計(jì)算思維
——思維能力培養(yǎng)與信息技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)的融合*

馬秀麟，鄔 彤，劉立超

（北京師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，北京100875）

計(jì)算思維
——思維能力培養(yǎng)與信息技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)的融合*

馬秀麟，鄔 彤，劉立超

（北京師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，北京100875）

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的普及，計(jì)算思維成為科學(xué)思維的重要形式之一，對計(jì)算機(jī)思維能力培養(yǎng)的探索也日益受到教育者的重視。本文從計(jì)算思維的要素和內(nèi)涵入手，利用文獻(xiàn)分析和行動(dòng)研究的方法對信息技術(shù)基礎(chǔ)課中所蘊(yùn)含的計(jì)算思維規(guī)律進(jìn)行了歸納，從計(jì)算思維的視角對信息技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)中應(yīng)該重點(diǎn)培養(yǎng)的思維能力展開分析，明確了6個(gè)維度的培養(yǎng)內(nèi)容。最后，結(jié)合北師大信息技術(shù)基礎(chǔ)課的教學(xué)實(shí)踐，探討了計(jì)算思維能力培養(yǎng)的有效模式。

計(jì)算思維；思維能力培養(yǎng)；信息技術(shù)基礎(chǔ)課

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及，計(jì)算機(jī)科學(xué)對許多學(xué)科都產(chǎn)生了重要影響，基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維方式以其獨(dú)特的視角和特殊的操作方式，開拓了學(xué)科視野，為學(xué)科發(fā)展提供了新的研究方法，促進(jìn)了學(xué)科的快速發(fā)展，甚至通過與其他學(xué)科的交叉，催生了多門新生學(xué)科。[1]正是在這一歷史條件下，計(jì)算思維作為一個(gè)獨(dú)立的概念被提出來。自從2010年8月中國9所高校發(fā)表了《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》以來，[2]在我國高校掀起了新一輪信息技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)改革熱潮，多所研究型大學(xué)圍繞著計(jì)算思維啟動(dòng)了對大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)改革。目前，如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，促進(jìn)學(xué)生從計(jì)算思維的視角去思考問題和解決專業(yè)問題，已經(jīng)成為大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)的重要研究課題。

一、計(jì)算思維的概念及其對人才培養(yǎng)的價(jià)值

1．計(jì)算思維概念的提出

計(jì)算機(jī)科學(xué)是一個(gè)新興的學(xué)科，從理論上的圖靈機(jī)到現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)還不足百年，但其對各個(gè)學(xué)科的普遍方法論意義絕不低于其自身的工具性意義。計(jì)算機(jī)科學(xué)對人類最大的貢獻(xiàn)就在于它能夠在生產(chǎn)、工作、學(xué)習(xí)和生活中，影響人們的行動(dòng)、思想和方法。實(shí)現(xiàn)這種意愿的思想基礎(chǔ)絕不是狹隘的工具論，也不是單純的技術(shù)主義，而是從思維模式的層次影響著人們的解題方法。計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法論價(jià)值，促使人們重新思考計(jì)算機(jī)在科研、教育、生活和娛樂領(lǐng)域的作用，促成了“計(jì)算思維”概念的提出。國際上廣泛認(rèn)同的計(jì)算思維定義來自美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真（Jeannette Wing）教授。她認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念和方式進(jìn)行“問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解”的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。[3]

2.計(jì)算思維的方法論價(jià)值及其對人才培養(yǎng)的意義

計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科最大的不同就是突破了學(xué)科范式的限制，滲透到了各個(gè)學(xué)科乃至于推向其前沿，形成了一套有效的思維模式——計(jì)算思維，促使學(xué)科走向范式多元化，因此，沒有哪個(gè)學(xué)科有如此廣泛的研究領(lǐng)域和實(shí)踐范疇。衷克定教授指出：①計(jì)算思維拓展了其他學(xué)科的研究方法體系；②計(jì)算思維豐富和深化了其他學(xué)科的研究范疇；③計(jì)算思維改變了各個(gè)學(xué)科的發(fā)展模式。[4]總之，計(jì)算思維改變了很多學(xué)科的發(fā)展模式，促使學(xué)科向更高的抽象化、更強(qiáng)的計(jì)算化方向發(fā)展。學(xué)生的計(jì)算思維能力水平將對他們從事科研的能力、適應(yīng)社會的能力具有重要影響。

