“計算思維”的培養(yǎng)及學(xué)習(xí)者內(nèi)在品質(zhì)的達(dá)成

荊曉虹 李藝

周以真教授于2006年提出了計算思維（Computational Thinking）的概念。信息技術(shù)課程是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要途徑，計算思維所蘊含的思想和方法，能夠拓展學(xué)生的“思維”空間，幫助他們在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的同時發(fā)展自己的思維能力。[1]筆者參照哈爾濱工業(yè)大學(xué)戰(zhàn)德臣等人的研究成果[2]，再結(jié)合自身對基礎(chǔ)教育的理解，以信息社會人類解決的社會/自然問題為背景，將問題以適合基礎(chǔ)教育階段學(xué)生理解的層次呈現(xiàn)出來，并通過問題解決/分析的過程，將知識/概念的講解、行為/能力的提升、計算思維的培養(yǎng)三個方面進(jìn)行融合和促進(jìn)。學(xué)生在計算思維的引領(lǐng)下，隨著知識、能力和學(xué)科思維的不斷提升，其內(nèi)在思維品質(zhì)也會在潛移默化中得到強(qiáng)化和提升。

為了說明如何從基礎(chǔ)教育課程思維的意義上認(rèn)識計算思維，并考慮到計算思維的基本內(nèi)涵與表達(dá)、基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程的內(nèi)容覆蓋、成組概念間力求對等且正交完備關(guān)系等因素，筆者選擇了一種五單元十概念的方式來進(jìn)行表征。這組概念是“問題與計算”“數(shù)據(jù)與存儲”“信息與搜索”“交往與交互”“協(xié)同與協(xié)作”，其合理性主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的對稱性及覆蓋面的完整性兩個方面，它是本文嘗試關(guān)于走向方法論的學(xué)習(xí)者的內(nèi)在品質(zhì)進(jìn)行刻畫的一種線索。在下面的描述中，筆者以問題為中心，以問題解決為主要途徑，將技術(shù)（基本知識和技能）、行為（解決問題）、思維（學(xué)科思維）有機(jī)結(jié)合，互相融合，具體討論關(guān)于計算思維內(nèi)容、教學(xué)處理方法、計算思維的方法及方法論的內(nèi)在品質(zhì)三個方面。

● 問題與計算

1.計算思維所指內(nèi)容

“計算”是大家熟悉的一個概念，人類使用計算解決了很多問題，也是每個人幼兒時期便接觸到的基本技能。環(huán)顧現(xiàn)在的生活，微信、網(wǎng)購、在線教育……我們身處在以計算機(jī)為主要計算工具的信息時代，計算被賦予了新的內(nèi)涵。著名的計算機(jī)科學(xué)家、1972年圖靈獎得主艾茲格·迪杰斯特拉（Edsger Dijkstra）說過一句話：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力?！盵3]問題源自物理世界，而物理世界/語義信息可以抽象化、符號化，再通過進(jìn)位制和編碼轉(zhuǎn)成0和1進(jìn)行計算，這就是問題與計算的基礎(chǔ)含義。本單元所指的計算思維，包含0和1的思維、抽象思維、算法思維、問題求解思維等計算及其自動化的基本思維。

