基于核心素養(yǎng)的小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架研究

耿品萬(wàn)

計(jì)算思維是人類(lèi)三大科學(xué)思維之一，現(xiàn)已引起世界各國(guó)的高度重視。同讀、寫(xiě)、算能力一樣，計(jì)算思維是每個(gè)人的基本能力、關(guān)鍵能力和必備能力。培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維凸顯了小學(xué)教育的基礎(chǔ)性?xún)r(jià)值，為學(xué)生的未來(lái)學(xué)習(xí)和生活奠定基礎(chǔ)。筆者在研究國(guó)內(nèi)外計(jì)算思維理論與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)基于學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架，用于指導(dǎo)小學(xué)信息技術(shù)課程的教學(xué)。

● 問(wèn)題的提出

2006年3月，周以真教授在計(jì)算機(jī)雜志Communications of the ACM上定義了“計(jì)算思維”，并用三種技能界定了“計(jì)算思維”，該界定被社會(huì)各界廣泛采用。2013年，英國(guó)教育部將原有的“信息通訊技術(shù)”課程更名為“計(jì)算”課程。同時(shí)，計(jì)算思維也將被納入我國(guó)新修訂的《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中。那么，什么是計(jì)算思維？計(jì)算思維的焦點(diǎn)是什么？計(jì)算思維的組成元素是什么？計(jì)算思維在小學(xué)教育，尤其是信息技術(shù)課程教學(xué)中如何落地？隨著研究的深入，教師們迫切希望有一個(gè)知識(shí)框架，以便理解計(jì)算思維并應(yīng)用到教育教學(xué)中。因此，筆者針對(duì)小學(xué)階段計(jì)算思維教學(xué)展開(kāi)了研究。

1.落實(shí)核心素養(yǎng)的需要

《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》中確定的中國(guó)學(xué)生發(fā)展六大核心素養(yǎng)中包括“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”和“實(shí)踐創(chuàng)新”。前者包括“信息意識(shí)”等基本要點(diǎn)，后者包括“問(wèn)題解決、技術(shù)應(yīng)用”等基本要點(diǎn)。落實(shí)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要載體是學(xué)科教學(xué)。雖然核心素養(yǎng)是跨學(xué)科素養(yǎng)，任何學(xué)科都有其對(duì)核心素養(yǎng)發(fā)展的共性貢獻(xiàn)與個(gè)性貢獻(xiàn)[1]，但“信息意識(shí)、問(wèn)題解決、技術(shù)應(yīng)用”這三個(gè)要點(diǎn)，無(wú)疑與小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科關(guān)系最密切。計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)則為學(xué)生達(dá)成信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)，使學(xué)生形成“信息意識(shí)、問(wèn)題解決、技術(shù)應(yīng)用”三大關(guān)鍵能力。

2.學(xué)科課程科學(xué)性、時(shí)代性的需要

現(xiàn)在，小學(xué)信息技術(shù)課程在很多人心中依然僅具有“工具”屬性。技術(shù)操作訓(xùn)練和利用技術(shù)解決問(wèn)題成為學(xué)科課程的全部，這屬于狹窄的“工具論”認(rèn)知，對(duì)信息科技的全民普及和小學(xué)信息技術(shù)教育極其有害，嚴(yán)重削弱了小學(xué)信息技術(shù)課程的價(jià)值。一方面，信息技術(shù)軟硬件更新速度快，小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容陳舊，跟不上軟硬件的發(fā)展；另一方面，大眾信息技術(shù)的普及與發(fā)展越來(lái)越人性化，使用越來(lái)越簡(jiǎn)單，甚至不需要學(xué)習(xí)即可掌握。因此，以此類(lèi)技術(shù)工具作為課程內(nèi)容教給小學(xué)生越來(lái)越不合時(shí)宜了。

把計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，在《中國(guó)至2050年信息科技發(fā)展路線圖》一書(shū)及《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》[2]中都提出了相應(yīng)的教學(xué)措施。

人類(lèi)使用的工具影響著自身的思維方式和思維習(xí)慣，進(jìn)而深刻地影響其思維。在目前的信息技術(shù)教學(xué)中，常常把當(dāng)前成人使用信息技術(shù)的工具經(jīng)驗(yàn)知識(shí)作為十幾年后才擔(dān)負(fù)成人角色的小學(xué)生所學(xué)的信息技術(shù)課程內(nèi)容，忽略了信息技術(shù)變化迅速與教育功能所具有的滯后性特點(diǎn)。那么，小學(xué)信息技術(shù)課程中究竟有哪些內(nèi)容能“深刻地影響著學(xué)生的思維”，或者說(shuō)究竟哪些內(nèi)容才是作為基礎(chǔ)教育小學(xué)課程而言能夠?yàn)閷W(xué)生的未來(lái)學(xué)習(xí)和生活奠基的呢？顯然，就是計(jì)算思維。