二、從人才培養(yǎng)的視角探討計(jì)算思維能力培養(yǎng)的關(guān)鍵內(nèi)容

陳國良教授認(rèn)為，當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動(dòng)的整體時(shí)，它作為一個(gè)問題解決的有效工具，人人都應(yīng)當(dāng)掌握，處處都會被使用。[5]計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法論屬性和計(jì)算思維概念的提出，使人們重新反思當(dāng)前信息技術(shù)教育的教學(xué)目標(biāo)、策略和方法，如何把計(jì)算思維的理念融合到當(dāng)前的信息技術(shù)教育活動(dòng)中，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課和信息技術(shù)教育的重要內(nèi)容。

然而，計(jì)算思維的概念和內(nèi)容博大精深，在當(dāng)前信息技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)中，應(yīng)該把哪些內(nèi)容列入思維能力培養(yǎng)的教學(xué)計(jì)劃呢？分析計(jì)算思維的概念及其內(nèi)涵，結(jié)合北京師范大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)的實(shí)踐，筆者認(rèn)為：大學(xué)階段的信息技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)應(yīng)著重在以下6個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維意識和計(jì)算思維能力。

1.培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S習(xí)慣

計(jì)算機(jī)科學(xué)中的程序設(shè)計(jì)、算法以邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)而著稱，對于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力、養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣都具有重要意義。對于計(jì)算機(jī)程序語言類課程的教學(xué)，從技能培養(yǎng)的角度，只是教會學(xué)生編寫程序即可。然而，從能力培養(yǎng)的角度，則不僅要教會學(xué)生編寫程序，更要教會學(xué)生學(xué)會評價(jià)程序、優(yōu)化程序；而從計(jì)算思維的角度，則更要求學(xué)生學(xué)會根據(jù)所要解決的問題，確定解題算法；然后再選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)某绦蛘Z言作為描述工具，并以現(xiàn)成的語言解決現(xiàn)實(shí)問題。在這個(gè)過程中，學(xué)生選擇哪個(gè)程序語言并不重要，其關(guān)鍵在于學(xué)生所選用的算法及解題思路，它反映了其邏輯思維能力的水平。

2.突破傳統(tǒng)教育形成的思維定勢，鼓勵(lì)樸素的、發(fā)散的思維模式

計(jì)算思維對很多問題的解決都提出了不同于以往的新模式。許多在傳統(tǒng)觀念中認(rèn)為低效、不可行的策略，在計(jì)算思維體系中都重新煥發(fā)了其生命力。這就要求人們在組織教學(xué)活動(dòng)時(shí)，允許學(xué)生突破在傳統(tǒng)教育中形成的思維定勢，鼓勵(lì)學(xué)生以樸素的、發(fā)散的思維模式去解決實(shí)際問題。同時(shí)，也要求教育工作者重新審視在傳統(tǒng)教育中已經(jīng)被否定的一些理念和方法，以一種新的思維視角來重新考量思維習(xí)慣和思維模式。

事實(shí)上，計(jì)算科學(xué)為一些傳統(tǒng)的無解問題提供了很好的解決方法。這些問題的解決，都是借助計(jì)算機(jī)工具，以計(jì)算思維的相關(guān)理論為指導(dǎo)，另辟蹊徑，從一個(gè)新的視角展開求證，最后取得了滿意的成果。

3.培養(yǎng)學(xué)生的迭代法思維模式，鼓勵(lì)學(xué)生借助迭代法解決實(shí)際問題

迭代是數(shù)值分析中從一個(gè)初始的估計(jì)值出發(fā)，通過尋找一系列近似解來逐步逼近問題真正解的過程，為實(shí)現(xiàn)這一過程所使用的方法統(tǒng)稱為迭代法。迭代算法是用計(jì)算機(jī)解決問題的一種基本方法。它利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、適合做重復(fù)性操作的特點(diǎn)，讓計(jì)算機(jī)對一組指令（或一定步驟）進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行，在每次執(zhí)行這組指令時(shí)，都能從變量的前一值推出它的一個(gè)新值。通過新值的逐級收斂，達(dá)到逼近問題真正解的最終目的。

