基于計算思維培養(yǎng)的Python語言教學(xué)流程探索 論文

基于計算思維培養(yǎng)的Python語言教學(xué)流程探索——以項目式學(xué)習(xí)《計算存款總額》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)與計算》第2單元項目式學(xué)習(xí)《計算存款總額》為例，把運用計算思維解決問題的過程融入到創(chuàng)設(shè)情境、分析問題、設(shè)計算法并解決問題、實施反饋、項目遷移和分享總結(jié)六個教學(xué)流程中，從而對基于計算思維培養(yǎng)的Python語言教學(xué)流程進行新的探索。關(guān)鍵詞：計算思維、Python、項目式學(xué)習(xí)、教學(xué)流程計算思維的概念自2006年提出以來，一直受到國際社會廣泛關(guān)注，尤其在教育領(lǐng)計算思維已成為第四種學(xué)生必備的基本能力。而計算思維的一種重要應(yīng)用方向是在編程領(lǐng)域，在眾多編程語言中，Python語言因其簡單明了、高效直接、接近自然語言等眾多優(yōu)點而成為培養(yǎng)學(xué)生計算思維的首選工具。鑒于此，對Python編程語言在高中信息技術(shù)課程中的教學(xué)流程新模式有必要進行積極的探索。傳統(tǒng)的編程語言教學(xué)，老師教學(xué)的起點往往是編程語言的基礎(chǔ)知識，包括常量、變量、數(shù)據(jù)類型、各種語句、各種運算符與表達式等，而后是Python的算法設(shè)計及程序結(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行教學(xué)展開。本文提出基于計算思維培養(yǎng)的Python分析問題、設(shè)計算法并解決問題、實施反饋、項目遷移和分享總結(jié)六個教學(xué)流程中，并從計算思維的問題界定、問題分解、模式匹配、數(shù)據(jù)表達與抽象、算法設(shè)計、評估反思的幾個方面進行深入分析。其具體流程如下圖：問題分解算法設(shè)計模式匹配導(dǎo)入案例問題分解算法設(shè)計模式匹配導(dǎo)入案例提出問題任務(wù)驅(qū)動開展教學(xué)組織討論組織分組任務(wù)分享評價展示項目情境和問題引導(dǎo)學(xué)生分析、設(shè)計、解決問題下發(fā)分組任務(wù)開展評價創(chuàng)設(shè)情境分析問題設(shè)計算法解決問題實施反饋項目遷移分享總結(jié)問題界定數(shù)據(jù)表達與抽象評估反思理解情境明確問題運用計算思維分析、表達、解決問題分組討論交流分享教學(xué)過程學(xué)生行為圖1：基于計算思維培養(yǎng)的Python編程教學(xué)流程下面以項目“計算存款總額”為情境，先提出初級問題“計算利率不變情況下的到期存款總額”，之后逐漸增加問題的復(fù)雜度，提出高級問題“計算利率變動情況下的到期存款總額”。對于初級問題，學(xué)生可能會使用順序結(jié)構(gòu)算法來解決問題。對于復(fù)雜問題，則需要使用循環(huán)結(jié)構(gòu)來設(shè)計算法。在這個過程中會體現(xiàn)出順序結(jié)構(gòu)算法的劣勢，學(xué)生會產(chǎn)生使用新算法的迫切需要，計數(shù)循環(huán)算法應(yīng)勢而出，求解問題更加暢快淋漓。一、創(chuàng)設(shè)情境項目式學(xué)習(xí)是需要情境的。在正式的學(xué)習(xí)活動開始之前，老師要向?qū)W生創(chuàng)造項目的情境、提出項目需要解決的問題，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)5萬元存入銀行，選擇‘1年定期、自動轉(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)生思考后將問題抽象后建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)公式來統(tǒng)一處理：50000*（1+0.0325)5。二、問題解決——“存款總額”初級問題1.界定問題該環(huán)節(jié)首先涉及的是計算思維的問題界定。教師先提出問題：“計算存儲總額除了用數(shù)學(xué)公式解決之外，能用計算機解決嗎？如果能，該問題的輸入、輸出、終止條件分別是什么？”學(xué)生思考、交流后認為該問題能用計算機解決，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.分解問題該過程是計算思維的分解問題過程。在此環(huán)節(jié)，教師提出問題：“利用計算機計算利率不變情況下的到期存款總額，需要經(jīng)過哪幾個步驟？”學(xué)生討論交流后將問題分解成三個子問題：如何存放金額、利率和存款年數(shù)的數(shù)值；如何計算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.解決問題該過程涉及的計算思維有數(shù)據(jù)抽象與表達、算法設(shè)計和模式匹配。學(xué)生通過以前的課程已系統(tǒng)掌握Python編程語言的基礎(chǔ)知識，包括常量、變量、各種運算符與表達式、數(shù)據(jù)類型及賦值、輸入輸出語句等。教師要引導(dǎo)學(xué)生確定哪些子問題是能夠通過運用已掌握知識解決的，哪些子問題是暫時不能解決的。然后指導(dǎo)學(xué)生運用模式匹配思維將已有知識與子問題關(guān)聯(lián)，找出解決問題的辦法。并且判定子問題與子問題之間是否有聯(lián)系，分析異同之處，并嘗試把不能解決的子問題和其他子問題同理求解。子問題1學(xué)生分組討論交流后提出，可以運用學(xué)過的變量知識和輸出語句：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語句輸出存款5年后到期的存款總額。