計算思維的培養(yǎng)國際研究綜述

范紅

尼葛洛龐帝說過：計算機不再只和計算有關(guān)，它決定我們的生存。當前，計算機技術(shù)發(fā)展日新月異，不僅影響著我們的生活、思維方式和思維習(xí)慣，而且也將深刻影響我們的思維能力。越來越多的教育者認為計算思維應(yīng)該和讀、寫、算一起作為兒童教育的一部分，是每人都需要的基本技能，那么教育教學(xué)中應(yīng)該如何教授培養(yǎng)計算思維呢？

青少年的計算思維是怎樣的

1.學(xué)生的計算思維

為了更準確、高效地培養(yǎng)學(xué)生計算思維技能，我們應(yīng)該在當前計算思維概念理解的基礎(chǔ)上，歸納、提煉出信息時代青少年應(yīng)具備的計算思維技能，并培養(yǎng)他們將其運用到學(xué)習(xí)、生活和實踐中。

美國一位參與“可擴展的游戲設(shè)計項目”（Scalable Game Design project）的一線教師對計算思維目前的定義表示仍然不是很了解，但是他認為：計算思維應(yīng)該使學(xué)生有能力使用編程知識來解決真實世界問題。創(chuàng)造性科學(xué)模擬的能力應(yīng)該是計算思維的核心。

基于Dave Moursund的觀點：計算思維的根本的意思是開發(fā)一些人們試圖研究和解決的問題的模型和模擬仿真，Walt Allan等人將計算思維的培養(yǎng)分了三個領(lǐng)域：模擬仿真或模型，使用機器人系統(tǒng)，游戲設(shè)計與開發(fā)。這三個領(lǐng)域關(guān)系錯綜復(fù)雜、彼此協(xié)作，幫助學(xué)生更普遍地理解計算思維：①模型和模擬仿真領(lǐng)域，Walt Allan等人列舉了GUTS（growing up thinking scientifically）中學(xué)項目，在這個項目中學(xué)生們和社區(qū)成員協(xié)作，積極參與模型化和模擬仿真現(xiàn)實問題來培養(yǎng)計算思維。在該項目中，他們探究社區(qū)中存在的問題，發(fā)明了基于代理的模型去探究問題的根本推動力，并檢測潛在的緩和策略。②游戲設(shè)計和開發(fā)領(lǐng)域，Salen（2007）說：組合一個成功的游戲需要基于系統(tǒng)的思考，關(guān)鍵問題解決的迭代，藝術(shù)和審美，協(xié)作和故事講述，交互設(shè)計，游戲邏輯和規(guī)則以及程序。這些挑戰(zhàn)對學(xué)生很有吸引力。Walt Allan等人列舉了校外iGame項目，中學(xué)生可以參與使用Storytelling Alice軟件對原作計算機游戲進行編程來培養(yǎng)計算思維。在這個項目中涉及的計算思維的概念有：算法思維（當學(xué)生們?nèi)ソ鉀Q一些和游戲編程相關(guān)的問題時會使用條件語句）、迭代和順序執(zhí)行。③機器人和機器人系統(tǒng)領(lǐng)域，Walt Allan等人列舉了中學(xué)iCODE（Internate community of design engineers）項目，學(xué)生需要完成大量的微型控制項目。他們根據(jù)在線項目指導(dǎo)提供的設(shè)計思想和項目計劃，開始制作一個簡單的含有可編程的閃光器，之后改進為一個音樂記憶游戲，最后改進為一個完全的自我控制的機器人。