● 研究綜述

1.理論研究

理論研究集中在計(jì)算思維的科學(xué)定位、本質(zhì)特征、概念演進(jìn)、理論溯源、價(jià)值意義等方面。研究者從思維、思維科學(xué)的源頭入手，探索了人類(lèi)三大科學(xué)思維方式[3]，即理論思維、實(shí)驗(yàn)思維、計(jì)算思維，并初步梳理出可計(jì)算性原理、形理算一體原理與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)原理等三大計(jì)算機(jī)基本原理。計(jì)算思維是一種解析思維，它共用了數(shù)學(xué)思維、工程思維和科學(xué)思維。[4]計(jì)算思維的兩個(gè)核心概念是抽象和自動(dòng)化。計(jì)算是抽象的自動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)化隱含著需要某類(lèi)計(jì)算機(jī)去解釋抽象。計(jì)算思維是人腦的思維，是人們面對(duì)計(jì)算問(wèn)題時(shí)對(duì)計(jì)算對(duì)象能動(dòng)的、間接的、概括的反映。[5]

對(duì)計(jì)算思維的理解，有七種觀點(diǎn)[6]：一是“問(wèn)題解決說(shuō)”，表達(dá)了計(jì)算思維的核心功能，這是流行最早、歷時(shí)最久、最經(jīng)典的觀點(diǎn)，獲得了包括國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）等機(jī)構(gòu)和本研究的認(rèn)同；二是“抽象說(shuō)”，表達(dá)了計(jì)算思維的關(guān)鍵功能；三是“自動(dòng)化說(shuō)”，本研究也認(rèn)同計(jì)算思維的核心是將大的問(wèn)題抽象分解成很多小的問(wèn)題直到小的問(wèn)題能夠自動(dòng)化解決；四是“構(gòu)造說(shuō)”，“構(gòu)”是指被研究對(duì)象各種要素之間的組合關(guān)系與框架，“造”是建造、創(chuàng)造，即各種要素之間的組合關(guān)系與框架的建造；五是“信息表達(dá)說(shuō)”，計(jì)算思維是一種特別重要的表達(dá)形式，“編程就像寫(xiě)作，是一種表達(dá)方式，也是開(kāi)發(fā)新思維方式的入口；六是“社會(huì)計(jì)算說(shuō)”；七是“三維框架說(shuō)”，第一個(gè)維度是計(jì)算思維概念，第二個(gè)維度是計(jì)算思維實(shí)踐，第三個(gè)就是計(jì)算觀念。[7]

還有研究指出，計(jì)算思維指導(dǎo)的信息技術(shù)課程，有利于克服“工具論”的影響，有利于將計(jì)算思維塑造成基本的學(xué)科素養(yǎng)，凸顯其基礎(chǔ)教育的“基礎(chǔ)性”價(jià)值。[8]

2.教學(xué)實(shí)踐研究

計(jì)算思維教學(xué)實(shí)踐研究成果，應(yīng)首推高等教育階段的計(jì)算之樹(shù)[9]——一種表述計(jì)算思維知識(shí)體系的多維框架，通過(guò)計(jì)算之樹(shù)歸納計(jì)算技術(shù)與計(jì)算系統(tǒng)發(fā)展中經(jīng)典的、元始的、至今對(duì)人們?nèi)耘f產(chǎn)生重要影響的計(jì)算思維。

教學(xué)實(shí)踐影響力最大的，是美國(guó)在中小學(xué)階段將“計(jì)算機(jī)科學(xué)”寫(xiě)入奧巴馬總統(tǒng)簽署的《每位學(xué)生都成功法案》，一些美國(guó)學(xué)者更是將2016年稱(chēng)為“計(jì)算機(jī)科學(xué)元年”。[10]美國(guó)要求各州自幼兒園到高中要為學(xué)生提供計(jì)算機(jī)科學(xué)必修課程，這一歷史性轉(zhuǎn)變，將對(duì)美國(guó)基礎(chǔ)教育產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。計(jì)算機(jī)科學(xué)作為一門(mén)學(xué)科在美國(guó)中小學(xué)已經(jīng)開(kāi)設(shè)，作為計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)科的基本學(xué)科素質(zhì)和學(xué)科專(zhuān)業(yè)思維，計(jì)算思維得到了廣泛的認(rèn)同。2011年，美國(guó)國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)、美國(guó)計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)與高等教育、工商界以及K-12教育的領(lǐng)導(dǎo)者共同形成了可操作性的“計(jì)算思維”定義，該框架明確“計(jì)算思維”是問(wèn)題解決過(guò)程。目前，美國(guó)計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)已經(jīng)更新發(fā)布了K-12計(jì)算科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（2016過(guò)渡版、2017版），該框架有效指引了課程教學(xué)。為了助推計(jì)算思維教育，2013年公益組織Code.org倡導(dǎo)了“編程一小時(shí)”活動(dòng)，已有來(lái)自全球180多個(gè)國(guó)家、數(shù)以千萬(wàn)的學(xué)習(xí)者參加。endprint