教師又提出問題：“我們在第2.12money存放存款總額的數(shù)值，然后重復(fù)以上的步驟計算變量money5循環(huán)結(jié)構(gòu)的語句格式，學(xué)生寫出的是順序結(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)試運行后，部分學(xué)生首先提出問題：重復(fù)變量money的計算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)簡化算法來求解問題？學(xué)生討論后期待老師的解惑。教師給出回應(yīng)：計算機程序中某些代碼的反復(fù)執(zhí)行稱為循環(huán)，循環(huán)重復(fù)次數(shù)一定時，我們通常稱為計數(shù)循環(huán)。在Python中，可以使用forin語句來創(chuàng)建計數(shù)循環(huán)。適合該問題的forin語句的基本格式如下：for循環(huán)變量inrange()函數(shù)：語句或語句組其中的設(shè)計循環(huán)結(jié)構(gòu)算法，寫出新的程序代碼。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.實施反饋該環(huán)節(jié)是計算思維的評估反思。此階段學(xué)生對算法設(shè)計和程序調(diào)試運行結(jié)果進行評估反思，對解決問題的效果進行評價，從而提出算法中存在的問題：順序結(jié)構(gòu)算法年存款總額”問題，應(yīng)該使用循環(huán)結(jié)構(gòu)算法來設(shè)計程序代碼。在這個迫切需求下，教師帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)使用forinrange()計數(shù)循環(huán)完美解決了問題。三、問題解決——“存款總額”高級問題1.界定問題該環(huán)節(jié)涉及的仍是計算思維的問題界定。教師先提出問題：“將5萬元存入銀行，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？”與上一個初級問題不同的是5年內(nèi)的各年的存款利率不同，那么應(yīng)該如何解決這個問題呢？學(xué)生交流討論后認為，既然還是重復(fù)性計算問題，使用循環(huán)結(jié)構(gòu)算法依然可以解決問題。2.分解問題該過程是計算思維的分解問題過程。教師提出問題：“我們計算利率變化情形下的5年后到期存款總額，需要分成哪幾個步驟？”學(xué)生討論交流后仍將問題分解成三5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.解決問題該過程涉及的計算思維有數(shù)據(jù)抽象與表達、算法設(shè)計和模式匹配。子問題1和3在初級階段已經(jīng)解決。教師針對子問題25年利率不變的情況下，我們使用forin語句配合range()函數(shù)來計算存款總額，由于新問題的利率每年都在range()函數(shù)來計算存款總額了呢？”學(xué)生類比分析后得出結(jié)論,既然range()函數(shù)的作用是生成某個范圍內(nèi)的數(shù)字列表，現(xiàn)在我們不使用range()函數(shù)而直接使用列表來存放5年內(nèi)各年的存款利率不就可以了嗎？上個問題range(5)會生成[0,1,2,3,4]這樣一個列表，在新問題中直接使用列表[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題后，進行算法描述，設(shè)計的算法及Python代碼如下表：表3：高級問題算法設(shè)計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.實施反饋該步是計算思維的評估反思。此階段學(xué)生對算法設(shè)計和程序調(diào)試運行結(jié)果進行評估反思，對解決問題的效果進行評價。循環(huán)重復(fù)次數(shù)一定時，我們可以使用計數(shù)循環(huán)來實現(xiàn)。但forinrange()與forin列表兩種計數(shù)循環(huán)應(yīng)用的場合不同：forinin列表語句適合于在循環(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)課知識點和思維方法的基礎(chǔ)上舉一反三，利用該項目中獲得的經(jīng)驗，去解決其他類似的問題。找出任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)，設(shè)計算法并編程實現(xiàn)。這是對模式匹配這一計算思維的強化訓(xùn)練，也是對新課內(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軟件編寫一個程序打印出九九乘法表呢？”這是一個難度相對提高的任務(wù)，教師引導(dǎo)學(xué)生找出九九乘法表問題和計算存款總額問題兩者之間異同：兩個問forin計數(shù)循環(huán)語句可以實現(xiàn)算法；不同的是乘法表算法中循環(huán)中包含另一個循環(huán)，即循環(huán)嵌套，需要使用雙重循環(huán)來實現(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行結(jié)果。并講解本小組算法設(shè)計的思路、代碼實現(xiàn)過程中遇到的阻礙和解決辦法，取長補短促進共同進步。教師對各小組的成果橫向比較，進行過程性和總結(jié)性評價，并組織學(xué)生之間的互評和學(xué)生的自評。通過總結(jié)和評價，評估反思學(xué)生利用計算思維解決問題的閃光點和不足之處，從而進行改進，強化思維。本文觀點打破了傳統(tǒng)Python編程語言以學(xué)生死記知識點的教學(xué)模式,提出基于計算思維培養(yǎng)的Python分析問題、設(shè)計算法并解決問題、實施反饋、項目遷移和分享總結(jié)六個教學(xué)流程中，