抽象 (Abstraction) 是指从众多事物中抽取出共同的、本质性的特征[1]。在计算思维当中, 抽象思维主要是指删去事物中繁杂的次要因素, 建构核心模型, 让事情变得更容易处理的一种思维方式。现行的高中信息技术教材 (粤教版) 中, 必修和选修部分的数据库、程序设计相关知识点尤其能体现出抽象思维的方法。但其他的一些教学内容同样也可以体现出抽象思维的思想方法。下面通过必修部分信息技术基础中2.4节“综合活动:设计一个旅行计划”的教学案例加以说明。
设计一个旅行计划是一堂综合活动课, 其主要目的是让学生根据活动的主题确定信息需求, 选择合适的信息检索方式高效的获取信息, 并评价活动结果。本章前面三节已经学习了信息获取的过程与方法、策略与技巧、鉴别与评价, 本节内容是对前面内容的有机整合, 让学生综合运用这些知识解决现实生活中的问题。由于所需要用到的知识多, 所以设计这堂课可以从培养学生抽象思维的角度出发, 教师在完成情境导入和划分小组后, 首先引导学生总结概括出设计旅行计划的模型。
旅行计划的制定过程, 就是依据旅行参考因素选择合适途径来收集旅行信息, 再将信息整合最终形成旅行计划。虽然学生已经具备完成该项任务所需要的各项基本知识, 但要最终完成却面临重重困难, 这主要是由任务的系统性和繁杂度所决定的。在教师的引导下, 学生逐步归纳总结, 得出“旅行计划模型图”, 那么学生在完成任务过程中会更高效、具有针对性。模型图的得出过程其实就是对学生抽象思维的培养过程, 让学生删去事物繁杂的次要因素, 建构核心模型, 让一件看起来非常复杂的事情完成起来更容易。活动后期, 学生只需要按照之前抽象出来的模型, 根据步骤一一完成即可。教师还可以将这种思维方法在这堂课最后的阶段推而广之, 让学生明白抽象思维的实用性和重要性。
自动化 (Automation) 是指机器设备、系统在没有人或较少人的直接参与下, 按照人的要求, 进行自动检测、信息处理、分析判断、操作控制, 以实现预期目标的过程[2]。高中信息技术学科中有不少内容涉及到自动化思维的应用。例如信息技术基础中的“信息加工与表达”, 在编辑文本信息时, 格式刷、查找和替换等功能就是计算机自动化的典型体现。完成这些操作过程中, 计算机将我们想要实现的效果通过算法和代码使其成为外化的功能按钮, 学生只需要选中内容点击按钮, 就能达到相应的编辑效果。这个功能是如何实现的, 算法是什么, 具体代码怎么写, 学生并不清楚, 在高中阶段也不需要知道。这其实就是计算机将问题简化为算法和代码, 自动化的去完成操作的过程。教师在相应内容的讲解上, 可以适当的给学生灌输自动化的概念和思维方式。
算法与程序设计部分更能够体现出自动化思维方式, 在涉及相关教学内容时教师更应该着重培养学生自动化的思维能力。例如, 选修模块算法与程序设计中“应用递归算法解决问题的经典例子”以汉诺 (Hanoi) 塔这一经典问题来进一步讲解递归算法。问题的大意是:一块黄铜板上插了3根宝石柱, 其中一根柱子自上而下由小到大的放着64个大小不等的金盘;一名僧人按照大盘子不能放在小盘子上、一次只能移动一个盘子的要求, 将全部盘子从一根宝石柱上移动到另一根宝石柱上面。
汉诺塔问题求解的计算量非常大, 当金盘数量为64时, 需要模拟金盘移动的次数为264-1次。这是一个非常大的数字, 从时间角度来讲, 如果每个僧人搬一次需要一秒钟, 那么搬完的所有盘子则需要几千亿年的时间。在该节内容之前, 学生已经学习了应用递归算法求解斐波那契数列问题, 对递归算法有一定的认识, 但是学生对于该算法的认识不深刻, 也不容易理解其真正内涵。学生面对这样的问题可能会有畏难情绪, 教师可以结合自动化的思维方式讲解该节内容。
通过分析问题得知:只有一个盘子的时候移动一次即可, 两个及两个以上的盘子则需要借助中间柱子进行移动。鉴于问题求解量大, 教师可以先演示三个盘子的移动过程。回到原问题上, 解决时可以假设自底向上的63个盘子已经借助于中间宝石柱搬到目标柱子上, 那么最后只需要该僧人将最小的盘子搬到目标柱子上即可。那么这63个盘子是怎么搬到目标柱子上的?教师可以假设让该名僧人命令级别比他低的僧人完成这项工作, 搬63个盘子的僧人则模仿搬最小盘子的僧人将任务逐层下放, 最后整个搬盘子的任务得以完成。这个过程是递归的过程也是自动化的过程, 即制定一个规则将任务逐层下放, 达到最终效果。最后, 学生根据该算法编写代码、调试程序, 实现汉诺塔问题。通过汉诺塔问题的学习, 学生习得递归算法的知识点, 也进一步提高了自动化的思维能力, 为之后的学习奠定良好的基础。
抽象与自动化其实是相辅相成的, 它们并不孤立的存在而是一个有机体。上述汉诺塔问题需要学生抽象得出递归过程, 而递归求解则是自动化的过程。所以在培养学生计算思维能力时, 抽象思维和自动化思维都需要兼顾。
培养学生的计算思维, 不仅是新形势下培养学生学科核心素养的要求, 也是培养学生学会学习、终生学习能力的要求。授人以鱼, 不如授人以渔。传统高中信息技术教学重理论知识、重软件操作技巧的教学模式或许教会了学生现在的知识, 但知识的更新换代是非常迅速的, 信息技术教师应该从思维的角度出发, 培养学生计算思维让学生终生受用。高中信息技术课程中蕴含的计算思维除本文所列举的几点外还有很多, 需要广大的信息技术教师共同挖掘, 以此来培养学生的计算思维, 更好的适应信息社会的发展, 使学生成为数字时代的合格公民。
摘要：本文通过教学案例的分析, 探究高中信息技术教学中培养学生计算思维的方法与策略。最后总结计算思维培养过程中需要注意的地方, 进一步揭示培养学生计算思维的重要意义。
关键词：高中信息技术,教学,计算思维,抽象,自动化
[1] 崔玲, 王全民, 吴丽影.基于计算思维的数据库技术及应用课程教学研究[J].计算机教育, 2013 (18) :48-51.
[2] 王荣良.计算思维教育[M].上海科技教育出版社, 2014.
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