计算机解决问题的过程

    金婧

    

    

    项目设计依据

    《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》引入“计算思维”，旨在强调学科思维的养成，在教学实施建议中提出把项目整合到课堂教学中，让学生在真实情境中以学科思维方式思考、用知识和技能分析，在解決问题中完成知识建构。

    本案例内容出自教育科学出版社出版的《信息技术必修1：数据与计算》第2单元“编程计算”第1节，具有承上启下的作用。同时，本节作为本单元的开篇，围绕“算法”学科核心概念展开，其中，对问题的抽象或形式化描述是算法的基础。

    针对这一部分内容，课程标准中的相关要求为：“1.6从生活实例出发，概述算法的概念与特性，运用恰当的方法和控制结构表示简单算法。1.7掌握一种程序设计语言的基本知识，使用程序设计语言实现简单算法。通过解决实问题，体验程序设计的基本流程，掌握程序调试与运行的方法。”

    项目教学目标

    高一学生在生活中会用到“算法”解决问题，但缺乏对计算机解决实际问题的过程的系统化梳理，对软件工具等工作方法和应用流程不了解，他们虽然具备利用计算机解决一些基本问题的工具操作技能，但多为被动的技术使用者。此外，在认识发展水平上，他们的逻辑思维能力趋于成熟，具有一定演绎归纳能力，自我表现、求知欲较强。

    基于课程标准的要求和内容、学情的分析，将本项目的教学目标设定为：①通过观察生活实例，能够主动发现规律，抽象特征。②在实现“定时提醒”功能的探究过程中，体会计算机解决问题的过程，理解其基本思想，并了解算法，能使用自然语言描述算法。③借助画程软件学会用流程图描述算法，知道算法的三种基本结构类型，感受利用数字化工具的优势。④通过剖析研究“定时”功能，认识到算法在学习生活中的应用价值，体会计算机解决问题的优势。

    教学重点为计算机解决问题的过程、算法的描述，难点为算法的描述、算法的三种基本结构。

    项目概述

    随着技术的发展，计算机以及由计算机控制的智能系统几乎渗透到各种领域，给我们的生活带来了许多便利。但电子产品的长时间、高频率使用也引发了眼部不适等健康问题。生活中学生经常接触到的智能设备都具有“定时”功能，我们可以将这种自动化的管理思想“移植”到合理管理用眼时间中。

    因此，本项目以探究“定时提醒”功能为主题，通过对“定时提醒”功能的分析、设计与实现，体验计算机解决问题的过程。教材预设本节需两课时，但从项目学习完整性以及实际教学安排考虑，将其设计为1课时。

    项目教学准备

    硬件环境：网络机房（配有音箱或耳机）;学习工具：画程软件，Python3.7（安装time、pygame、pywin32模块）;项目资源：PPT课件、电子活动导案、Python半成品程序、“参考助手”文档。

    项目实施流程（如下页图1）

    项目教学过程

    1.项目引入

    知识技能：分析和获取有价值的信息，迁移学习。

    活动形式：学生讨论、代表发言、教师引导。

    问题：计算机技术在给人们带来极大便利的同时也带来副产品，如长时间面对电脑引起眼部不适等健康问题。有什么方法、手段合理管理用眼时间？

    聚焦：从生活中智能设备“定时”功能得到启发，尝试通过编程实现“定时提醒”，倡导健康的生活方式。

    设计意图：“计算机解决问题的过程”，作为抽象而非静态的概念，贯穿整个“算法与程序设计”活动。所以，本课从真实生活中的用眼问题出发，以学生日常接触到的智能设备“定时”功能来引导其思考如何“趋利避害”，由此提出以“定时提醒”功能为研究主题，探讨如何编程实现用眼时间的管理。本次课以项目进程为明线，设计相应的活动，让学生从分析功能到设计方案再到编程实现，经历“计算机解决问题的过程”这条暗线，从而了解算法的描述与基本结构。

    2.项目分析

    活动1：“定时提醒”的功能分析。

    知识技能：问题的界定和描述。

    活动要求：①思考：明确项目问题。经常使用电脑设备的人应该注意用眼卫生，建议工作每隔1小时左右休息10～15分钟，所以，我们希望能实现定时提醒休息。②讨论：找出问题的条件与求解目标，根据教师提供的表格填写“定时提醒”问题分析。