4.培養(yǎng)學(xué)生掌握遞歸的思維模式，鼓勵(lì)學(xué)生以遞歸的思路解決現(xiàn)實(shí)問題

在計(jì)算機(jī)中，遞歸算法是一種直接或者間接地調(diào)用自身算法的過程，其目標(biāo)是“先把問題轉(zhuǎn)化為規(guī)模縮小了的同類問題（子問題），構(gòu)造出解決此子問題的通用函數(shù)，然后通過遞歸調(diào)用通用函數(shù)來表示問題的解”。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，遞歸算法對很大一部分問題的解決都是十分有效的，它往往使算法的描述簡潔而且易于理解。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，基于遞歸算法的思維方式是計(jì)算思維的重要構(gòu)成部分。在當(dāng)前的信息技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)中，應(yīng)該把遞歸思維能力的培養(yǎng)作為計(jì)算思維能力培養(yǎng)的重要內(nèi)容。

5.形成“從個(gè)案抽象出模板”，再“從模板派生個(gè)案”的思維習(xí)慣

從“個(gè)別抽象出一般規(guī)律”，然后再“利用一般規(guī)律設(shè)計(jì)個(gè)案”，是社會生活中普遍存在的現(xiàn)象，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的重要理念。從“面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)”中的“類”與“對象”，到Flash制作中的“元件”和“實(shí)例”，以致文字處理過程中的“樣式”與“格式”、“模板”與“文檔”，無不滲透著這一理念。

6.以計(jì)算機(jī)及其現(xiàn)有算法為工具，提升學(xué)生的科研能力，促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展

肯定計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法論價(jià)值，并不意味著否定計(jì)算機(jī)的工具性價(jià)值。正是計(jì)算機(jī)“工具性”屬性使計(jì)算機(jī)科學(xué)顯示出其對科研活動(dòng)的強(qiáng)大影響力。因此，計(jì)算機(jī)科學(xué)的“工具性”屬性也是計(jì)算思維能力培養(yǎng)的一個(gè)重要方面。

首先，充分肯定計(jì)算機(jī)的“工具性”價(jià)值，形成良好的信息素養(yǎng)和信息技術(shù)能力。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為最重要的數(shù)據(jù)獲取工具、數(shù)據(jù)處理工具。每天都有數(shù)不清的報(bào)表、郵件、咨詢和網(wǎng)頁在Internet中川流不息，實(shí)現(xiàn)著信息的傳遞與分享。這一習(xí)慣已經(jīng)深入人心，上升到了思維模式與方法論的高度，成為多數(shù)人科研、學(xué)習(xí)和生活中解決問題的基本策略。

其次，計(jì)算機(jī)科學(xué)為各類實(shí)證性研究提供了大量數(shù)據(jù)分析工具，為人們從事科研活動(dòng)助力。在人文科學(xué)的研究中，傳統(tǒng)的研究以質(zhì)性研究法為主。而基于數(shù)據(jù)開展的量化研究則需要以統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)據(jù)分析的理論為基礎(chǔ)，通過大量的數(shù)據(jù)分析來完成，對于出身文科的研究者具有一定的難度。然而，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，數(shù)據(jù)分析算法日益普及，促成了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件的出現(xiàn)。目前，很多定量分析算法已經(jīng)被集成到了常規(guī)的辦公軟件中，使定量研究中所需的數(shù)據(jù)分析算法不再神秘，成為了人文科學(xué)研究中的基本方法。

三、基于信息技術(shù)基礎(chǔ)課平臺培養(yǎng)計(jì)算思維能力的有效策略

國家把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力作為教育的戰(zhàn)略目標(biāo)，而創(chuàng)新能力的培養(yǎng)離不開良好思維習(xí)慣的培養(yǎng)。計(jì)算思維能力培養(yǎng)的前提是進(jìn)一步提高師生對于計(jì)算機(jī)課程的認(rèn)識，并把計(jì)算思維能力的培養(yǎng)融合到計(jì)算機(jī)課程教學(xué)的具體過程之中。