2.教學(xué)處理方法

本單元主要選取模型比較簡單的算法類問題，案例的設(shè)計要方便學(xué)生借助經(jīng)驗遷移來解決此類問題。例如，小明家的商店出售牛奶，媽媽告訴小明，牛奶如果賣價高了，售出的量就小，賣價低一些，售出量就會增加，但也不能一味降低價格。怎樣定價才能保證一天的盈利達(dá)到100元呢？學(xué)生思考并得出解決問題的一般過程，即發(fā)現(xiàn)問題、明確問題、提出解決方法、檢驗解決方法。在此過程中，學(xué)生確立問題解決中的難點和要素，并初步了解抽象的概念和學(xué)習(xí)抽象的方法。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工的環(huán)節(jié)引入自動計算的概念，歸納運用自動計算工具（計算機(jī)）解決問題的一般過程：分析現(xiàn)實問題、搜集問題的數(shù)據(jù)、建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)計算法并自動計算。通過問題解決的過程，教師先闡述并講解計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)概念及知識，如數(shù)據(jù)抽象、數(shù)學(xué)建模、選擇算法、設(shè)計程序等，傳授計算機(jī)科學(xué)中的原理和方法；再在知識“貫通”的過程中滲透0和1的思維、抽象思維、算法思維、問題求解思維等計算思維，使學(xué)生鞏固理解相關(guān)知識和原理；最后讓學(xué)生通過運用相關(guān)的計算思維解決新環(huán)境下的問題或新問題，加深對計算思維的理解，并提升其解決問題的能力。

3.方法及方法論內(nèi)在品質(zhì)

學(xué)生通過建立基礎(chǔ)知識、問題解決方法及計算思維的聯(lián)系，可以得知現(xiàn)實中的問題可以重新闡述成可以解決的問題；對于待解的問題，可以選擇一個合適的方式去陳述和建模，使其易于進(jìn)行規(guī)范化處理；了解計算方法的特定性及優(yōu)勢，自覺形成借助技術(shù)方法高效解決問題的習(xí)慣；熟悉計算方法的多樣性，養(yǎng)成多角度、多維度思考問題和分析問題的態(tài)度和習(xí)慣。

● 數(shù)據(jù)與存儲

1.計算思維所指內(nèi)容

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，利用信息化工具存儲數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值日趨重要，大數(shù)據(jù)正在改變著我們的生活、工作和思維。在以計算機(jī)為主的信息化工具中，數(shù)據(jù)是指描述客觀事物的符號，是計算機(jī)中可以操作的對象，是能被計算機(jī)識別、存儲并能被計算機(jī)程序所處理的符號集合。在上一單元中，已經(jīng)闡述了數(shù)據(jù)抽象、自動計算等思維和方法。本單元重點是自動計算解決問題中的數(shù)據(jù)抽象與存儲原理及方法，數(shù)據(jù)聚集成庫、抽象、關(guān)聯(lián)等計算思維。這些思維既為自動化解決問題奠定了基礎(chǔ)，也幫助學(xué)習(xí)者建立了“放棄對因果關(guān)系的渴求，轉(zhuǎn)而關(guān)注相關(guān)關(guān)系”等在數(shù)據(jù)時代重新浮現(xiàn)的思維方式。

2.教學(xué)處理方法

數(shù)據(jù)抽象和選擇合適的方式存儲，是為了便于后期的運算及價值挖掘，因此多種環(huán)境下的數(shù)據(jù)加工方式的學(xué)習(xí)和了解也是本模塊需要闡述的內(nèi)容。本單元選擇的問題應(yīng)兼顧問題中的數(shù)據(jù)量能否調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)間的關(guān)系復(fù)雜度能否拓展等因素，便于對比。例如，要調(diào)查當(dāng)前學(xué)生數(shù)字閱讀的狀況，可以先從了解一個班級的閱讀情況入手，相關(guān)數(shù)據(jù)可以直接搜集并填到設(shè)計好的表格中。拓展之后，調(diào)查范圍可擴(kuò)展到一所學(xué)校甚至更大的范圍，數(shù)據(jù)的來源也更豐富和復(fù)雜，可以是問卷調(diào)查，也可以是一堆有關(guān)數(shù)字閱讀的信息。將搜集到的信息分離、提純和簡略之后抽象為待加工的數(shù)據(jù)，稍復(fù)雜的問題還需要將信息分類、分層抽象。學(xué)生可以認(rèn)識和把握數(shù)據(jù)間的關(guān)系，選擇不同功能的加工工具輔助加工，如表格數(shù)據(jù)可以借助Excel、Access等工具軟件加工處理；計算機(jī)抽象的數(shù)據(jù)可以用更豐富的結(jié)構(gòu)存儲信息，從而實現(xiàn)更多的加工需求，如用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)存儲數(shù)字閱讀的信息來源，用表存儲閱讀量和閱讀周期，用集合存儲閱讀內(nèi)容與關(guān)注群體的關(guān)聯(lián)等，借助程序設(shè)計方法實現(xiàn)更智能化的加工。學(xué)生通過解決簡單問題，理解數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)抽象方法、數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)等概念，建立基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)與問題解決的聯(lián)系；教師通過問題的拓展，促使學(xué)生將所學(xué)方法運用于大量數(shù)據(jù)的抽象、存儲和加工，體驗大數(shù)據(jù)技術(shù)，并理解相關(guān)計算思維。這樣，以“問題”為中心，形成了以知識、能力和思維相輔相成、互相促進(jìn)的穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)。

