参透算法要诀，剑指问题解决

    

    主持人

    李维明，教育部普通高中信息技术课标修订组核心成员，正高级教师（教授）

    主持人语：继教育部正式颁布《普通高中课程方案（2017年版）》及《普通高中课程标准（2017年版）》之后，目前已完成新教材的编写修订工作。更为可喜的是，国务院办公厅新近颁发了《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》，提出了优化课程实施的新举措——结合推进高考综合改革，2022年前全面实施新课程、使用新教材，也就是在2022年之前新课程、新教材得到全面实施。为此，不少省区已经制订了全面推进新课程的实施方案，新的教学时代即将展开。为配合即将到来的新课程、新教材的教学，“普通高中信息技术新课标教学实施”专栏应运而生，目前已先后讨论了“如何实施‘三新一旧的信息技术学科教学”（共5期）和“信息技术学科课程教学条件的创设的基本策略”（共4期）等话题，得到了广大信息技术教师和教研人员的支持和认可。本期继续针对“必修模块1的教学”展开“普通高中信息技术新课标实施之教学专题一”的研讨，内容包括“必修模块1的教学概述”“必修模块1的教学建议—单元1：数据与信息”“必修模块1的教学建议—单元2：数据处理与应用”“必修模块1的教学建议—单元3：算法与程序实现（含了解人工智能）”及“必修模块1的教学测评”等专题，以飨读者。同时，也希望广大信息技术教师、教研人员积极参与，献计献策，共同促进学科课程的顺利实施、健康发展。欢迎大家不吝赐稿（[email protected]）。

    普通高中信息技术新课标实施之教学专题一

    必修模块1的教学

    必修模块1的教学概述

    必修模块1的教学建议—单元1：数据与信息

    必修模块1的教学建议—单元2：数据处理与应用

    必修模块1的教学建议—单元3：算法与程序实现（含了解人工智能）

    必修模块1的教学测评

    “算法与程序实现（含了解人工智能）”是《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（简称《标准》）“必修模块1：数据与计算”中的重要内容之一，主要包括简单算法的表示与编程实现，也包括人工智能的了解与认识等几个方面。在教学中应当以算法为要旨，以编程为手段，以问题解决为核心展开教学。

    参透“算法”

    算法是指一个有穷规则的集合，也就是一个解决某一特定类型问题的运算序列。在计算机科学中，为保证计算机有序执行指令，算法都具有指定输入、指定输出、确定性、有效性和有限性五个基本属性——这些定义是比较专业而又抽象的。而在《标准》中，对算法学习的要求并不是那么专业，只是“从生活实例出发，概述算法的概念与特征，运用恰当的描述方法和控制结构表示简单算法”。这里提到的算法的“概念与特征”用前述的一段文字就可概括;对如何“运用恰当的描述方法和控制结构表示简单算法”也可以分别来认识。

    首先什么才是描述算法“恰当的”的方法，《标准》里并没有明确指出，但在目前教育部已经审定的几套教材中，几乎都有着同样的表述——描述算法的方法有“自然语言”“流程图”和“伪代码”等三种，而对“控制结构”也同样说明有“顺序结构”“选择结构”和“循环结构”等三种。

    然后就是如何“运用”这些方法和控制结构来描述算法。《标准》中提出：“创设程序设计的活动情境，组织学生在解决问题的过程中探究顺序结构、选择结构和循环结构的特点，通过小组学习，分析问题，设计解决问题的算法。”这里提到的创设“活动情境”，是什么样的情境呢？教材中也将其具体化了：有描述洗衣机“洗衣流程”的，也有描述“红灯变绿灯”的，还有A市到B市“最短路线”的……不管设置什么样的情境，都是便于学生“探究”方法结构的特点，“设计”解决问题的算法。

    倚重“编程”

    所谓“编程”，就是使用某种语言进行程序设计，从而实现算法的通俗说法。在《标准》中，对编程的要求首先是“掌握一种程序设计语言的基本知识”，这是《标准》中少有的提法。何为“掌握”？一般的解释是：能理解学习材料的内涵和意义，并能在熟悉的基础上加以灵活运用。由此可见《标准》要求的“掌握一种程序设计语言的基本知识”就是要求学生能理解“程序设计语言”的内涵和意义，在熟悉“程序设计语言”的基础上，能灵活运用，从而达到“使用程序设计语言实现简单算法”的要求。

    “掌握”的含义不仅仅如此，更需要“通过解决实际问题，体验程序设计的基本流程，感受算法的效率，掌握程序调试与运行的方法”。什么是实际问题呢？《标准》给出了一些例子。例如，通过编程实现枚举法中的“百钱买百鸡”等经典案例，体验程序设计的基本过程，学习程序设计的基本方法;通过设计“选课系统”“趣味小游戏”等具有一定实用价值的程序，培养学生利用程序设计解决实际问题的基本能力。

