科學(xué)教育中的計(jì)算思維：理論框架與課程設(shè)計(jì) *

周佳偉，王祖浩

(1.華東師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，上海 200062；2.華東師范大學(xué) 課程與教學(xué)研究所，上海 200062)

自2006年美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Jeannette M.Wing教授提出計(jì)算思維(Computational Thinking)[1]以來，國(guó)際計(jì)算機(jī)教育界已對(duì)此展開了激烈的討論。有計(jì)算機(jī)教育的學(xué)者認(rèn)為，現(xiàn)如今“計(jì)算”已融入日常生活的方方面面，計(jì)算思維的培養(yǎng)應(yīng)該從高等教育下放至基礎(chǔ)教育中去。同時(shí)還強(qiáng)調(diào)，計(jì)算思維是一項(xiàng)跨學(xué)科的基本素養(yǎng)，不僅限于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，科學(xué)、社會(huì)學(xué)等領(lǐng)域也涉及到計(jì)算思維的思想方法[2]。“低齡化”和“跨學(xué)科”是計(jì)算思維培養(yǎng)的整體趨勢(shì)。

從科學(xué)教育的立場(chǎng)上說，有學(xué)者認(rèn)為，由于未來大部分的STEM職業(yè)都與計(jì)算機(jī)相關(guān)，計(jì)算工具的使用影響著人的思維方式與思維習(xí)慣，因此計(jì)算思維可謂是現(xiàn)代STEM學(xué)科人才所應(yīng)具備的核心要素[3]。還有學(xué)者認(rèn)為，計(jì)算思維所包含的抽象、建模、問題分解等諸多概念，在科學(xué)教育中十分重要，有助于學(xué)生深入地學(xué)習(xí)科學(xué)[4]。因此提出將計(jì)算思維整合到科學(xué)課程中去。

恰逢其時(shí)，美國(guó)最新頒布的K-12科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)《新一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》(Next Generation Science Standard，以下簡(jiǎn)稱NGSS)將“運(yùn)用數(shù)學(xué)和計(jì)算思維(Using Mathematics and Computational Thinking)”列入七大科學(xué)與工程實(shí)踐之一，并分學(xué)段描述了其學(xué)習(xí)表現(xiàn)[5]。然而遺憾的是，NGSS并沒有直接給出計(jì)算思維的定義，也沒有系統(tǒng)地梳理計(jì)算思維的能力要素，將計(jì)算思維融入科學(xué)課堂仍缺乏可操作性的指導(dǎo)。而且目前國(guó)際上立足于科學(xué)教育而談?wù)撚?jì)算思維的文獻(xiàn)還比較少，其理論與實(shí)踐較多地模仿計(jì)算機(jī)教育。為此，本文綜合了科學(xué)哲學(xué)、計(jì)算機(jī)教育和科學(xué)教育領(lǐng)域，詳細(xì)論述了計(jì)算如何作為自然科學(xué)的固有組成，從而作用于科學(xué)教育中的思維屬性以及實(shí)踐表現(xiàn)，建構(gòu)了從觀念到思維再到實(shí)踐的理論框架，并基于此探討了如何設(shè)計(jì)整合計(jì)算思維的科學(xué)課程。本文所談?wù)摰目茖W(xué)教育、科學(xué)課程限于基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，不涉及高等教育。

一、計(jì)算與科學(xué)的本質(zhì)聯(lián)系

盡管有關(guān)計(jì)算思維的討論興起于計(jì)算機(jī)教育，但是整合計(jì)算思維與科學(xué)教育并不意味著將計(jì)算機(jī)教育的計(jì)算思維“外加”到科學(xué)教育中去，或者簡(jiǎn)單地把兩門學(xué)科組合起來，而應(yīng)首先思考計(jì)算與科學(xué)的本質(zhì)聯(lián)系，再由內(nèi)而外地理解整合的關(guān)鍵點(diǎn)與路徑。計(jì)算思維作為一項(xiàng)跨學(xué)科的素養(yǎng)，其理念在于以計(jì)算的視角認(rèn)識(shí)世界，通過計(jì)算的方法研究世界。同理，對(duì)于自然科學(xué)領(lǐng)域來說，計(jì)算是認(rèn)識(shí)論，也是方法論。