1.強(qiáng)化計(jì)算機(jī)的工具性與方法論屬性的統(tǒng)整

對于能否通過教學(xué)培養(yǎng)一種思維，這一點(diǎn)一直是存在爭議的。對于人類的計(jì)算思維能力培養(yǎng)，能否通過分解計(jì)算思維的知識點(diǎn)、講授思維方法而得到？筆者認(rèn)為，答案是否定的。計(jì)算思維是建構(gòu)在計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的一種思維模式和一類方法，應(yīng)該是比操作、技能更高層次的能力。對計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，應(yīng)密切結(jié)合計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的具體過程，把培養(yǎng)計(jì)算思維能力密切結(jié)合到信息技術(shù)課的教學(xué)過程之內(nèi)，在知識培養(yǎng)和技能獲得的基礎(chǔ)上，滲透計(jì)算思維的方法和習(xí)慣。為此，應(yīng)該解決好以下兩個(gè)方面的統(tǒng)整[6]：①操作與思維的統(tǒng)整；②技與能的統(tǒng)整。

大學(xué)計(jì)算機(jī)作為公共必修課程為各個(gè)學(xué)科培養(yǎng)掌握計(jì)算機(jī)基本技能的人才，僅僅注重操作技術(shù)無疑是不夠的，應(yīng)當(dāng)將計(jì)算機(jī)科學(xué)中方法論層面的原理與思維規(guī)律添加到教學(xué)的內(nèi)容、方法及其各個(gè)活動(dòng)的環(huán)節(jié)之中。事實(shí)上，大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中關(guān)于“技”的知識點(diǎn)是顯性的，而關(guān)于“能”的知識點(diǎn)則是隱含的，其核心是對計(jì)算思維模式的把握，把計(jì)算思維能力培養(yǎng)融合到技與能的成長過程之中。

2.通過圖示化編程，對學(xué)生實(shí)施算法訓(xùn)練，培養(yǎng)其邏輯思維能力

計(jì)算機(jī)科學(xué)中的程序設(shè)計(jì)以邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)而著稱，對于鍛煉學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力、培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣都具有重要意義，大學(xué)對程序設(shè)計(jì)類課程的培養(yǎng)目標(biāo)也是培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。然而，在具體的教學(xué)活動(dòng)中，不論傳統(tǒng)的C語言、Basic語言，還是Java語言，其繁瑣的語法結(jié)構(gòu)、靈活多變的輸入輸出格式規(guī)范，都曾經(jīng)成為很多學(xué)生的噩夢。

因此，應(yīng)提供一種編程環(huán)境，使學(xué)生可以避開瑣細(xì)的語法規(guī)則，把程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)聚焦到程序的邏輯結(jié)構(gòu)方面。為此，可借助圖示化編程軟件對學(xué)生的基本邏輯思維能力實(shí)施訓(xùn)練。通過圖示化的編程軟件 （例如Scratch），為學(xué)生提供一個(gè)回避繁瑣語法結(jié)構(gòu)的編程環(huán)境，有利于學(xué)生快速地建構(gòu)起規(guī)范的邏輯結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)其邏輯思維能力的提高。

3.借助案例教學(xué)，使學(xué)生逐步掌握迭代和遞歸的思維方式

迭代與遞歸，是計(jì)算思維中的重要內(nèi)容，也是初學(xué)者難以理解的概念。筆者認(rèn)為，從具體案例入手，案例教學(xué)法是促使學(xué)生全面理解遞歸與迭代思想的有效方法。

4.把計(jì)算思維訓(xùn)練融合于信息技術(shù)作品制作過程之中

計(jì)算思維的理念并不僅僅存在于程序設(shè)計(jì)類課程之中，在文字處理、多媒體作品制作中，無一不凝聚著計(jì)算思維的核心思想。教學(xué)實(shí)踐已經(jīng)證明，在信息技術(shù)基礎(chǔ)課教學(xué)中，如果把設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念放在教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，則更有利于學(xué)生制作出高質(zhì)量的作品來。

