng)學(xué)會把IIIII看成一個單元V，即5來表示了。人類很早就掌握了把大問題分解成小問題來解決的方法。這是計算機算法設(shè)計的一個重要內(nèi)容，也是生活中問題求解的步驟和方法。教師可以帶領(lǐng)學(xué)生重溫人類計數(shù)的歷史和文明的演化，在網(wǎng)上搜索相關(guān)圖片并做成精美課件。學(xué)生會對此產(chǎn)生濃厚的興趣，恍然大悟：原來人類計數(shù)的歷史這么悠久和豐富多彩。現(xiàn)在的計算機使用的二進制，其速度和應(yīng)用的廣度都是人類計算領(lǐng)域的進步。

（二）培養(yǎng)學(xué)生的探索精神及解決問題、自主學(xué)習(xí)的能力程序設(shè)計的步驟是分析問題、設(shè)計算法、編寫程序、調(diào)試運行[3]。算法設(shè)計是程序設(shè)計的核心。學(xué)生要分析教師給出的問題，開動腦筋設(shè)計出解決問題的算法，最后編寫計算機程序來解決。這既培養(yǎng)了學(xué)生探索精神，又使學(xué)生的計算思維得到了啟發(fā)和鍛煉。例如，在猴子吃桃的例子中，猴子每天吃的數(shù)量是樹上桃子的一半再多1個，第十天，樹上還剩下1個桃子。那么，第一天有多少個桃子？學(xué)生要分析第九天、第八天桃子的數(shù)量，從而找出規(guī)律，找到遞推公式，設(shè)計出算法。面對兔子繁衍、漢諾塔、階乘等問題，學(xué)生也要學(xué)會把復(fù)雜的問題變成簡單的問題，把大問題變成小問題，找出規(guī)律和方法。這也是人們解決日常生活中的問題的方法和步驟。算法和程序設(shè)計教學(xué)使數(shù)學(xué)和程序設(shè)計融合在一起。算法設(shè)計離不開數(shù)學(xué)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣。例如，在求最大公約數(shù)時，可用迭代法；在求素數(shù)時，可用枚舉法；在解決猴子摘桃問題時，可用倒推法；在解決排列組合問題時，可用歸納法；在數(shù)組排序問題中，可用冒泡、選擇、插入排序方法；在查找中，可用順序查找和二分法查找。學(xué)生通過學(xué)習(xí)算法和程序設(shè)計，能把數(shù)學(xué)和程序設(shè)計緊密聯(lián)系起來。學(xué)生要從問題中提煉出數(shù)學(xué)模型，設(shè)計算法、編寫程序，用計算機語言解讀，培養(yǎng)計算解題的能力，也就是計算思維的能力。在學(xué)習(xí)高級語言的過程中，感興趣的學(xué)生會迫不及待地去學(xué)習(xí)一些超前知識點，如順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、數(shù)組排序等，很多都可以自學(xué)完成。例如，在遞歸函數(shù)的教學(xué)中，在求解階乘、裴波那切數(shù)列、漢諾塔等遞歸調(diào)用問題時，有的學(xué)生會自己在網(wǎng)上查找資料，深入地探究學(xué)習(xí)，探索設(shè)計算法。這樣的學(xué)習(xí)和計算機編程實踐能培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和探索精神。自學(xué)能力是學(xué)生將來學(xué)習(xí)、工作和生活必備的法寶。

（三）培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)心的做事習(xí)慣在算法和程序設(shè)計教學(xué)中，學(xué)生要設(shè)計算法和編寫代碼。算法的設(shè)計要嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確，不能模棱兩可。在程序代碼輸入的過程中，學(xué)生難免會出現(xiàn)錯誤。每一個代碼的錯誤都會使程序無法執(zhí)行。在查找錯誤時，學(xué)生要不斷調(diào)試和完善，最終得出正確的結(jié)果。這能培養(yǎng)學(xué)生耐心、細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)、有條不紊的做事習(xí)慣。計算機解決問題的步驟是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模遣豢梢蕴S和省略的。學(xué)生可就此認(rèn)識到，計算機需要一條、一條地執(zhí)行語句。編程會培養(yǎng)學(xué)生細(xì)心的習(xí)慣。一種好的習(xí)慣會影響到各個學(xué)科的學(xué)習(xí)，對學(xué)生的終身教育和發(fā)展具有促進作用。