(一)計(jì)算認(rèn)識(shí)論

由信息和信息傳遞而構(gòu)成的數(shù)字世界不只是科幻小說中虛構(gòu)的情境，哲學(xué)家、科學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家紛紛認(rèn)為，我們所生存的宇宙就是一臺(tái)不斷處理信息運(yùn)算的計(jì)算機(jī)[6]?！笆郎纤羞^程，無論是自然的還是人為的，皆可視為計(jì)算?！盵7]為什么這么說呢？實(shí)際上人們?cè)谡J(rèn)識(shí)世界的過程中往往將所觀察到的現(xiàn)象和所收集到的信息訴諸于有規(guī)律的理性判斷，將事物的復(fù)雜變化簡(jiǎn)化為可描述、可推演/計(jì)算的“簡(jiǎn)單邏輯”[8](即軟件)，世間萬(wàn)物便是執(zhí)行這些邏輯的信息載體(即硬件)，這就是計(jì)算的基本規(guī)律。

古往今來，不少科學(xué)家在用計(jì)算的視角認(rèn)識(shí)世界——將客觀事物的變化總結(jié)成“可計(jì)算的”的表達(dá)形式。萊布尼茲曾受亞里士多德形式邏輯思想的影響，打算開發(fā)一套通用的代數(shù)系統(tǒng)(邏輯語(yǔ)言)，用來描述和判斷任何命題，即用符號(hào)描述對(duì)象，呈現(xiàn)關(guān)系，建立法則來判定正誤。他曾構(gòu)想土、氣、火、水四大物質(zhì)構(gòu)成的本源與干、熱、濕、冷四種性質(zhì)的關(guān)系，譬如干熱生火、濕冷為水等，并且將其規(guī)律用代數(shù)和幾何形式來表示[9]。萊布尼茲的摯友牛頓更是創(chuàng)立了力學(xué)的公理化體系，將現(xiàn)實(shí)世界的命題通過數(shù)學(xué)的方式進(jìn)行證明或求解，并推廣至其他情況，這些成果都匯總在他所著的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》[10]。時(shí)至今日，越來越多的科學(xué)家贊同“自然計(jì)算(Natural Computation)”的觀點(diǎn)，認(rèn)為自然過程充滿計(jì)算[11]。例如，DNA轉(zhuǎn)錄和翻譯可以理解為信息的編碼和傳遞，蛋白質(zhì)的相互作用機(jī)理則蘊(yùn)含著一系列條件邏輯(If-then Statement)。盡管自然界的變化過程十分復(fù)雜，但似乎都可以通過數(shù)學(xué)公式、算法語(yǔ)言描述出來，并且可重復(fù)地運(yùn)算、執(zhí)行下去。

與其說將自然世界比作計(jì)算機(jī)，倒不如從計(jì)算認(rèn)識(shí)論的角度說，兩者統(tǒng)一于形式邏輯。計(jì)算不只是計(jì)算機(jī)的工作方式，也是自然世界的運(yùn)行規(guī)律。廣義的計(jì)算在自然界無處不在，這使得理解科學(xué)學(xué)科的計(jì)算思維與其他學(xué)科的有所不同，其基本觀點(diǎn)是承認(rèn)物質(zhì)世界的“計(jì)算實(shí)在”[12]。

(二)計(jì)算方法論

計(jì)算可作為一種認(rèn)識(shí)論，描繪了在廣義的計(jì)算理論下自然科學(xué)的根本面貌，計(jì)算之于自然科學(xué)的意義還體現(xiàn)在方法論的層面。計(jì)算是繼理論、實(shí)驗(yàn)之后的第三大科學(xué)研究范式，起源于20世紀(jì)80年代的計(jì)算科學(xué)(Computational Science)運(yùn)動(dòng)[13]。計(jì)算科學(xué)又稱為科學(xué)計(jì)算(Scientific Computing)，是自然科學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域，其基本方法是用計(jì)算機(jī)模擬、預(yù)測(cè)自然世界的變化。計(jì)算科學(xué)家(Computational Scientist)認(rèn)為，計(jì)算不僅僅是科學(xué)研究的工具，而更是一種進(jìn)行科學(xué)思考和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的嶄新方法。