    设计意图：本环节明确项目问题，通过表格帮助学生以计算机领域的方式分析问题，界定和描述问题，找出条件与求解目标，有助于学生发现问题的基本要素与特征，即以“定时提醒”问题中的时间节点为条件，换言之，特定的时间点触发相应的事件响应。

    3.项目设计

    活动2：“定时提醒”功能的方案设计。

    知识技能：算法、自然语言描述算法。

    活动要求：①想一想：学生2～3人一组思考以下问题。问题1：如何确定到达时间点？（计时/倒计时/计算时间差……）问题2：以何种方式提示？（文字/声音/弹窗……）②说一说：小组代表分解实现“定时提醒”功能的步骤。

    设计意图：本环节以问题搭建脚手架，引导学生寻找问题条件到目标实现之间的方法途径，实现思路与技术实践之间的连接。学生分组讨论解决方案，形成良好的互动与分享，既发挥学生的自主性，又扩展了方案设计的空间。在此基础上，教师通过梳理学生的方案引出“算法”概念，加深理解，同时也可以根据学生的设计方案来调节难易程度。

    活动3：“定时提醒”功能的算法描述。

    知识技能：流程图描述算法、算法结构。

    活动要求：①阅读教材第20页内容，了解流程图的符号与功能。②尝试利用画程软件绘制流程图。③阅读教材第20～21页，观察绘制出的流程图，说一说设计方案中用到哪种（些）算法结构。④思考并调整：“重要的事情说三遍”，若需要提醒3次，如何修改流程图？

    设计意图：从自然语言到直接编写代码以实现设计方案，对于初学编程的学生有困难。活动3作为过渡，引出使用流程图描述算法。为了正确绘制流程图，学生自然会去阅读了解流程图的规范表示方法。学生通过绘制流程图描述算法，体会自然语言描述与流程图描述的区别，提高逻辑抽象思维能力，为以后算法与程序设计的学习做好铺垫。这一部分利用“画程”软件可以让学生借助快捷的数字化工具表达自己的思想，将思维可视化。最后，引导学生结合完成的流程图了解算法结构。

    4.编程实现

    活动4：“定时提醒”功能的编码实现。

    知识技能：程序运行、根据算法分析理解代码。

    活动要求：①试一试：打开半成品Python程序“2-1time.py”，尝试运行，实现“定时提醒”（参考代码如图2）。②比一比：对比预设效果与运行结果，分析代码功能。③改一改：程序可以如何修改完善？需要在什么位置修改代码？

    设计意图：在活动3的基础上，根据绘制好的流程图，进行编程实现。针对学生第一次接触Python的学情，以“半成品”教学法降低程序编写难度。这一部分提供“参考助手.txt”，以便学生修改完善时参考，在降低活动难度的同时也尽可能发挥学生的自我创新能力。

    5.项目总结

    知识技能：计算解决问题的过程、算法的描述、算法的三种基本结构。

    活动形式：学生代表总结、教师补充。

    梳理提升：梳理学习过程，以此提升到编程解决问题的一般过程。

    拓展探究：定时提醒功能是以时间为判断依据，调节用眼时间，促进自律。其实，生活中，“定”不限于“时间”，如智能电饭煲，具有恒温保温作用，它是如何工作的？我们是否遇到过其他场景应用了类似的工作模式？

    设计意图：让学生将知识体系的构建与实践经验结合，进一步加深对计算机解决问题的过程的理解。通过拓展，让学生继续思考类同模式，理解其他应用原理及意义，实现“来源生活”到“回归生活”，激发学生学习“编程与计算”的热情。

    设计后感

    信息技术学科拥有着自身的话语体系和探究方法，《计算机解决问题的过程》在新版教材中，不仅是一个教学内容，更是贯穿“算法与程序设计”的学科思想方法。以项目教学法开展教学，知识框架虽然被打散，但知识本身是具有情境性的。因此，我们需要对教材内容所涉及的知识点进行解构与重组，嵌入到真实的问题情境中，通过“问题串”搭建脚手架、“活动链”促进思维持续，引导学生在完成项目的同时落实学科核心素养，让学生成为真正具备数字化生存能力的数字化公民。