3.方法及方法論的內(nèi)在品質(zhì)

學(xué)生經(jīng)過訓(xùn)練可以認(rèn)識到：數(shù)據(jù)抽象和存儲是問題解決過程中非常重要的環(huán)節(jié)；面對內(nèi)容復(fù)雜、繁多的問題，可以將問題中的要素通過分離、分解，進(jìn)一步分層抽象為可求解問題中的數(shù)據(jù)；根據(jù)解決問題的需要，數(shù)據(jù)可以選擇合適的方式組織存儲，便于關(guān)聯(lián)并產(chǎn)生新的價值；對于大量的信息和資源，需要化簡分解、甄別篩選、合理組織，多維度、多角度地進(jìn)行關(guān)聯(lián)與分析，分層管理信息和解決問題。

● 信息與搜索

1.計算思維所指內(nèi)容

掌握信息檢索的方法已變成每個人必須具備的基本能力，而有效的搜索與查找才能保證獲取和搜集信息的效率和質(zhì)量，它是解決問題過程中的重要環(huán)節(jié)。前面單元涉及抽象、存儲等計算思維，本單元重點呈現(xiàn)以搜索行為為主的問題，闡述與自動查找和信息搜索相關(guān)的重要概念，如信息（數(shù)據(jù)）聚集與分類、信息（數(shù)據(jù)）預(yù)處理、信息（數(shù)據(jù)）組織（存儲）結(jié)構(gòu)、搜索（查找）方式、信息（數(shù)據(jù)）關(guān)聯(lián)等，并滲透數(shù)據(jù)存貯與聚集成庫的思維、排序的思維、關(guān)聯(lián)的思維等計算思維。這樣，本單元既是對前面單元的相關(guān)思維內(nèi)容的延續(xù)和補(bǔ)充，也為計算思維的運用提供了新的問題情境。

2.教學(xué)處理方法

本單元主要凸顯以查找和搜索為重點的問題解決。學(xué)生可以從身邊的問題入手，梳理生活中查找對象的方法。例如，從一份名單中找到某位同學(xué)的信息，教師先將問題中的要素抽象為符號，再運用不同的信息工具（軟件），特別是運用程序設(shè)計軟件進(jìn)行查找的過程，講解自動查找過程中的存儲、排序等基礎(chǔ)概念，促使學(xué)生用掌握的基礎(chǔ)知識去支持問題解決的行為；在此基礎(chǔ)上，再引導(dǎo)學(xué)生探索搜索引擎的奧秘，將問題延伸至復(fù)雜的情境中，幫助學(xué)生建立化簡、分層、網(wǎng)頁排序、關(guān)聯(lián)等思維方式，更靈活地運用搜索技術(shù)。面向問題解決時，教師通過同類數(shù)據(jù)的搜集了解數(shù)據(jù)分類、聚集成庫的重要性；通過查找不同的需求，分析數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)對查找行為的影響；通過搜索中的關(guān)聯(lián)現(xiàn)象理解關(guān)聯(lián)思維及運用；通過了解搜索引擎的技術(shù)原理，理解搜索行為引起的相關(guān)現(xiàn)象，正確評價搜索結(jié)果，增強(qiáng)搜索行為的有效性。