計(jì)算在自然科學(xué)研究中的作用體現(xiàn)在自然現(xiàn)象的數(shù)字化模擬和信息收集與處理兩個(gè)方面[14]。前者是對(duì)于那些既無法用理論進(jìn)行推導(dǎo)的，又很難通過實(shí)驗(yàn)的手段開展研究的復(fù)雜對(duì)象或體系，利用計(jì)算技術(shù)通過建構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)[15]。例如核反應(yīng)研究，要測(cè)量一次核試驗(yàn)中的細(xì)致反應(yīng)過程十分困難，也無法用理論系統(tǒng)地描述。反應(yīng)堆模擬器則能夠通過計(jì)算機(jī)模擬，估算反應(yīng)結(jié)果。后者是對(duì)于數(shù)據(jù)量龐大的研究工作，傳統(tǒng)的人力和工具遠(yuǎn)不及所需運(yùn)算效率，需要借助強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)(網(wǎng)絡(luò))來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和可視化。例如氣象預(yù)測(cè)、DNA分析等。

因此，從方法論的角度來說，計(jì)算范式是科學(xué)研究的方法，其蘊(yùn)含著計(jì)算科學(xué)固有的思維方式——何時(shí)何地、如何利用(超級(jí))計(jì)算機(jī)開展科學(xué)研究。甚至身為計(jì)算機(jī)專家的Peter J. Denning都認(rèn)為，計(jì)算思維最早是由計(jì)算科學(xué)家Kenneth G.Wilson等人提出的，而計(jì)算機(jī)科學(xué)家對(duì)此“后知后覺”[16]。

對(duì)于自然科學(xué)來說，計(jì)算認(rèn)識(shí)論和計(jì)算方法論有著本質(zhì)上的聯(lián)系：認(rèn)識(shí)是方法的哲學(xué)基礎(chǔ)，方法是認(rèn)識(shí)的實(shí)踐體現(xiàn)。計(jì)算機(jī)在計(jì)算認(rèn)識(shí)論中充當(dāng)了語(yǔ)義上的修辭比擬，而在方法論中將這些“計(jì)算比喻(Computational Analogue)”[17]變成了現(xiàn)實(shí)。計(jì)算認(rèn)識(shí)論和計(jì)算方法論是在自然科學(xué)背景下所形成“計(jì)算觀念”，為理解計(jì)算思維與科學(xué)教育的整合奠定了基礎(chǔ)。

二、科學(xué)教育中計(jì)算思維的涵義

計(jì)算思維作為一項(xiàng)培養(yǎng)信息時(shí)代高素質(zhì)人才的目標(biāo)，發(fā)起于高等教育，延伸至基礎(chǔ)教育；形成于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，擴(kuò)散至其他領(lǐng)域。近年來一些計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)者專注于將計(jì)算思維整合到基礎(chǔ)教育的科學(xué)課程中去，但他們幾乎沒有直接回答什么是科學(xué)教育中的計(jì)算思維，聲稱“計(jì)算思維取自計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念和實(shí)踐，包括認(rèn)知和表現(xiàn)的一系列行為，它們同樣也是發(fā)展數(shù)學(xué)和科學(xué)學(xué)科專業(yè)知識(shí)(Expertise)的核心”[18]， “以概念代思維”[19]和“以實(shí)踐代思維”[20]是目前常見的闡述邏輯：前者是用分解、建模等計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)描述科學(xué)課程的計(jì)算思維的組成要素，相當(dāng)于不加修飾地采納計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的計(jì)算思維，缺乏在科學(xué)情境下的意義闡述；后者以數(shù)據(jù)處理、計(jì)算問題解決等實(shí)踐反映科學(xué)課程的計(jì)算思維，如此一來跳過了認(rèn)知層面的思維特征。這都不足以說明科學(xué)教育中計(jì)算思維的內(nèi)在涵義，因此筆者采取這樣的闡述邏輯：立足于科學(xué)教育，從科學(xué)的計(jì)算認(rèn)識(shí)論和計(jì)算方法論中提煉出計(jì)算思維作為一項(xiàng)心理活動(dòng)所固有的內(nèi)在屬性——抽象、模擬和自動(dòng)化。