從以上學(xué)者的研究，我們可以將青少年需要培養(yǎng)的計算思維看做是一種利用計算機解決實際問題的方法：即將實際問題抽象，并對該問題進行建模，之后按計算機語言編程求解，另外在此過程中如必要還可通過計算機的大規(guī)模批量處理，從而簡化該問題的求解。在我國已經(jīng)有許多地區(qū)的中小學(xué)開展了模擬仿真、游戲設(shè)計開發(fā)和機器人設(shè)計，并取得了一定的成績，如基于納英特3D虛擬仿真機器人、虛擬機器人迷宮和軌跡綜合競技項目以及機器人足球比賽等項目。但是在與一些一線教師的交談中了解到：這些領(lǐng)域的教育由于花費過大，大部分屬于“精英教育”，即被老師們選中的優(yōu)秀學(xué)生才能進入信息技術(shù)奧賽班參與項目，因此教學(xué)的對象和范圍相當有限。

面對信息時代的要求：計算思維是每人都需要的基本技能，因此我們需要切實地考慮如何在實際的課堂教學(xué)中培養(yǎng)每一位學(xué)生的計算思維。

2.Walt Allan等人提出的學(xué)生培養(yǎng)框架和建議

Walt Allan等人不僅給我們提供了計算思維培養(yǎng)的三個領(lǐng)域，同時他們基于對美國幾個學(xué)生項目的研究，提出了一個學(xué)生發(fā)展計算思維技能的“三部分”框架。①使用：學(xué)生們在這個階段需要了解技術(shù)的使用操作，包括該技術(shù)的操作界面和工具，還有其他人制造的各種產(chǎn)品。“使用”階段可為高度參與計算思維培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。②修改：使用工具越來越熟練時，學(xué)生們開始嘗試修改當前的程序或項目，改善原創(chuàng)作。在該階段，學(xué)生開始嘗試使用不同的程序操作來實現(xiàn)不同的結(jié)果，這些操作嘗試可以為他們?nèi)蘸笤谶M行原創(chuàng)時提供保障。③創(chuàng)作：在該階段，學(xué)生們將運用自己在前兩個階段中獲得的計算思維技能去創(chuàng)作一個大型的作品。

Walt Allan等人提出的學(xué)生計算思維的培養(yǎng)框架，給了我們一個明確的思路，他們將兩種持相悖觀點的教育者們聯(lián)系在了一起：一方是關(guān)注技術(shù)操作的教學(xué)者們，另一方是摒棄技術(shù)操作而一味創(chuàng)新的教學(xué)者們?！靶薷摹边@個階段則是連接這兩方面的橋梁?！笆褂谩薷摹獎?chuàng)作”三步驟，一步一個臺階，扎實穩(wěn)當。但作者們并沒有拘泥于這個順序的線性排列，在這個框架中，可以從任意階段開展教學(xué)，在教學(xué)中對某一階段或重點實施或輕描淡寫，完全取決于施教者對課程內(nèi)容和學(xué)生的把握。此三個階段循環(huán)往復(fù)，彼此相容。

Walt Allan等人提出要通過正式和非正式的學(xué)習(xí)機會來培養(yǎng)計算思維，他們給出了一些建議：

（1）環(huán)境創(chuàng)建。培養(yǎng)計算思維的關(guān)鍵是使學(xué)生們沉浸在一個豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境中，該環(huán)境需要有適當?shù)募夹g(shù)工具和協(xié)作文化來支撐。該環(huán)境的創(chuàng)建取決于以下三因素：①平衡課程的各種需要，提高課程的靈活性，需要學(xué)生的深入探究，逐漸將計算思維扎根于教學(xué)中；②加強教師能力建設(shè)，教師培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，其自身也應(yīng)具備該技能，需要為教師提供一些服務(wù)培訓(xùn)，改變教法，加強概念知識和技術(shù)以及一些特殊技能，如創(chuàng)建一個豐富、優(yōu)越的計算思維培養(yǎng)環(huán)境；③確保基礎(chǔ)設(shè)施的可用性。

（2）建設(shè)性的參與及創(chuàng)造性的使用工具。計算思維不僅僅是將計算機應(yīng)用到現(xiàn)實問題中，它的一個核心操作原則是，學(xué)習(xí)者需要一些機會去深度參與到再現(xiàn)現(xiàn)象中。