    其中“百钱买百鸡”的问题，是我国古代的一道经典的数学题，解决时需要先分析问题，寻找解决问题的方法，然后再将其抽象，建立数学模型，设计出算法，用计算机语言设计程序，运算出结果。而对于选课系统，趣味小游戏则需要花更多的时间去进行需求分析，搞清楚需要解决的问题是什么，然后才能建立模型设计算法，最终达到解决问题的目的。所以，不管解决什么样的实际问题，都需要亲历计算机解决问题的一般过程：分析问题—设计算法—编写程序—调试运行。

    从以上分析可以看出，编程是实现算法、解决问题的重要手段，也是《标准》必修模块1教学的重难点所在，建议教学时预留足够的课时，让学生动手设计程序、调试程序，从而掌握编程解决真实问题的基本技能，以达成本模块的教学目标。

    如果把眼界再放开来看，整个高中的信息技术课程，用“数据”“算法”可以将其贯穿，而实现算法、处理数据的方法其实都与编程解决问题息息相关（如下页图）。

    由此可见，“掌握一种程序设计语言的基本知识”、编程“解决实际問题”的技能何其重要。在教学中一定要对其高度重视，特别是在必修模块1的教学中，绝不能掉以轻心。

    至于学习编程时选择什么语言，《标准》并未指定，不过从教育部新审定通过的五套教材来看，全都不约而同选择了当今最为流行的编程语言：Python。这是因为Python有相对较少的关键字，结构简单，有一个明确定义的语法，学习起来更加简单;Python代码定义得更清晰，易于阅读;Python的源代码易于维护;Python语言是免费使用的，获得也十分容易。当然，选择什么语言并不重要，因地制宜才是正确的选择之道。

    正视AI

    对于人工智能（AI）的知识，算法及硬件技术的突破，使得“昔日王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”，人脸识别、语音识别、无人驾驶等应用，早已耳熟能详，妇孺皆知。目前的人工智能教育，社会上热度很高，但对于信息技术课程来说，不能简单地跟风炫酷，而要“通过人工智能典型案例的剖析，了解智能信息处理的巨大进步和应用潜力，认识人工智能在信息社会中的重要作用”。这是《课标》的要求，也是在高中必修课程学习期间应该达到的目标。

    这里的几个关键词是“剖析”“了解”“认识”，这正好表明了对人工智能部分学习要求的程度，其中最难把握的是“剖析”。《中国现代汉语大词典》对“剖析”的解释是：“【剖析】动分析、解说。”这是动词，是需要在教学中对“人工智能典型案例”进行“分析”“解说”，从而达到“了解”和“认识”的作用。那什么才是“人工智能典型案例”？《标准》举出了实例：“例如：通过研讨人工智能在智力竞赛及图像记忆挑战中夺冠、战胜顶级人类棋手等事件……”也就是说，教学中需要对类似这样的图像识别、人机博弈等应用进行“分析”“解说”，让学生了解其“进步”和“潜力”，认识其在社会中的重要作用，从而“引导学生深入了解人工智能技术，思考人工智能发展对社会发展的影响，以及可能会引发的社会问题”。

    对于教学的方法，《标准》建议：“在教学实施中，教师可通过情境模拟或实景观察等方式，让学生体验人工智能对社会发展的影响，感受人工智能与社会各领域结合所带来的巨大变化，思考人工智能廣泛使用可能会引发的社会问题及应对策略。”在新课标教材中，都设置了一些人工智能应用的典型应用案例供学生进行“剖析”，如“空调企业智能客服机器人”“智能班级交互系统”“手写数字识别”等，试图通过这些案例的剖析，让学生了解人工智能的应用，认识人工智能的作用。

    按《标准》的表述，至此已经达到教学的要求。但其中似乎少了一些学生对人工智能技术的参与及体验。也就是说，之前学生学习了程序设计语言，进行了编程实践，实现了一些“算法”，而人工智能也是某种“算法”，只不过复杂程度更高而已。能否让学生通过简单的编程，调用人工智能算法来实现自己的“人工智能应用”功能，去解决应用中的一些简单的问题呢？答案是肯定的。有些教材就考虑到了这一点，设计了“编程调用平台中的智能工具”，开发自己的智能应用，如智能“信息值守机器人”“人工智能绘画”“智能客服机器人仿真系统”等，既照应了之前的语言学习，又拓展了学生的智能体验，可谓一举两得。

    总之，本单元的教学内容相当重要，教学难度之大、教学时间之长可想而知，教学中必须十分重视，只有抓住“算法”核心，倚重“编程”手段，剑指“问题解决”，方能出奇制胜，取得良好的教学效果。