(一)抽象思維

在計(jì)算認(rèn)識(shí)論中提到人類用符號(hào)化、數(shù)學(xué)化的形式邏輯來認(rèn)識(shí)世界，如此化繁為簡(jiǎn)的力量來自于抽象思維。抽象是指剔除事物的非本質(zhì)的細(xì)節(jié)從而概括出共同的核心要素[21]，所謂的核心要素對(duì)于科學(xué)理解來說中往往表現(xiàn)為能夠進(jìn)行有效運(yùn)算或推理的符號(hào)以及符號(hào)之間的關(guān)系，例如數(shù)學(xué)公式、因果關(guān)系。因此在科學(xué)學(xué)習(xí)中抽象具有兩層含義，一是去粗取精，突出事物的本質(zhì)；二是可計(jì)算性，創(chuàng)造了能夠通過以符號(hào)變換的形式來實(shí)現(xiàn)運(yùn)算的機(jī)會(huì)。在科學(xué)學(xué)習(xí)中，那些物理量、公式都表面上已經(jīng)“抽象好了”，但實(shí)際上真正的抽象是伴隨著學(xué)生理解這些符號(hào)的主觀過程，機(jī)械地記憶并不會(huì)起到化繁為簡(jiǎn)的作用。對(duì)于那些完全未知的領(lǐng)域，學(xué)生更需要抽象思維來找到關(guān)鍵變量，把感性的認(rèn)識(shí)組織成計(jì)算可解的研究問題與方法，正如前文中萊布尼茲、牛頓等人所為。

(二)模擬思維

計(jì)算認(rèn)識(shí)論和計(jì)算方法論都支持自然現(xiàn)象存在與之相像的計(jì)算過程這一論斷，即“計(jì)算等效性(Computational Equivalence)” ——自然現(xiàn)象的演變與計(jì)算任務(wù)的運(yùn)行是等效的[22]，構(gòu)建兩者的等效關(guān)系即為模擬，既存在計(jì)算模擬自然，也可以自然模擬計(jì)算[23]。模擬的思維方式實(shí)質(zhì)上是一種折中。折中對(duì)于計(jì)算來說是減少誤差，對(duì)于自然來說是控制所選系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得計(jì)算和自然兩者相互靠近，以至于能夠相互驗(yàn)證和預(yù)測(cè)。在科學(xué)學(xué)習(xí)中，我們可以通過計(jì)算機(jī)建模來模擬自然過程，尤其是那些無法直接觀察到的或持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的現(xiàn)象，例如氣體擴(kuò)散、自然選擇等[24]，還可以通過構(gòu)造函數(shù)來擬合變量之間的關(guān)系，其目的都是為了驗(yàn)證規(guī)律或預(yù)測(cè)變化。畢竟計(jì)算模型是自然過程的近似，學(xué)生在選擇和使用模型的時(shí)候需要考慮到模型的條件和局限性，以及如何解釋計(jì)算模擬與真實(shí)情況的差異。

(三)自動(dòng)化思維

自動(dòng)化屬于計(jì)算方法論范疇，帶有問題解決的性質(zhì)。它是指通過計(jì)算工具執(zhí)行信息處理，從而節(jié)省勞動(dòng)力(Labor)和提高效率的方法[25]。信息自動(dòng)化處理的過程有賴于算法的支持，它使得輸入的信息經(jīng)過層層運(yùn)算而輸出為最終結(jié)果，而且該過程是可重復(fù)、可追溯的。顯然，計(jì)算工具為信息處理帶來的極大便利，降低了人腦的運(yùn)算負(fù)荷。然而，自動(dòng)化思維要求人們?cè)趯?shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化 之前，先完成思維的自動(dòng)化[26]。即先將解決問題算法在頭腦中構(gòu)建出來，包括將復(fù)雜問題進(jìn)行分解，把信息流分別“打包”為一個(gè)個(gè)獨(dú)立而彼此關(guān)聯(lián)的運(yùn)算單元，并嘗試推演一遍。在科學(xué)學(xué)習(xí)中，解決同樣類型的問題往往存在類似的數(shù)據(jù)處理過程，而這些過程可以經(jīng)過轉(zhuǎn)化后完全地或部分地“外包”給計(jì)算工具，例如根據(jù)浮力公式而發(fā)明的密度計(jì)、基于方程式求解的化學(xué)方程式配平程序，或者是用Excel繪制溶液濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖。換句話說，自動(dòng)化思維是構(gòu)建以計(jì)算工具為基礎(chǔ)的自動(dòng)化問題解決的思想方法，尤其體現(xiàn)在利用計(jì)算機(jī)軟硬件工具進(jìn)行數(shù)據(jù)量大而變量復(fù)雜的科學(xué)實(shí)踐，包括數(shù)據(jù)的測(cè)量、制表、繪圖等。

