运用计算思维求解问题
运用计算思维求解问题 摘要：“互联网+”时代，对学生计算思维能力的培养 不断受到教育者的关注，基于计算思维的教学改革在大学计 算机基础课中已经实施。近年来，部分专家开始关注计算思 维在中小学尤其是高中信息技术课程中的实践应用。笔者以 计算思维操作性定义为依据，在高中信息技术课程中以“表 格数据处理”一课为例，开展基于计算思维的教学设计与实 践，并通过实践初步总结出运用计算思维方法分析和求解问 题的一般过程，初步探索了基于计算思维的高中信息技术的 教学模式。中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117 （2016）19-0036-04 ● 设计背景 计算思维是当前国际计算机界和教育界较为关注的、涉 及计算机本质科学和课程核心价值的重要概念，2006年美国 卡内基梅隆大学计算机科学系主任周以真教授首次提出计 算思维的概念，她认为计算思维是运用计算机科学的基础概 念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算 机科学之广度的一系列思维活动。[1]2010年，中国9所高校在西安交通大学就增强大学生计算思维能力的培养发表了 《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》[2]， 标志着我国基于计算思维的大学计算机基础课的改革工作 得以实施。近年来，已有部分专家开始关注计算思维在中小 学信息技术课程中的应用，对于有着明确国家课标的高中信 息技术课程，如何融入和有效培养学生的计算思维，已成为 值得研究的课题。2011年，国际教育技术协会（ISTE）和计 算机科学教师协会（CSTA）给出了计算思维的操作性定义， 并指出计算思维是一个用来解决问题的过程，它具有以下六 个特点[3]：①制定问题，能够使用外界工具如计算机和其 他工具等帮助解决这个问题；
②组织和分析数据，要符合逻 辑；
③通过抽象，如模型、仿真等，重现数据；
④通过一系 列有序的步骤也就是算法思想，支持自动化的解决方案；
⑤ 识别、分析和实施可能的解决方案，找到最有效的方案，并 且有效结合这些步骤和资源；
⑥将该问题的求解过程进行推 广并移植到更广泛的问题中。
● 思路分析 本课课型为新授课，教学对象是高一年级学生。本课根 据教育部2003年颁布的《普通高中技术课程标准（实验）》 （内含信息技术课程标准）的内容标准和实施建议，结合计 算思维概念的操作性定义，以运用计算思维的方法进行问题求解为主线，贯穿“问题提出”“问题分析”和“问题解决” 等主要流程，融入“任务驱动”“项目教学”等教学方法（如 图1）。[4] 针对高中信息技术学科特点以及研究的实际需求，在计 算机教室中安装常规软件的基础上，笔者运用ASP动态网页 技术设计了本课的课堂教学导学平台，学生可以通过教师机 的IP地址访问导学平台，并完成整个教学流程。同时，笔者 还将导学平台设置了外网访问地址（http：
//61.155.76.18/ct/dxdata/），为学生课后学习提供了资 源和技术支持。
● 教学实践 1.问题提出——发现生活中的问题 根据教学目标进行分析，本课的设计从生活中的实际问 题入手，引出表格数据处理的应用需求。问题描述如下：某 单位党员需要向上级党组织缴纳党费，党费收缴以月为单位， 缴纳金额以工资表中实发工资为基数。实发工资3000元以内 （含3000元）缴纳比例为0.5%，超过3000元的缴纳比例为1%，最终上报的统计表按右上表所示的表头设计。请你根据问题 描述，帮助该单位党办主任完成党费收缴和上报统计表的工 作。
2.问题分析——组织分析所需数据 根据上述问题描述，按照操作性定义的思想，首先将复 杂问题化简，并转化为若干个子问题。由此引导学生分析：
完成上述生活中的实际工作，需要分解为哪些具体任务？即 从常规角度看，解决问题需要获取哪些必要数据？具体步骤 分解如下：第一步，建立上报统计表的表头；
第二步，获取 工资表中实发工资信息；
第三步，查找本单位党员信息；
第 四步，统计每位党员应缴党费。
3.方案设计——抽象数据和寻找自动化解决方案 根据上述常规的解决问题的步骤，引导学生分析：从计 算机解决问题的角度理解，需要获取哪些计算机能够自动执 行的必要数据？即要对常规求解问题的步骤进行模型抽象， 找出计算机能识别的且能自动执行的本质性操作。经过分析， 列出对应的抽象模型（如图2）。
基于抽象出的数据模型，可以寻找支持自动化的解决方案。即引导学生分析和列举一系列运用计算机等工具实现操 作的有序步骤（算法思想）。具体如下：
【字段创建】选用合适表格工具（可选工具有Word、WPS、 Excel、Access等）新建报表，并制作报表表头，表头包含 字段为：序号、党员姓名、缴费基数、缴费比例、缴费金额。
【数值运算】在单位提供的“工资表.xls”中选择合适 的方法计算员工的实发工资。已知：实发工资=应发工资-公 积金-保险，应发工资=岗位工资+薪级工资+职务津贴+综合 补贴。
【数据筛选】从“工资表.xls”中筛选出政治面貌是“党 员”的员工信息，并复制到新建的报表中。工资表和报表中 字段的对应关系为：姓名→党员姓名，实发工资→缴费基数。
【排序判断】在“报表”中运用排序命令或条件判断函 数，根据缴费基数和缴费比例，计算最终的缴费金额。