（3）更好地理解學(xué)生要學(xué)什么以及如何學(xué)，應(yīng)根據(jù)學(xué)生的年齡和前經(jīng)驗制定計算思維培養(yǎng)方法和框架。

（4）將計算思維融入到課程教學(xué)中，選定的例子需符合課程標準。

Walt Allan等人提出的計算思維“三階段”的培養(yǎng)框架和培養(yǎng)建議希望給教育研究者、特別是一線教師一些啟示，來探究在課堂教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維技能。

計算思維培養(yǎng)案例

1.利用Scratch軟件進行音樂編輯

Alex Ruthmann等人介紹了通過Scratch軟件進行音樂現(xiàn)場編碼來教授計算思維，他們認為在通過音樂教授計算思維中，Scratch軟件具有以下優(yōu)點：在該軟件的聲音模塊中通過使用不同的命令可以實現(xiàn)聲音的生成和播放。并且在播放不同的聲音時，該軟件還可以實現(xiàn)這些聲音的同步，同時還可以通過該軟件教授學(xué)生其他的計算思維概念，如回路（遞歸）、初始化、變量使用、改變變量算法（changing variable algorithmically）、模塊化、時間處理。Scratch另外一個功能是可以作為現(xiàn)場的編譯器（a live interpreter /compiler），使創(chuàng)作更加有意思。該功能可以實現(xiàn)通過音樂現(xiàn)場編輯代碼實時控制隨機音符或者連續(xù)音符的播放。

2.Photoshop軟件的自動化“批量處理”

從事電影和交互媒體研究的Scott Roberts認為學(xué)習(xí)基于時間的數(shù)字媒體創(chuàng)作（動畫片、數(shù)碼視頻、交互媒體等）的大部分學(xué)生不重視計算科學(xué)。他認為有必要使這些學(xué)生接受計算思維。在一些軟件中，如Photoshop、After Effects和Maya等，腳本動畫的不斷使用使得計算思維這些技能在圖像動畫創(chuàng)作中越來越不可缺少。

Scott Roberts列舉了一個使用Photoshop軟件的案例：手繪動畫的自動化應(yīng)用。手繪動畫是一種出現(xiàn)于19世紀晚期的藝術(shù)形式，技術(shù)創(chuàng)新使得手繪動畫的實用性和商業(yè)化生產(chǎn)成為現(xiàn)實。手繪動畫自動化應(yīng)用處理過程：需要清理所有的圖片和改變所有掃描圖的大小，為了簡便該過程可以運用Photoshop的動作和批量處理工具。首先完成60幅圖片，然后學(xué)生們用平板掃描儀（支持3-pin注冊，一個可以準確登記連續(xù)制圖的方法）將這些圖片掃描到PS里，為了實現(xiàn)自動工作，這些圖片需要嚴格登記而且需要大小一致；將這些掃描的圖片存在一個文件夾里，圖片用數(shù)字標上序號。然后學(xué)生們按照老師的指導(dǎo)創(chuàng)作，使用PS中的“動作”工具對一幅圖片進行圖片處理，如邊界大小、白平衡、濾鏡等操作，之后使用PS中的“批量處理”（batch prossecing）工具對所有圖片進行批量加工。

Photoshop里的“批量處理”功能可以幫助學(xué)生理解計算思維中的“自動化”概念，學(xué)生掌握“自動化”技能后，能夠大規(guī)模地解決問題，提高效率。