首先，在制作復(fù)雜作品時(shí)，應(yīng)以分析作品的整體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)方法為主，傳授操作技能為輔，從而促使學(xué)生形成清晰的設(shè)計(jì)思路。為此，在組織教學(xué)活動(dòng)時(shí)，筆者都采用了“先強(qiáng)調(diào)解題方案和思維模式、再講授具體步驟”的教學(xué)理念，從而使學(xué)生對這些軟件的應(yīng)用不再停留在界面操作層次，而是提升到了綜合應(yīng)用與反思的層次，從思維模式、方法論的層面提升了學(xué)生的綜合水平。

其次，在軟件應(yīng)用和作品設(shè)計(jì)過程中，強(qiáng)化邏輯模型、知識體系的建構(gòu)，促進(jìn)計(jì)算思維模式的建構(gòu)。盡管信息技術(shù)基礎(chǔ)課中的高深內(nèi)容不多，但基礎(chǔ)課所講授的各個(gè)模塊之中無一不滲透著計(jì)算思維的基本理念。教師應(yīng)該首先從思維訓(xùn)練和方法論的層面探究各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)精髓，挖掘各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)思路，探究其中隱藏的思維規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)，通過構(gòu)造高效的邏輯模型，幫助學(xué)生形成解題思路，從而在思維發(fā)展層面對學(xué)生產(chǎn)生影響。[7]

5.借助有效、實(shí)用的信息技術(shù)工具，促進(jìn)學(xué)生思維方式的進(jìn)化，逐漸形成穩(wěn)定的計(jì)算思維模式

要促進(jìn)文科專業(yè)學(xué)生計(jì)算思維能力的發(fā)展，直接向文科學(xué)生開設(shè)關(guān)于計(jì)算思維類的課程是行不通的。因此，應(yīng)密切聯(lián)系文科學(xué)生學(xué)習(xí)、科研的實(shí)際需求，多向他們傳授一些有效的、實(shí)用的信息技術(shù)工具，特別是要向他們傳授數(shù)據(jù)分析工具、數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘工具，為他們從事科研活動(dòng)提供新手段，為其勝任定量化的實(shí)證性研究助力。從北師大信息技術(shù)基礎(chǔ)課的教學(xué)實(shí)踐看，當(dāng)學(xué)生們對這些工具的應(yīng)用達(dá)到了一定水平，他們的思維方式和解題方法就一定會發(fā)生變化，計(jì)算思維的觀念和方法也就能慢慢地滲透到他們的思維習(xí)慣之中。

四、對計(jì)算思維能力培養(yǎng)實(shí)踐的思考與總結(jié)

對于如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，已經(jīng)引起了很多學(xué)者的關(guān)注。對學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，不僅僅是對計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的基本要求，也是對非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的要求。從筆者開展計(jì)算思維能力培養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)來看，計(jì)算思維是建立在計(jì)算機(jī)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)操作層面之上方法論層次的概念，如果脫離計(jì)算機(jī)課程的具體內(nèi)容，單純地討論計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是很困難的。因此，應(yīng)該把對計(jì)算思維能力的培養(yǎng)整合到信息技術(shù)課程教學(xué)的具體教學(xué)活動(dòng)之中，并要求教師在信息技術(shù)教學(xué)中主動(dòng)地向?qū)W生滲透計(jì)算思維的理念和方法。

[1]A.L.Barabasi.Bursts，the hidden pattern behind everything we do[M].Publisher Penguin，2010.

[2]九校聯(lián)盟（C9）.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010(9).

[3]Jeannette M.W ing.Computational Thinking[J]. Communicationsof the ACM,2006,49(3):33-35.

[4][6]衷克定.試論《大學(xué)計(jì)算機(jī)》課程的方法論取向[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012(10).

[5]陳國良，董榮勝.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011(1).

[7]馬秀麟,趙國慶，朱艷濤.知識可視化與學(xué)習(xí)進(jìn)度可視化在LMS中的技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].中國電化教育,2013(1).

（編輯:郭桂真）

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1673-8454（2015）02-0022-04

*本研究受北京市共建項(xiàng)目《人才培養(yǎng)項(xiàng)目——信息技術(shù)公共課教學(xué)模式改革與實(shí)踐》的資助，同時(shí)是教育部教改項(xiàng)目《基于未來教師計(jì)算思維能力培養(yǎng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程群建設(shè)》的研究成果。