计算思维是一种思维方式, 它使用计算的概念和方法, 以解决范围广泛的问题。我们的社会, 特别是我们的学生都应该拥有的计算机思维作为一种能力和技能。计算思维借鉴了计算机科学的概念, 但两者并不完全相同。计算机科学本身是一门研究计算机和计算系统的学科, 而计算思维则是指在解决复杂问题时所涉及的思维过程, 并将这一问题求解过程归纳和转换成各种各样的问题。计算思维是对我们周围的世界的认识方面的计算过程, 并应用于计算机科学的工具和技术对自然和人工系统和过程的理解和推理。但在将计算思维融入课程教学时, 我们面临着一系列的问题和挑战。它们包括一些基本的问题, 以下通过两点讲解下如何在教学过程中启发计算思维。
一、通过建模启发计算思维
抽象是教学中的难点, 在一定程度上是计算机教育的重点。抽象思维是计算机科学的理论基础, 还原是一种重要的抽象思维方式。高中学生需要通过还原性思维建立与计算模型的关系。这个过程需要多方面的抽象思维。而实际教学过程中许多学生更喜欢直接的、非还原性的解决方案, 通过学生在学习过程中发现通过建模解答证明能启发学生的计算机思维。
对于一个复杂问题, 教师首先要让学生对已知的条件和数据进行分析和筛选, 建立起问题中相关变量或因素之间的规律。如经典案例一农夫带着一只狼, 一只羊, 和一篮白菜准备过河。河上没有桥, 只有一艘小船。规定农夫每次只能带一样东西上船, 且船上没有农夫时不能过河。问:农夫怎样过河?这道题一定很多人都见过, 也一定会做。但试问:如果要求最快方式渡河, 应怎样解答?我们可用建模快速解决这个问题:将人、狼、羊、菜在左岸 (这里即开始渡河前农夫所在岸) 与否的状态设为 (K1, K2, K3, K4) (Kn=0或1, n=1, 2, 3, 4) , 其中1表示在左岸, 0表示不在左岸, 如 (1, 1, 0, 1) 即人、狼、菜在左岸, 羊在右岸。状态用An表示, n为渡河次数加一。这里要注意的是, 在所有状态中, 只有部分是满足条件的。 (此后该状态称为A状态) 将渡河时船上状态设为 (Z1, Z2, Z3, Z4) (Zn=0或1, n=1, 2, 3, 4) , 用Rk表示。1表示该次渡河上了船, 0表示没上船。同理, 也只有一部分状态是满足条件的。当Z1=1恒成立。 (此后该状态称为B状态) 下面, 我们用穷举法将An和Rk加起来, 其加法满足二进制加法 (0+0=0, 1+0=1, 0+1=1, 1+1=0) , 以此表示所有可能的渡河情况。其中, √表示该状态可取, ×表示不可取, ∷表示与前面状态重复。
上例我们可以看到建模将数学与实际应用问题相结合, 课堂中引入建模可以拓宽学生的知识面, 发挥其想象力和创造力。这种计算思维模式不仅可以培养学生从实际问题出发, 还可利用模型求解实际问题, 让学生自己设计方案、分析解决问题, 锻炼学生的建模能力, 提高学生运用所学数学知识和计算机知识来分析、解决问题, 同时帮助学生克服学习纯理论课程的障碍, 理顺问题的逻辑结构, 激发学生的求知欲望。计算思维是将一个看似困难的问题重新解释成我们知道如何通过约简、变换和模拟来解决的方法。
二、通过解模激发计算思维
计算思维可以使学生从技术的消费者, 创造新的表达形式, 构建工具和培养创造力。调用计算思维作为一种普遍的态度和技能, 这应该是每一个孩子的重要的能力。我们应该增加每一个学生的思维能力, 但问题仍然在于学生应该如何以及何时学习这种能力以及应该如何教。实际解模过程一般可分为以下几个方面: (1) 用一种能让我们使用计算机和其他工具来帮助解决问题的方法来解决问题。传统教学过于注重确定性的研究, 采用满堂灌的教学方法。这种方法容易引发学生的固化思维, 难以充分展现学生的个性。而建模教学不需要要求解决问题的唯一性。重点要求学生如何根据实际问题建立相互关系, 并给出符合实际要求的结果和方案。它既具有理论性, 又具有实践性, 既需要思维的量, 又需要思维的深度。在建模过程中, 培养学生对给定条件自行寻求解决问题的最佳途径和方法, 培养学生的想象等能力。而这些就是创造性思维具有的最基本的特征, 解模本身就是一种创造性的思维活动。 (2) 逻辑组织和分析数据, 传统的教学着眼于从一些基本概念或定义出发, 以简练的方式得出结论, 这使学生认为解题就是按部就搬的推理, 从而便思想处于一种微化状态, 当学生面对实际问题时就变得束手无策。 (3) 通过抽象, 如模型和仿真来表示数据。 (4) 通过算法思维自动化解决方案。建模教学要求学生运用数学语言和方法, 抽象、概括客观事物的内在规律, 构建有待解决的实际问题的教学模型, 不仅可以锻炼和提高学生的表达能力, 而且可以培养学生的表达能力。使他们能够学习用建模方法主动、客观和辩证地分析问题。 (5) 识别、分析, 并以实现最有效的步骤和资源组合的目标实施的解决方案。转移这个问题解决过程中的各种问题。培养学生独立思考、男于创新的精神。书本和实际的距离是不可否认的, 人们很少能够直接运用有效方法解决社会实载中的实际问题。用语言来描述所面临的实际问题也很困难, 这是一个创造性的过程, 它能够培养学生独立思考、勇于创新的精神。
总之, 计算思维将影响每一个领域的每一个人, 特别是对我们的学生和教师提出了新的教育挑战。加速的技术进步和巨大的社会需求迫使我们重新审视计算最基本的科学问题。计算思维将成为全世界每个人使用的基本技能。除了阅读、写作和算术之外, 我们还要给每个学生的分析能力增加计算思维。计算的思想将被使用在任何地方, 这一目标构成了一个新的教育的挑战。
摘要：计算思维则是指在解决复杂问题时所涉及的思维过程, 并将这一问题求解过程归纳和转换成各种各样的问题。计算思维是对我们周围的世界的认识方面的计算过程, 并应用于计算机科学的工具和技术对自然和人工系统和过程的理解和推理。
关键词：计算思维,信息技术教学
参考文献
[1] 彭慧玲.在计算思维模式下《算法与程序设计》教学实践[D].成都:四川师范大学, 2013.