3.方法及方法論內(nèi)在品質(zhì)

學(xué)生經(jīng)過訓(xùn)練可以認(rèn)識到：利用信息的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行充分的準(zhǔn)備工作（如分類、排序），有助于提高搜索行為的有效性和搜索結(jié)果的正確性，達(dá)到事半功倍的效果；排序是一件非常有意義的準(zhǔn)備工作；了解搜索技術(shù)的發(fā)展，學(xué)會搜索信息、合理利用信息和資源，能夠提高解決問題的效率。

● 交互與交往

1.計算思維所指內(nèi)容

交互與交往是社會生活最重要的內(nèi)容之一，在信息技術(shù)的視野下，可分為人機(jī)交互、機(jī)機(jī)交互、人人交互、網(wǎng)絡(luò)化社會交互與交往等多種內(nèi)容，涉及的計算機(jī)技術(shù)思想也相當(dāng)豐富。隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息的傳遞和交互變得非常簡單快捷，交互與交往的內(nèi)涵也越來越豐富，新的交互與交往規(guī)范也隨之建立。本單元的核心點是信息輸入和輸出的基本原理、協(xié)議、編碼器和解碼器等概念，基于計算機(jī)技術(shù)之交互原理和方法的交互模型，以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)化社會中的交互與交往的特點等。

2.教學(xué)處理方法

交互與交往的對象無論是人、機(jī)器還是其他，其要素主要涉及表達(dá)方式、接收方式和傳輸方式等。例如，人機(jī)交互主要指的是人、計算機(jī)以及其他技術(shù)之間各種符號輸入/接收、信息判斷以及信息傳輸、交互的過程。網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)機(jī)交互主要實現(xiàn)不同地理位置的兩臺或多臺計算機(jī)相互連接，并實現(xiàn)信息的發(fā)送、接收與轉(zhuǎn)換。本單元從基本的人機(jī)交互問題入手，從簡單直觀的人機(jī)交互界面開始，借助計算機(jī)語言和編譯器等基礎(chǔ)概念幫助學(xué)生理解交互的機(jī)理，可以適當(dāng)拓展到機(jī)機(jī)交互中的協(xié)議與編碼器/解碼器等概念，幫助學(xué)生理解交互的原理并形成系統(tǒng)的自覺思維。顯而易見，作品是有效的交流媒介，在本單元中，教師可以借助作品加工和制作的活動，促進(jìn)學(xué)生思維方法的形成。例如，作品加工的分層，實際上是人機(jī)交互的典型應(yīng)用，而這種人機(jī)交互方式，既符合人的特點，又可以借助計算機(jī)來實現(xiàn)。教師利用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的熱點問題，可以促使學(xué)生遷移運用已有思維認(rèn)識社會網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，挖掘行為背后的規(guī)則和原理，提高行為能力和自覺性。

3.方法及方法論內(nèi)在品質(zhì)

學(xué)生經(jīng)過訓(xùn)練可以認(rèn)識到：信息社會交往具有復(fù)雜性，交互和交往應(yīng)有明確目標(biāo)的指引，應(yīng)遵守規(guī)則、約定和協(xié)議；兩個看似不能交往的對象可以通過分解分層的方式，在合適的層次上交往；人不是孤立存在的，在與他人、物、環(huán)境等各種對象的交互交往中，應(yīng)樹立自我保護(hù)意識，確立良好的交往有助于提升生活品質(zhì)的信念。