從計(jì)算認(rèn)識(shí)論到計(jì)算方法論，抽象、模擬和自動(dòng)化是科學(xué)教育中計(jì)算思維的主要特 征。在這三者之中，抽象是基礎(chǔ)，模擬和自動(dòng)化都需要通過抽象來形成“計(jì)算可解”的問題；模擬和自動(dòng)化與實(shí)踐的聯(lián)系較為緊密，都需要基于計(jì)算工具的應(yīng)用而思考，從而指向問題解決。以上從思維本身所界定的科學(xué)教育中計(jì)算思維的內(nèi)涵，將有助于制定課程相應(yīng)的培養(yǎng)目標(biāo)以及教學(xué)實(shí)踐。

三、體現(xiàn)計(jì)算思維的科學(xué)實(shí)踐

現(xiàn)如今在科學(xué)課堂中采用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助教與學(xué)已經(jīng)不陌生了，學(xué)生可以通過技術(shù)手段來參與科學(xué)實(shí)踐[27]。但“用技術(shù)”不等于“學(xué)思維”，“形而下者謂之器，形而上者謂之道”，具體怎樣的科學(xué)實(shí)踐才能體現(xiàn)計(jì)算之“道”？其中怎么樣的實(shí)踐是科學(xué)教育的而不是計(jì)算機(jī)教育的？有部分學(xué)者給予了回答。作為NGSS的編者之一的Cary Sneider列舉了模擬、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)自動(dòng)收集與分析三項(xiàng)實(shí)踐[28]。西北大學(xué)計(jì)算機(jī)系David Weintrop等人根據(jù)NGSS等文獻(xiàn)以及課堂觀察，提出了數(shù)據(jù)、建模與模擬、計(jì)算問題解決和系統(tǒng)性思考四大實(shí)踐類型[29]。綜其所述，筆者將科學(xué)教育中帶有計(jì)算思維特征的科學(xué)實(shí)踐分為建模與模擬和數(shù)據(jù)收集與分析兩大類，并舉例說明這些實(shí)踐是如何體現(xiàn)計(jì)算思維的。

(一)建模與模擬

建模與模擬是圍繞計(jì)算環(huán)境中的科學(xué)模型(軟件)而展開的科學(xué)實(shí)踐，有助于學(xué)生理解科學(xué)概念以及開展科學(xué)探究。這些實(shí)踐包括理解模型、使用模型、修改和構(gòu)建模型以及評(píng)價(jià)模型等[30]。例如，“封閉魚缸”軟件是一個(gè)有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的模型，其中包含魚、水草和細(xì)菌三個(gè)物種，以及陽(yáng)光、水、氧氣和二氧化碳等環(huán)境因素。學(xué)習(xí)者可以通過操作軟件了解到生態(tài)系統(tǒng)的基本組成，以及物質(zhì)變化與能量傳遞的規(guī)律，也可以修改或添加條件來控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，還可以在此基礎(chǔ)上通過編輯“任務(wù)塊(Block)”建構(gòu)新的模型(如圖1所示)[31]?？梢?，科學(xué)模型軟件集“教科書”與“實(shí)驗(yàn)室”于一身，促進(jìn)學(xué)生發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，更好地學(xué)習(xí)科學(xué)。

圖1 “封閉魚缸”程序界面

Irene Lee等人對(duì)于有關(guān)模型的實(shí)踐提出了“使用—修改—?jiǎng)?chuàng)造”的學(xué)習(xí)進(jìn)階模式[32]，抽象、模擬和自動(dòng)化思維貫穿其中。在使用階段，學(xué)生通過抽象思維將復(fù)雜概念或現(xiàn)象與模型中可操作的變量聯(lián)系起來，從而認(rèn)識(shí)模型和模型運(yùn)行的科學(xué)意義。在多次嘗試運(yùn)行模型以后，學(xué)生可能會(huì)提出新的問題，那么可以修改模型的初始條件來實(shí)現(xiàn)新的模擬，這就要用到模擬思維來折中考慮計(jì)算與真實(shí)的平衡，同時(shí)會(huì)也用到自動(dòng)化思維對(duì)代碼進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的調(diào)整。到了創(chuàng)造階段，即自主選取研究對(duì)象來建構(gòu)模型，那么就需要抽象、模擬和自動(dòng)化思維綜合地考慮。