英國(guó)中小學(xué)階段將原有的國(guó)家課程“信息通用技術(shù)”更名為“計(jì)算”課程，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)造力，并應(yīng)用于編程和數(shù)字媒體設(shè)計(jì)領(lǐng)域。英國(guó)的研究者還制訂了課堂計(jì)算思維培養(yǎng)框架及評(píng)價(jià)方案。[11]

國(guó)內(nèi)小學(xué)階段也零星出現(xiàn)了少量的計(jì)算思維實(shí)踐研究。一類(lèi)是以計(jì)算思維為核心的“小學(xué)Kodu趣味程序設(shè)計(jì)”[12]的研究，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展，在學(xué)生學(xué)習(xí)編程的過(guò)程中，提高其科學(xué)創(chuàng)新的能力；另一類(lèi)是基于計(jì)算思維的小學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)研究[13]，以Scratch和Logo為基礎(chǔ)，以機(jī)器人和Free BASIC為拓展。

綜上所述，計(jì)算是人類(lèi)文明最古老而又最時(shí)新的成就之一。從教學(xué)實(shí)踐上講，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，計(jì)算思維的小學(xué)教學(xué)實(shí)踐多從程序設(shè)計(jì)入手，過(guò)多關(guān)注程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言本身的學(xué)習(xí)。除了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的教學(xué)，Word、Excel的教學(xué)主動(dòng)融入計(jì)算思維的研究較少，在目前設(shè)備、師資、學(xué)時(shí)缺乏的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下仍然有研究的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

● 小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架

人類(lèi)社會(huì)最早是用手指、結(jié)繩、算籌等方式進(jìn)行計(jì)算。公元11世紀(jì)，中國(guó)人發(fā)明了算盤(pán)。從古至今，計(jì)算工具的演進(jìn)都深刻地影響著人的思維。計(jì)算思維作為思維活動(dòng)，很難精確描述，而以計(jì)算概念來(lái)表述則是一種有效措施。小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)迫切需要這樣一個(gè)表述框架。在周以真教授的論文中，計(jì)算思維包含19種能力，如約簡(jiǎn)、遞歸、抽象、分解等。這其實(shí)也是以概念來(lái)描述的思維。計(jì)算思維具有以下六大特征：概念化，不是程序化，但現(xiàn)實(shí)則恰好相反；根本的；人的，不是計(jì)算機(jī)的思維；數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合；是思想；面向所有的人，具有普適性。

小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科存在哪些“經(jīng)典的、元始的”計(jì)算思維對(duì)學(xué)生產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響呢？筆者參照“計(jì)算之樹(shù)”[14]與美國(guó)計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)發(fā)布的K-12計(jì)算科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（2017版），在學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的背景下，提出小學(xué)計(jì)算思維的教學(xué)框架。

1.基于核心素養(yǎng)的小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架

中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)與計(jì)算思維不謀而合，其中有多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)高度契合。核心素養(yǎng)就是要培養(yǎng)學(xué)生的“問(wèn)題解決”能力，其映射計(jì)算思維中的算法思維能力，“技術(shù)應(yīng)用”能力映射計(jì)算思維的程序思維能力，信息意識(shí)的培養(yǎng)依賴(lài)于計(jì)算思維能力的提升。由此可見(jiàn)，計(jì)算思維的培養(yǎng)有其關(guān)鍵性和必要性。

如下圖所示，筆者根據(jù)“偉大的計(jì)算原理”建構(gòu)的計(jì)算思維表述體系框架[15]，結(jié)合小學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，給出了小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架，“計(jì)算思維”是一個(gè)中心詞，其他六個(gè)概念以“計(jì)算思維”為中心并服務(wù)于“計(jì)算思維”。這六種思維屬于第一層次，也符合小學(xué)生認(rèn)知的特點(diǎn)。

2.小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架中的基本概念

“0、1”思維、遞歸思維是計(jì)算思維基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，抽象思維和自動(dòng)化思維貫穿整個(gè)計(jì)算過(guò)程，具有橋梁和紐帶的作用；算法思維被譽(yù)為計(jì)算系統(tǒng)的靈魂；程序思維精準(zhǔn)地體現(xiàn)了組合、次序、構(gòu)造，有工程性，不可或缺。