3.呈現(xiàn)界面（embodied interface）

Judith Good等人為了解決如何激勵學(xué)生參與計算思維的培養(yǎng)，以及了解計算思維的相關(guān)方面，提出一個三步驟的方法來培養(yǎng)計算思維：首先，通過以“魔鏡”的方式給學(xué)生提供一個創(chuàng)新的呈現(xiàn)界面，他們的主要目的是發(fā)揮學(xué)生從事這種新形式的互動的熱情；其次，提供一些新奇的、有魅力的能夠允許學(xué)生學(xué)習(xí)和練習(xí)計算思維能力的活動，該階段的目標是維持他們的積極性；最后，將這些活動帶入不同的課程領(lǐng)域，如英語、歷史、戲劇或跳舞，該目標是為了體現(xiàn)一個觀念，即計算思維確實可以跨越課程，并且可以廣泛適用。

為實現(xiàn)以上三步驟的方法，Judith Good等人開發(fā)了一個簡便的STAGE模型，該模型包括計算機、電子白板以及一些免費或者低費用的設(shè)備，如增強現(xiàn)實標簽、遙控器、傳感器和網(wǎng)絡(luò)攝像頭。為了實現(xiàn)與STAGE原型的互動，用戶首先需要穿上增強現(xiàn)實標簽，建立一個攝像頭，然后發(fā)射STAGE申請。之后用戶開始選擇一個角色和一個背景，然后點擊合適的按鈕將現(xiàn)實里的動作賦予給角色。一旦動作被記錄，用戶可以插入一個新的背景，或者將該實例化動作賦予一個新的角色，以便支持該動作序列的重新使用。目前對于動作的編輯關(guān)注在允許用戶剪切、復(fù)制和鏈接場景從而進行創(chuàng)造一個簡單的故事。

Judith Good等人為了進一步說明該原型和呈現(xiàn)界面的功能，他們例舉了一個案例——“跟著跳舞”：舞蹈教師為了將課堂活動和主題聯(lián)系起來，給7年級的學(xué)生們跳了一種叫“哈卡”的舞蹈。班里有一小群學(xué)生（凱特琳、卡米拉和喬恩），他們對ICT里的設(shè)計抽象和模塊化特感興趣，于是想要創(chuàng)造出一種方式來幫助其他的孩子學(xué)習(xí)“哈卡”舞，該方式就像跳舞墊游戲一樣。他們在DANCE ALONG游戲編程環(huán)境中創(chuàng)設(shè)：首先，他們在STAGE原型里的“呈現(xiàn)界面”前比劃動作，之后系統(tǒng)記錄他們舞蹈動作的基本順序。然后孩子們編輯這些舞蹈動作，每人用一個遙控來創(chuàng)建一個復(fù)雜的舞蹈。最后他們調(diào)用一個內(nèi)置程序功能，通過比較跳舞者的軌跡和程序軌跡的相似度給予他人反饋和為跳舞者打分。

該項目實現(xiàn)的基礎(chǔ)是創(chuàng)造一個交互界面和STAGE原型，該原型設(shè)計簡便低廉，在學(xué)校教學(xué)中有一定的實現(xiàn)可能。學(xué)生可以通過使用該界面和原型學(xué)習(xí)動作的過程中體會到計算思維問題分解技能。

培養(yǎng)數(shù)字時代新的思考方式——計算思維，已成為各國教育界關(guān)注的熱點問題。計算思維的培養(yǎng)是為了滿足學(xué)生的創(chuàng)造需要。教師應(yīng)注重對學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)，根據(jù)學(xué)生個體的差異，促進學(xué)生計算思維能力的提高，讓學(xué)生在思考中創(chuàng)造新事物。

來源于計算科學(xué)的計算思維能力，不再只局限于計算機專業(yè)領(lǐng)域，而是與“3R”一起成為信息時代人們的基本技能。它強調(diào)讓學(xué)生成為問題的解決者而不僅是軟件技術(shù)員；要創(chuàng)造知識，而不是使用信息；提供了問題解決新方法，培養(yǎng)學(xué)生運用遞歸、抽象、自動化、分解等計算方法處理實際問題；提供了看物理的、社會的或其他現(xiàn)象的新方法；強調(diào)增強創(chuàng)造力和創(chuàng)新思維。