4.问题解决——实施可能的自动化解决方案 针对寻找到的若干项支持自动化的解决方案，分析、识 别并确定其中最有效的解决方案，如对表格数据处理软件的选择，为方便上报的报表与单位已有工资表之间的数据衔接， 在众多的数据处理软件中，选择大众化的表格加工工具—— Excel，即可完成该任务。围绕这些解决方案，对应抽象模 型的四个步骤设计学生实践活动如下：
实践活动1：建立报表表头→字段创建。
方案实现推荐：打开Excel程序，新建一个工作簿，命 名为“党费报表.xls”。在工作簿的Sheet1表中，按实际报 表要求建立序号、党员姓名、缴费基数、缴费比例和缴费金 额5个表头。
资源技术支持：导学平台“实践活动1”中“资源支持 —视频—新建工作簿”。
实践活动2：获取实发工资→数值运算。
方案实现推荐：在“工资表.xls”中计算员工实发工资。
实发工资=应发工资-公积金-保险，应发工资=岗位工资+薪 级工资+职务津贴+综合补贴。
资源技术支持：导学平台“实践活动2”中“资源支持 —视频—公式和函数”。实践活动3：查找党员信息→数据筛选。
方案实现推荐：从“工资表.xls”中利用“自动筛选” 命令筛选出政治面貌是“党员”的员工信息，并将筛选出的 “姓名”和“实发工资”字段下的单元格数据复制到报表“党 员姓名”和“缴费基数”两字段下面的单元格中。
资源技术支持：导学平台“活动3”中“资源支持—视 频—数据筛选”。
实践活动4：统计应缴党费→排序判断。
方案实现推荐：方案1：运用排序命令对报表“实发工 资”排序，并在“缴费比例”列中输入比例数值（小于等于 3000元的输入0.5%，其他输入1%），再运用数值乘法运算统 计出缴费金额。方案2：在“缴费金额”列的单元格中运用 条件函数IF进行判断，并统计出缴费金额。
资源技术支持：导学平台“活动4”中“资源支持—视 频—数据排序”。
实践活动完成后，学生将“党费报表.xls”通过导学平 台上传至教师机。5.问题推广——总结归纳并移植至其他问题 （1）总结归纳问题求解的一般过程 在生活和学习中，当遇到类似问题时，我们可以尝试运 用计算思维的方法去分析和解决问题。首先，要能准确地描 述问题，并将问题有逻辑地分解为若干求解步骤；
其次，从 这些步骤中抽象出本质性的操作模型，并寻找能通过计算机 等工具自动化执行实现的方案；
最后，选择一种最有效的自 动化方案让计算机执行，实现问题的解决（如图3）。
（2）推广移植求解过程至其他问题 运用计算思维求解问题的方法渗透于生活的各个方面， 按照上述总结归纳运用计算思维求解问题的一般过程，列举 如下两例，简要说明运用计算思维求解此类问题的基本思路。
【问题求解1】 问题描述：某单位工会决定在职工每年生日时，为职工 准备一份生日礼物。该单位工会主席现需要统计1～12月份中每月过生日的员工名单。请你运用计算思维的方法协助该 单位工会主席完成本项工作。
求解提示：通过对问题的分析，要统计1～12月份中每 月过生日的员工信息，只需要获取每位职工出生日期中的 “月”和“日”，由此抽象出数据模型可以从身份证号码中 提取出生年月日信息，在寻找自动化方案中可以用Excel中 的MID函数实现出生年月日信息的提取。
【问题求解2】 问题描述：BMI指数，称为“身体质量指数”，是国际 上常用的衡量人体胖瘦程度以及是否健康的一个标准，其计 算方法是用体重公斤数除以身高米数平方得出的数值。已知 目前亚洲人BMI的理想指数是18.5至22.9，请你运用计算思 维的方法：①计算自己的BMI值，判断是否健康；
②参照BMI 的理想指数，判断是否超重。
求解提示：通过分析可知，要判断自己是否健康或是否 超重，根据问题描述中已知的BMI计算公式和亚洲人BMI的理 想值，均需要获取自己的体重（公斤）和身高（米）信息， 由此可以抽象的数据模型是对获取到的体重和身高的值按 公式进行乘除运算，得出的值再与参考值比较大小。寻找自 动化方案，并在Excel中予以实现。● 结语 笔者将计算思维的概念渗透到高中信息技术课堂中，并 运用计算思维的方法求解问题，尝试让学生在理解“计算思 维”概念的基础上将其付诸实践，取得了预期的教学效果。
但计算思维是建立在计算机应用和操作层面上的属于方法 论层次的概念，如果脱离了信息技术课程的具体内容，单纯 地讨论计算思维能力培养，那是比较虚的。因此，要真正将 计算思维的方法论融入到高中信息技术课程中，在内容体系 和教学模式方面还需要做深入的研究和实践。信息技术教师 还要在信息技术课堂教学实践中主动构建基于计算思维训 练的课程内容，并积极地向学生渗透计算思维的理念和方法， 潜移默化地呈现高中信息技术课程的核心价值。
参考文献：
[1]Wing J M.Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006（3）：33-35. [2]九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明 [J].中国大学教学，2010（9）：4.[3]郭守超，周睿，邓常梅.基于App Inventor和计算思 维的信息技术课堂教学研究[J].中国电化教育，2014（3）：
91-96. [4]马秀麟.信息技术课程教学法[M].北京：北京师范大 学出版社，2013.