（1）“0、1”思維。計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是以0和1為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)實(shí)世界的各種信息都可被轉(zhuǎn)換成0和1來(lái)表示、處理和變換，再將0和1轉(zhuǎn)換成各種信息。0和1可將各種運(yùn)算轉(zhuǎn)換成邏輯運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，邏輯運(yùn)算又可由晶體管等元器件實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而組成邏輯門(mén)硬件電路，這種由軟件到硬件的紐帶是0和1?！?和1”的思維體現(xiàn)了“語(yǔ)義符號(hào)化，符號(hào)0、1化，0、1計(jì)算化，計(jì)算自動(dòng)化”的思維，也是計(jì)算思維的起點(diǎn)?！?、1”思維的主要教學(xué)內(nèi)容有二進(jìn)制、加法器、原碼、反碼、補(bǔ)碼、二維碼。

（2）“遞歸”思維。遞歸是計(jì)算技術(shù)的典型特征，是可以用有限的步驟描述實(shí)現(xiàn)近于無(wú)限功能的方法。遞歸被廣泛地用于構(gòu)造語(yǔ)言、過(guò)程、算法和程序，用于具有自相似性的近于無(wú)限事物（對(duì)象）的描述，用于自身調(diào)用自身、高階調(diào)用低階的算法與程序的構(gòu)造中，是實(shí)現(xiàn)問(wèn)題求解的一種重要的具有奠基性的計(jì)算思維。遞歸思維的主要教學(xué)內(nèi)容是漢諾塔。

（3）“算法”思維。算法被譽(yù)為計(jì)算系統(tǒng)的靈魂，是一個(gè)有窮規(guī)則的集合，它用規(guī)則規(guī)定了解決某一特定類(lèi)型問(wèn)題的運(yùn)算序列，或者規(guī)定了任務(wù)執(zhí)行或問(wèn)題求解的一系列步驟。問(wèn)題求解的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)算法，講求可實(shí)現(xiàn)性、空間復(fù)雜度、時(shí)間復(fù)雜度。算法思維的主要教學(xué)內(nèi)容有：一是在非編程課上將常規(guī)的操作步驟向算法導(dǎo)向；二是開(kāi)設(shè)編程課，如經(jīng)典的排序算法等。

（4）“程序”思維。一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？它是由基本動(dòng)作及其各種組合構(gòu)成。基本動(dòng)作即指令；指令的各種組合及其次序就是程序。系統(tǒng)可以按照“程序”控制“基本動(dòng)作”的執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)。程序思維的主要教學(xué)內(nèi)容：一是在非編程課上將算法思維步驟化，測(cè)試并得到滿(mǎn)意的結(jié)果；二是開(kāi)設(shè)編程課，直觀地測(cè)試算法的結(jié)果。編程課程與教學(xué)，也是本文提倡的，非編程課程與教學(xué)是在師資、設(shè)備不具備的條件下的一種折中策略。程序與算法是一對(duì)相互依存的概念。程序思維的主要教學(xué)內(nèi)容有順序、選擇、循環(huán)、過(guò)程、事件等。

（5）“抽象”思維。抽象是計(jì)算的“精神”工具，計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象化。本文提到的“語(yǔ)義符號(hào)化，符號(hào)0、1化”就是不同層次的抽象。抽象思維的主要教學(xué)內(nèi)容有社會(huì)自然問(wèn)題的計(jì)算化表達(dá)、命名、約簡(jiǎn)、分解等，如經(jīng)典的七橋問(wèn)題。

（6）“自動(dòng)化”思維。自動(dòng)化是計(jì)算在物理系統(tǒng)自身運(yùn)作過(guò)程中的表現(xiàn)形式。什么能被有效地自動(dòng)化運(yùn)行是計(jì)算學(xué)科的根本問(wèn)題。自動(dòng)化與抽象是一對(duì)概念，也是計(jì)算思維的本質(zhì)。自動(dòng)化思維的主要教學(xué)內(nèi)容有計(jì)算結(jié)果的自然化表達(dá)、搜索等。

綜上所述，計(jì)算思維的小學(xué)教學(xué)框架以培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維為核心，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止一種，如還可以利用Scratch等具體的工具進(jìn)行編程教育，這就如同“道”與“術(shù)”的關(guān)系。具體的編程工具側(cè)重于具體的技術(shù)培養(yǎng)，是“術(shù)”；小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架力求精髓、經(jīng)典、元始，為人的一生奠定核心素養(yǎng)。

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基金項(xiàng)目：本文為重慶市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度規(guī)劃課題“區(qū)域培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的實(shí)踐研究”（2016-09-009）的研究成果。endprint