(二)數(shù)據(jù)收集與分析

數(shù)據(jù)收集、轉(zhuǎn)換、分析、可視化等有關(guān)數(shù)據(jù)的一系列實(shí)踐一直以來都是科學(xué)活動(dòng)必不可少的環(huán)節(jié)，現(xiàn)如今計(jì)算技術(shù)使這些環(huán)節(jié)變得愈發(fā)高效，可謂造就了由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)實(shí)踐。在數(shù)據(jù)收集方面，使用各種傳感器等檢測(cè)工具便可靈敏地采集數(shù)據(jù)，并配合相應(yīng)的軟件將數(shù)據(jù)以表格或圖像的形式自動(dòng)生成。美國(guó)Vernier公司為中小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)了60款傳感器和探針，包括pH計(jì)、CO2傳感器、加速度傳感器等等。學(xué)生在使用這些手持的設(shè)備(Handheld Devices)過程中能夠?qū)W習(xí)到數(shù)據(jù)是如何通過軟硬件技術(shù)自動(dòng)生成和轉(zhuǎn)化的，同時(shí)培養(yǎng)辯證看待技術(shù)、使用技術(shù)的素養(yǎng)。在數(shù)據(jù)分析方面，Cary Sneider采用當(dāng)下較為流行的“數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining)”一詞。他認(rèn)為數(shù)據(jù)挖掘與一般的數(shù)據(jù)分析的區(qū)別在于其數(shù)據(jù)量之龐大，并強(qiáng)調(diào)是從已有的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律[33]。MY NASA DATA是基于NASA的地球數(shù)據(jù)庫(kù)而開發(fā)的指向中小學(xué)科學(xué)教育的數(shù)據(jù)平臺(tái)，學(xué)生可以獲取一段時(shí)間內(nèi)地球各地的氣溫、氣壓、紫外線等各種數(shù)據(jù)，并進(jìn)行制表、繪圖等可視化處理。圖2展示的是利用該數(shù)據(jù)庫(kù)所繪制的2002-2012年上海地區(qū)上空二氧化碳含量變化圖。如今科學(xué)研究越來越依賴龐大的數(shù)據(jù)集，如此基于大數(shù)據(jù)的分析活動(dòng)能夠讓學(xué)生初步體會(huì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)研究范式，能夠?yàn)閷韽氖孪嚓P(guān)行業(yè)打下基礎(chǔ)。

圖2 MY NASA DATA數(shù)據(jù)庫(kù)界面

技術(shù)增強(qiáng)的(Technology-enhanced)數(shù)據(jù)收集與分析不僅是軟硬件的操作，還要求學(xué)生首先理解技術(shù)，知道技術(shù)能做什么和不能做什么，及其背后的基本原理。在實(shí)踐中，抽象思維體現(xiàn)在定性與定量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，一方面將研究問題或研究對(duì)象參數(shù)化、變量化，另一方面把數(shù)的信息解讀出科學(xué)的意義。模擬思維體現(xiàn)在將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合形成函數(shù)曲線的過程中發(fā)現(xiàn)、解釋和處理誤差，使得結(jié)果更加符合真實(shí)情況。當(dāng)然，計(jì)算技術(shù)內(nèi)嵌了無數(shù)的數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理的過程，只有充分理解不同模塊所具有的不同功能，才能夠享受自動(dòng)化帶來的便利。

總的來說，以上對(duì)計(jì)算思維與科學(xué)教育整合的論述可分為觀念層、思維層和實(shí)踐層三個(gè)層次，層層遞進(jìn)。首先是觀念層，從認(rèn)識(shí)論和方法論的視角闡述了計(jì)算與自然科學(xué)的內(nèi)在聯(lián)系，從而論證了計(jì)算是科學(xué)所固有的屬性，為由內(nèi)而外地整合理念打下基礎(chǔ)。然后是思維層，提出了在科學(xué)的情境中計(jì)算作為一項(xiàng)思維活動(dòng)的本質(zhì)屬性——抽象、模擬和自動(dòng)化，這些屬性在與計(jì)算思維相關(guān)的科學(xué)實(shí)踐中有所體現(xiàn)。最后是實(shí)踐層，以建模與模擬和數(shù)據(jù)收集與分析兩大科學(xué)實(shí)踐為例，分析其過程是如何體現(xiàn)計(jì)算思維的(如圖3所示)。

