高中信息技术基础教学中计算思维培养的案例研究
【摘 要】本文通过分析中学信息技术课程面临的问题，指出信息技术课程应回归体现本学科思想的核心内容和思维方法；在计算思维理论的指导下，通过教学案例的实践和研究，探索在高中信息技术基础教学中计算思维培养的方法。
【关键词】计算思维；高中信息技术；基础教学；案例
【中图分类号】G434 【文献标识码】A
【论文编号】1671-7384（2016）07-0057-03
研究背景
自2004年普通高中课程改革开始至今已经十多年。在这些年中，高中信息技术课程按照国家制订的课程标准稳步实施，取得了一定成效。但是随着社会的发展、课程改革的深入，信息技术课程出现了一些问题，这些问题引起我们的深思。
1. 信息技术课程存在的必要性
伴随互联网的普及，传统的信息技术课堂不再是中小学生获取大众取向的信息技术知识技能的唯一渠道。在我国全社会信息化水平不高，学生从其他渠道学习信息技术的机会非常有限的情况下，学校的信息技术课程在一段时间内承担了信息技术教育主渠道的作用[1]。但是，现在的形势发生了很大变化，学生可以通过家庭、社区、少年之家等多种途径来习得面向大众的应用软件的知识和技能。即使不参加中学的信息技术课程学习，学生也能玩转电脑。那么，信息技术课程存在的必要性在哪里？
2. 信息技术课程的核心价值
现阶段，按照高中的课程标准，学生可以通过学校开设的信息技术必修课程和信息技术与其他学科教学整合的课程来提升自身的信息素养。信息技术与学科教学的整合将信息技术必修课程中面向大众的部分应用性课程的内容和价值剥离走了、整合掉了[2]。那么，信息技术课程本身所特有的、不可替代的课程内容和价值又是什么呢？
3. 信息技术课程对人才培养的作用
21世纪的知识经济时代，培养具有国际竞争力的核心人才尤其重要。基础教育承担着为大学培养、选拔、输送优秀人才，帮助国家储备综合国力所需人力资源的责任。作为基础教育中的一门独立学科，信息技术应该怎样承担相应的责任？信息技术教育应该为此做些什么？是跟在发达国家源源不断的信息技术创新的后面，亦步亦趋地为发达国家的技术培养“忠实的消费者”，还是为我们国家的信息技术创新和信息技术领域的核心竞争力培养原创型技术人才呢[3]？
针对上述问题，我们认为未来的信息技术课程要为学生提供更加系统、专业的信息技术教育。即不能仅仅着眼于软件工具的使用，而应回归计算机学科相对稳定的、体现学科思想和方法的核心内容和思维方法。目前，计算思维是国内外专家、学者比较认可的计算机科学体系的核心思维模式。我们就计算思维在高中信息技术基础教学中的培养进行了教学实践，形成相关案例，并进行了初步研究。
计算思维概念及研究现状
1. 核心概念的界定
思维模式就是看待世界和认识世界的方法和观点。科学思维主要分为以物理学为代表的实证思维和以数学为代表的逻辑思维[4]。随着计算机科学技术的发展，图灵机理论、复杂性理论和交互式证明系统的提出，学术界认为出现了独立于实证思维和逻辑思维的第三种思维方式——计算思维。计算思维由周以真教授在2006年首次提出，表述为应用计算机科学领域的基础概念进行问题解决、系统设计和人类行为的理解。2010年，计算思维被进一步表述为一种思考过程，通过对问题和解决方案的清晰表述，使问题解决可以由具备信息处理功能的代理程序高效完成[5]。
英国皇家科学院将计算思维定义为认识周围世界所存在的不同层次的计算，并应用计算机科学工具和技术理解并辨析自然系统和人工系统及其运行过程[6]。Google公司认为计算思维过程是问题解决技巧和技术的集合，并将计算思维过程界定为问题分解、模式识别、模式生成和抽象、算法设计[7]。
目前，我们可以查阅的关于计算思维的定义有多种，对它的解释多停留在“哲学”或“科学”层面，在教学层面上还未形成一个清晰的表达体系，其内涵、外延还没有得到清楚的描述[8]。通过研究比较，我们认为周以真教授在2006年提出的计算思维的定义更适合指导我们这项教学实践的研究，因此，我们采用了周以真教授在2006年提出计算思维概念的表述作为研究的理论依据。
2. 研究现状
在我国，计算思维的培养起源于大学教育。2010年7月，为了提高大学计算机基础教育的质量，在“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”上，与会者明确提出将“计算思维的培养”作为计算机基础教育的核心[9]。自此，增强计算思维能力的培养，不仅成为当下大学计算机基础教学改革的主旋律，而且受其影响，高中信息技术课程建设正在朝这一方向转变。
案例研究
1. 案例主题的选定
目前，高中培养计算思维的课程教学主要针对程序设计与算法、人工智能等内容展开。但是，在高中信息技术基础教育中，基本概念、基本原理、软件应用的教学内容占较大比重。为了探索在这些教学内容中培养学生计算思维的方法，我们选取了高中信息技术基础必修模块中第二单元《有效获取信息》作为案例研究主题。在这个主题下，我们先后开展了三次教学实践活动，本文选取了两个案例《认识图像》和《声音的数字化表示》进行分析、研究。
2. 教学案例分析
案例一 《认识图像》
