高中信息技術(shù)課程蘊含的計算思維分析

楊俊

摘 要：計算思維可以讓學(xué)生以一個多元化的視角用信息技術(shù)的學(xué)科思維方式理解信息世界，解決目前信息技術(shù)課程發(fā)展所面臨的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足等突出問題，進(jìn)一步推動信息技術(shù)課程的改革與重構(gòu)。實際上，計算思維隱藏于現(xiàn)有的高中信息技術(shù)課程之中，只是沒有聚焦于它。本研究從基于“偉大的計算原理”的計算思維概念框架、計算思維操作性定義兩個視角來分析高中信息技術(shù)課程蘊含的計算思維。計算思維概念框架涉及計算、抽象、自動化、設(shè)計、通信、協(xié)作、記憶、評估等八個維度，計算思維操作性定義涉及用計算思維解決問題過程的詳細(xì)可操作的步驟。研究采用了大量翔實的案例，對高中信息技術(shù)課程的一個必修模塊、五個選修模塊所蘊含的計算思維進(jìn)行了深入細(xì)致的分析。對于高中信息技術(shù)課程而言，能夠充分挖掘出各個模塊內(nèi)容中蘊含的計算思維，是有效實施計算思維教育的關(guān)鍵和前提。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；計算思維；概念框架；可操作性定義；案例分析

一、計算思維與信息技術(shù)課程的關(guān)系

（一）計算思維體現(xiàn)了信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價值

目前，國內(nèi)對信息技術(shù)課程價值的研究表述大都趨于泛化的“信息素養(yǎng)核心價值”論，關(guān)于“信息技術(shù)課程內(nèi)在價值”的研究較少。信息技術(shù)課程是一門以計算機為核心工具的課程，具有較強的抽象性、邏輯性和思維性，需要學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式來解決問題?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》中對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，雖然強調(diào)了培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題的思想方法，但卻并沒有明確地體現(xiàn)信息技術(shù)課程的內(nèi)在價值。全國中小學(xué)計算機教育研究中心李鋒博士明確提出，計算思維是信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價值。計算思維作為信息技術(shù)課程中集“邏輯能力、算法能力、遞歸能力、抽象能力”為一體的解決問題的方式，無論從技術(shù)方法層面、社會需求層面還是個體心理發(fā)展層面，都以一種獨特的思維方式引導(dǎo)學(xué)生理解信息社會，提高學(xué)生信息技術(shù)運用的批判能力、自我調(diào)節(jié)能力。發(fā)展學(xué)生的計算思維，培養(yǎng)學(xué)生運用信息技術(shù)解決問題的能力，充分體現(xiàn)了信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價值。

（二）計算思維解決了信息技術(shù)課程的學(xué)科思維問題

學(xué)科思維是區(qū)分學(xué)科邊界、表征學(xué)科獨立以及成熟的重要標(biāo)志，信息技術(shù)想要作為一門學(xué)科獨立存在，就一定要有自己的學(xué)科思維。對此，祝智庭教授也指出：面對不斷變化的信息化世界，計算機課程不是要把學(xué)生都培養(yǎng)成為程序設(shè)計專家，而是希望學(xué)生具備信息技術(shù)學(xué)科的思維方式，正確理解計算機和人與社會的關(guān)系。隨著數(shù)字化社會的不斷推進(jìn)，各類電子產(chǎn)品在日常生活中逐漸普及，小到手機，大到各種生產(chǎn)設(shè)備，計算思維已經(jīng)成為人們理解問題、分析問題、解決問題必須的思維方式。對于信息技術(shù)課程而言，計算思維就像人們閱讀、寫字、做算法一樣，是信息技術(shù)學(xué)科最基礎(chǔ)、最適用、不可缺少的基礎(chǔ)思維方式。

（三）計算思維是信息技術(shù)課程改革的助推劑

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，在國外的信息技術(shù)課程改革過程中，英國以培養(yǎng)計算思維為主，美國傾向于多元化目標(biāo)。在國內(nèi)，張麗霞等研究了基于數(shù)字化生存能力的信息技術(shù)課程目標(biāo)的重構(gòu)，計算思維作為面向信息技術(shù)課程的學(xué)科思維，可以讓學(xué)生從一個多元化的視角，用信息技術(shù)學(xué)科思維方式理解信息世界，解決目前信息技術(shù)課程發(fā)展所面臨的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足等突出問題，從而進(jìn)一步推動信息技術(shù)課程的改革與重構(gòu)。