（四）培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力算法和程序設(shè)計課程的教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展，尤其是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。計算思維能力的培養(yǎng)體現(xiàn)在學(xué)科教學(xué)的全過程中。計算思維需要學(xué)生擁有較強的創(chuàng)新能力。而有效培養(yǎng)學(xué)生思維能力，則是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的最終目的。計算思維是培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的主要目標(biāo)。這就需要教師以計算思維為中心，將其體現(xiàn)在不同課程中。目前，各個學(xué)科的發(fā)展對信息技術(shù)的依賴程度越來越高，要求學(xué)生必須具備計算思維。算法和程序設(shè)計的教學(xué)也能培養(yǎng)學(xué)生這方面的能力。

二、教學(xué)策略的選擇

算法與程序設(shè)計課程的理論與實踐是一體的，實踐性較強，需要學(xué)生上機實踐操作，驗證自己設(shè)計的算法和程序，理論和實踐相互促進。在上機過程中，教師應(yīng)適時提供幫助，也可以把學(xué)得好的學(xué)生培養(yǎng)成小老師，有助于培養(yǎng)團隊精神。將“講授、演示、練習(xí)”的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸匾暷７隆⒕毩?xí)、創(chuàng)新”的模式，相較于發(fā)現(xiàn)與探究對策，效果明顯更好。

（一）確立發(fā)展計算思維的教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)是在教學(xué)完成后，學(xué)生盡可能達(dá)到知識技能、過程方法及情感態(tài)度價值觀等方面的要求，被視為教學(xué)任務(wù)是否完成的參考依據(jù)之一，也被視為某節(jié)課的核心。教師在明確三維目標(biāo)的過程中，需要考慮的問題主要包括以下幾點：本節(jié)課學(xué)生需要學(xué)習(xí)什么內(nèi)容？需要掌握什么技能？運用哪種方式實現(xiàn)？學(xué)生最終需要獲取哪方面的情感體驗？對此，教師應(yīng)將學(xué)生的計算思維能力發(fā)展編入教學(xué)過程和方法中，也列入情感態(tài)度價值觀的培養(yǎng)中。這就是學(xué)生需要在思維層面達(dá)到的目標(biāo)。教師要明確把培養(yǎng)計算思維寫入教學(xué)設(shè)計，具體到例題。

（二）細(xì)化任務(wù)模塊，發(fā)展計算思維教學(xué)目標(biāo)的具體化過程就是設(shè)定教學(xué)任務(wù)的過程。合理的教學(xué)任務(wù)往往具有較強的可行性和趣味性，對學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)有促進作用。在算法與程序設(shè)計教學(xué)中，教師應(yīng)該明確學(xué)生要做的事情是什么，需要解決什么問題，最終要達(dá)到什么目標(biāo)。學(xué)生在收到任務(wù)后，應(yīng)該探究任務(wù)的完成步驟，在腦海中形成完成任務(wù)的思路，制定初步的實施方案。具體步驟如下：第一，分析問題，找出問題關(guān)鍵點；第二，數(shù)據(jù)分類，對其進行抽象處理；第三，啟發(fā)推理，用最自然的語言將預(yù)期方案表述出來；第四，創(chuàng)建相關(guān)模型或流程圖；第五，編寫程序代碼；第六，上機對數(shù)據(jù)進行調(diào)試；第七，整理研究重點。教師設(shè)計任務(wù)無需十全十美，可以采取較為靈活的方式，將部分思考空間留給學(xué)生，引導(dǎo)他們主動嘗試和探究，從不同方面學(xué)會運用各異的方法解決問題，避免思維固化。算法與程序設(shè)計是高中信息技術(shù)教育中不容忽視的一個模塊。設(shè)置本模塊是為了培養(yǎng)學(xué)生使用計算機解決問題的能力，不管是現(xiàn)在使用的VB程序設(shè)計，還是即將使用的Python語言，其目的都是為了培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，其核心都是算法，是對計算機解決問題的過程進行更好的闡述。總之，該模塊的設(shè)置是時展的需要、人才培養(yǎng)的需要，對學(xué)生計算思維能力及其他方面能力的培養(yǎng)有極大的促進作用，將是信息技術(shù)教學(xué)中的“點睛之筆”。

參考文獻：

[1]劉寶仙.高中信息技術(shù)《算法與程序設(shè)計》模塊課堂教學(xué)有效性探究:與數(shù)學(xué)“算法初步”整合教學(xué)行動研究[J].海峽科學(xué),2012(2).

[2]趙倩倩.基于計算思維的高中信息技術(shù)課程有效教學(xué)策略探究:以“算法與程序設(shè)計”模塊為例[J].中國信息技術(shù)教育,2015(17).

[3]結(jié)城浩.程序員的數(shù)學(xué)[M].管杰,譯.人民郵電出版社,2012.

作者：范云春 單位：徐州市侯集高級中學(xué)