图像是我们生活中的一类重要信息。目前，我们主要通过数码相机、手机拍摄获取。数码相机等设备在拍摄景物成像的同时，也对相关的成像信息进行了数字化处理，形成了我们在计算机中所看到的图像。那么，计算机是如何将图像呈现在了屏幕上？计算机又是通过何种方式来准确描述图像信息呢？我们如何应用计算机处理图像的技术来解决实际问题？这都涉及图像的基本概念、基本原理及相关应用。《认识图像》教学设计的目的是希望通过对课程的学习，学生能够理解计算机显示图像的原理，掌握以计算机方式表述图像参数的基本方法，学会使用PS图像处理软件的相关技能，逐步养成以计算机解决问题的思维方式，即计算思维。
上课伊始，教师导入情境——播放《萌兄萌弟》视频短片。短片中妙趣横生的图像，吸引了学生的注意力，激发了学生学习图像的兴趣。在新知学习的环节，教师选择一张图像，放大16倍，学生观察图像，发现并理解图像的基本构成单位——像素及其特点。然后，教师展示实物照片和电子图像实例，提出一系列问题，引导学生思考、比较两者的区别与联系，进而学习图像的基本概念和基本原理。在探究应用环节，教师为学生安排了一个探究活动——“研究图像尺寸、输出分辨率、打印尺寸与图像质量的关系”。首先，学生应用PS图像处理软件的功能，分别查看图像1-1和图像1-2的参数，将数据记录在表格中。其次，学生对表格中的数据进行分析、归纳，得到图像参数的改变与图像质量关系的结论。然后，同学之间互相分享，教师矫正。最后，迁移运用，学生要应用研究得出的结论，解决一个实际问题，即按要求将图像文件的大小、尺寸进行修改，上传到网站。
在整个教学过程中，教师主要采用探究式教学。课前，教师为学生准备了必要而充足的学习材料。课堂上，学生通过材料发现问题、探索有关图像的规律性知识、解决问题。在探究的过程中，学生获得图像的基本概念和基本原理，习得图像的操作技能，培养相关能力，即对所要解决的实际问题进行分析，应用课上所学图像知识进行表述，运用课上所学图像处理技能进行解决。整个学习过程是学生思维发展的过程，是学生计算思维形成的过程。
案例二 《声音的数字化表示》
按照高中课程标准的要求，这部分内容不应只停留在简单使用音频信息的层面，还要深入到声音信息数字化的原理、方法、过程。它是体现信息技术学科本质的内容之一，也是《高中信息技术基础》教材中的难点。初中生已经有过听音乐、歌曲，或者通过MIC进行类似“卡拉OK”这样的娱乐活动。他们能够对声音文件进行非常简单的操作，比如，声音文件的下载、播放等等。但是他们对于声音是如何在计算机中表示的、声音波形的特点及波形的描述等还不清楚。
在本课中，教师通过图像与动画，把抽象的原理形象化，让学生能够直观地了解“音频数字化”的过程。在教师的不断引导启发下，学生学习并理解采样、采样频率、量化位数、声道数的概念，以及各个指标对于音频数字化质量的影响。最后，将生活中的问题抽丝剥茧归纳为声音的基本概念，应用所学的声音数字化原理解决。
案例《声音的数字化表示》的片段
课堂实验
（1）改变音频的声道数，观察声音效果变化（有操作提示）。将结果填写在下面的空白处。
应用Audition软件，将“诗朗诵”进行声音通道数的变化。 听音频效果，观察规律。
【操作指导】：运行Audition软件，单击“文件”→“打开”→找到“春江花月夜”文件→单击“打开”→默认为“波形”编辑视图（单一文件的编辑，有两个声道）。
①第一种方法：右击左上部“文件”面板中的当前文件名→提取声道为单声道文件→试听单声道效果与原文件比较，进行下列填空：
原文件声音效果特点：————————。
单声道效果特点：————————。
②第二种方法：在音轨最右侧，分别标有L和R，表明左右声道，点击相应字母，即可开关此声道，使声音变为单声道的情况，听效果完成下列填空。
原文件声音效果特点：————————。
单声道效果特点：—————————。
③得出实验结论：————————。
（2）改变音频量化位数，观察声音效果变化，（有操作提示）。
（3）改变音频采样频率，观察声音效果变化，（有操作提示）。
3. 案例研究的发现
虽然这两个案例在教学内容的选择、具体的教学方法等方面不尽相同，但是，通过上述的研究分析我们发现，两个课例均采用了探究式教学方法来培养学生的计算思维能力。
探究式教学方法是让学生经历一个科学家的研究过程，通过一系列的科学探索活动发现科学结论。在这个过程中，学生不是通过教师讲解或完全靠书本上的间接经验获取知识，而是通过自己的实践活动和搜集到的第一手材料认识问题，体验各种疑难情境[10]。这正与信息技术课程的性质相吻合。《普通高中技术课程标准》明确指出，普通高中信息技术课程是技术课程，立足于学生的直接经验和亲身经历，立足于“做中学”和“学中做”。在学生亲身体验、全程参与的过程中，学生会发展将问题以计算机能解决的方式进行表达，并借助计算机的软硬件予以解决的计算思维能力。
研究结论
经过研究，关于在高中信息技术基础教学中进行计算思维的培养，我们可以得出如下结论：
（1）计算思维的理论研究尚处于发展中，它的内涵和外延也在不断地被深化、丰富。虽然这种发展变化为计算思维理论指导教学实践带来了一些困惑，但是也为我们在高中信息技术教学中探索学生计算思维的培养提供了更大的自由空间。
（2）在高中信息技术课程中，不仅算法与程序设计和人工智能可以作为培养学生计算思维能力的内容，信息技术的基础知识技能也能是计算思维培养的载体。
（3）探究式教学是培养学生计算思维的可行方式之一。通过教学实践活动，我们将在高中信息技术基础教学中培养学生计算思维的整个流程归纳为：发现问题，将问题及解决方法以信息技术的基本概念和基本原理，抽象、清晰地表达出来，最终通过信息技术手段予以解决。