● 協(xié)同與協(xié)作

1.計算思維所指內(nèi)容

人類處在復(fù)雜的大環(huán)境中，必須要具有面對復(fù)雜問題的信心，具備解決復(fù)雜問題的能力。這里的問題復(fù)雜性主要是指問題涉及的數(shù)據(jù)規(guī)模大、包含的對象多、解決的步驟繁瑣等，待解決問題循序漸進(jìn)地增加復(fù)雜度是課程設(shè)計中的特點。本單元的核心問題是復(fù)雜性的相關(guān)概念，解決復(fù)雜的算法類問題和系統(tǒng)類問題的過程與一般方法。教師通過解決復(fù)雜問題、分析合作與競爭等社會現(xiàn)象的過程，將化整為零、分層抽象與化簡復(fù)雜問題、不同性能資源的組合優(yōu)化、分工合作與協(xié)同求解復(fù)雜系統(tǒng)問題等計算思維貫穿其中，為學(xué)生有效運用方法解決復(fù)雜問題提供支撐。

2.教學(xué)處理方法

教學(xué)中，教師可以選擇典型的可優(yōu)化方案來解決復(fù)雜問題，如數(shù)據(jù)規(guī)模較大的窮舉算法優(yōu)化問題、計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備管理問題等，都為計算思維的展現(xiàn)提供了合適的平臺。教師通過闡述計算機(jī)系統(tǒng)的工作原理，剖析分工合作、優(yōu)化組合、協(xié)同求解復(fù)雜問題的思維；通過展示優(yōu)化算法的過程，講解時空轉(zhuǎn)換與折衷的思維。例如，在存儲器管理中，教師可以根據(jù)內(nèi)存和外存各自的優(yōu)勢，運用緩沖、并行等技術(shù)解決相互之間工作效率匹配與協(xié)同的問題，從而提高整個系統(tǒng)的工作效率。教師還可以將這些方法和模型遷移到日常學(xué)習(xí)生活之中，如文字處理軟件中的修訂與批注工具，實質(zhì)上也是一種人際協(xié)作工具，它可以打破時間、空間的限制，幫助學(xué)生實現(xiàn)更加廣泛的人際協(xié)作，提高學(xué)習(xí)和工作的效率，從而加深其對協(xié)同與協(xié)作的認(rèn)識。

3.方法及方法論內(nèi)在品質(zhì)

學(xué)生經(jīng)過訓(xùn)練，可以認(rèn)識到協(xié)作是將復(fù)雜問題分解化簡、合理分工，利于集聚眾力，優(yōu)勢互補(bǔ)，協(xié)同求解；有些看起來不能協(xié)作的問題，經(jīng)過分解之后，也能在部分合適的層次開展協(xié)作；能夠正確理解競爭與合作的關(guān)系；能明確面對復(fù)雜情況要理性分析，有效運用資源高效解決問題；能樹立面對復(fù)雜問題運用科學(xué)方法解決的勇氣與信念，以及人、技術(shù)、社會和諧共存的信心。

計算思維獨特的抽象事物、存儲數(shù)據(jù)、構(gòu)建模型、形成解決方案的框架，有效拓展了人類認(rèn)知世界和解決問題的能力及范圍，不可替代。從中選擇出恰當(dāng)?shù)膬?nèi)容，將其轉(zhuǎn)換為更具基礎(chǔ)性的信息技術(shù)課程學(xué)科思維，并以適合基礎(chǔ)教育階段學(xué)生認(rèn)知水平的形式呈現(xiàn)，構(gòu)建出信息技術(shù)課程的核心內(nèi)容，信息技術(shù)課程便不會隨著信息技術(shù)及其應(yīng)用工具的變化而失去“自我”。[4]教師通過學(xué)科思維的培養(yǎng)，讓學(xué)生能夠?qū)W習(xí)開放、系統(tǒng)的學(xué)科知識體系，充滿理智與創(chuàng)造性地解決問題，有意義、負(fù)責(zé)任地運用技術(shù)，形成符合預(yù)期的方法及方法論意識與自覺性，會挖掘和享受技術(shù)背后的生命意義、創(chuàng)造樂趣、審美情感和倫理精神[5]，這是信息技術(shù)課程追求的至高境界。這條路雖然較漫長，但隨著社會的發(fā)展、技術(shù)的更新和人才培養(yǎng)的需要，相信它必將越走越寬。

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