二、高中信息技術(shù)課程蘊含的計算思維分析

美國計算機科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會認(rèn)為，計算思維教育應(yīng)當(dāng)存在于每個學(xué)校的每堂課程教學(xué)中。對于高中信息技術(shù)課程而言，能夠充分挖掘出各個模塊內(nèi)容中所蘊含的計算思維，是有效實施計算思維教育的關(guān)鍵和前提。下面，分別從計算思維概念框架和計算思維操作性定義兩個視角分析高中信息技術(shù)課程蘊含的計算思維。

（一）基于“偉大的計算原理”的計算思維概念框架視角

1.計算

在基于“偉大的計算原理”的計算思維概念層次中，計算（Computation）處于核心層（第一層次）。計算是執(zhí)行算法的過程，從一個包含算法本身的初始狀態(tài)開始，輸入數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過一系列中間級狀態(tài)，直到達(dá)到最終也即目標(biāo)狀態(tài)。[24]課程標(biāo)準(zhǔn)中所包含的必修模塊“信息技術(shù)基礎(chǔ)”課程主題二“信息的加工表達(dá)”和選修模塊“算法與程序設(shè)計”課程能很好地體現(xiàn)計算的思想和方法，下面通過案例加以說明。

（1）漢諾塔（Hanoi）問題

漢諾塔（又稱河內(nèi)塔）問題是指有三根柱子，其中一根柱子上按大小順序放著64片圓盤。要求把圓盤按大小順序移動到另一根柱子上。規(guī)則要求小圓盤上不能放大圓盤，一次只能移動一個圓盤。

漢諾塔問題，是通過遞歸與非遞歸方法來對圓盤進(jìn)行移動的，蘊含遞歸關(guān)系，所以采用遞歸算法往往比較自然、簡單、易于理解。漢諾塔問題計算量很大，當(dāng)圓盤數(shù)為n時，需要移動2n-1次，所以，假設(shè)圓盤數(shù)很多，那么即使是用一臺功能超強的計算機來解決它，也需要很多年。鑒于264-1這個數(shù)字太大，先考慮3個圓盤的情況，假設(shè)三根柱子分別為A、B、C，則計算機模擬執(zhí)行時就會按A→C、A→B、C→B、A→C、B→A、B→C、A→C的順序依次顯示圓盤移動的起始、中間和最終狀態(tài)。隨著圓盤數(shù)的逐漸增大，計算機計算及顯示圓盤移動的狀態(tài)所花費的時間也會越來越長，學(xué)生此時便能很好地體驗漢諾塔問題的計算復(fù)雜度。

（2）計算機抽獎

很多綜藝類電視節(jié)目都設(shè)有抽獎活動：主持人先喊：開始！ 大屏幕上便不斷滾動顯示隨機的手機號碼；主持人喊：停！ 大屏幕上最后顯示的手機號碼就成為中獎號碼。

類似上述的抽獎活動，實質(zhì)上屬于計算機抽獎，抽獎程序可支持手機號碼、身份證號碼、姓名、圖片等多種中獎方式。計算機抽獎程序一般涉及用隨機函數(shù)計算并選擇手機號碼的順序問題，計算量的大小與候選手機號碼的總數(shù)有很大關(guān)系。盡管涉及的算法不算復(fù)雜，但是不斷滾動顯示隨機的手機號碼也能讓學(xué)生感受計算的快慢和狀態(tài)的變化。

三、結(jié)束語

計算思維體現(xiàn)了信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價值，一定程度上可以解決信息技術(shù)課程的學(xué) 科思維問 題，是信息技術(shù)課程改革的助推劑。實際上，現(xiàn)有的高中信息技術(shù)課程蘊含了豐富的計算思維，只是現(xiàn)有的課程標(biāo)準(zhǔn)未能聚焦到它身上。本研究從基于“偉大的計算原理”的計算思維概念框架、計算思維操作性定義兩個視角來分析高中信息技術(shù)課程蘊含的計算思維。雖然在計算思維的分析中案例涉及高中信息技術(shù)課程一個必修模塊、五個選修模塊的很多知識，但是難免掛一漏萬。計算思維的充分挖掘是有效實施計算思維教育的關(guān)鍵和前提，希望更多的研究者能給予關(guān)注。