圖3 科學(xué)教育中計(jì)算思維的理論框架

四、整合計(jì)算思維的科學(xué)課程

以上論述了科學(xué)教育中計(jì)算思維的理論框架，那么應(yīng)如何以框架為基礎(chǔ)面向基礎(chǔ)教育設(shè)計(jì)相關(guān)課程呢？目前國(guó)際上已有一些嘗試，像麻省理工學(xué)院的Project GUTS、西北大學(xué)的CT-STEM和新墨西哥州立大學(xué)的GK-12 DISSECT等。筆者以上述理論框架為基礎(chǔ)，結(jié)合已有的課程案例，從目標(biāo)、內(nèi)容和評(píng)價(jià)三方面探討如何設(shè)計(jì)整合計(jì)算思維的科學(xué)課程。

(一)課程目標(biāo)

在課程目標(biāo)方面首先應(yīng)樹立科學(xué)教育的主體地位，輔之以計(jì)算機(jī)技術(shù)的專業(yè)知識(shí)。換句話說，學(xué)生所學(xué)的主要是科學(xué)概念以及科學(xué)探究的思想方法，應(yīng)避免追求工具理性而花費(fèi)過多精力在計(jì)算技術(shù)本身。另外，課程目標(biāo)的設(shè)立體現(xiàn)計(jì)算思維作為一種素養(yǎng)，從觀念到思維再到實(shí)踐，整體地與科學(xué)教育進(jìn)行整合。計(jì)算認(rèn)識(shí)論和計(jì)算方法論需納入科學(xué)本質(zhì)觀教育的范疇，另外要通過計(jì)算的科學(xué)實(shí)踐來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

(二)課程內(nèi)容

課程內(nèi)容是課程設(shè)計(jì)者應(yīng)重點(diǎn)思考的兩個(gè)問題：怎樣的科學(xué)學(xué)科內(nèi)容與怎樣的計(jì)算思維與實(shí)踐進(jìn)行整合？如何安排這些內(nèi)容和實(shí)踐才能符合學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律？對(duì)于第一個(gè)問題，首先應(yīng)當(dāng)承認(rèn)不是所有的科學(xué)內(nèi)容都適合且有必要與計(jì)算思維與實(shí)踐進(jìn)行整合的。相比于科學(xué)內(nèi)容的選擇來說，計(jì)算思維與實(shí)踐的選擇更加局限，因其往往會(huì)受制于技術(shù)水平以及能否獲取。因此不妨從計(jì)算實(shí)踐出發(fā)來選擇科學(xué)內(nèi)容。例如，Project GUTS是基于StarLogo軟件進(jìn)行建模和模擬，該軟件的特點(diǎn)是能夠創(chuàng)建多代理(Multiple Agents)來模擬復(fù)雜系統(tǒng)，于是該課程選取了生態(tài)系統(tǒng)、化學(xué)反應(yīng)作為內(nèi)容主題，以支持多代理的建模和系統(tǒng)模擬。

以下技術(shù)資源可供課程開發(fā)者使用：MY NASA DATA、Earth Exploration Toolbook等平臺(tái)開放了大量的氣象、氣候、地質(zhì)等方面的數(shù)據(jù)，并為在線數(shù)據(jù)分析提供了支持和指導(dǎo)；Vernier、Pasco等公司以傳感器為基礎(chǔ)研發(fā)了一系列數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀器，可用于物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的實(shí)驗(yàn)，并編寫了配套的實(shí)驗(yàn)教材；NetLogo、StarLogo等基于代理的(Agent-based)編程軟件內(nèi)置了化學(xué)、物理、生物等多種的科學(xué)模型，供大家模仿和修改；PhET提供了一百多個(gè)互動(dòng)模擬程序，供學(xué)生在線自主探究科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

回答第二個(gè)問題主要是處理好計(jì)算內(nèi)容與科學(xué)內(nèi)容的編排次序和呈現(xiàn)形式，Project GUTS與CTSTEM采取不同的處理方式。Project GUTS課程分為四個(gè)模塊，模塊一介紹計(jì)算機(jī)建模和模擬的基本知識(shí)，以及StarLogo軟件的使用，接下來三個(gè)模塊分別以不同的科學(xué)主題逐步開展建模和模擬的應(yīng)用。CT-STEM則將計(jì)算思維的培養(yǎng)融入現(xiàn)有的化學(xué)、物理、生物等分科課程中去，將建模與模擬、數(shù)據(jù)收集與分析等作為各科課程的實(shí)踐活動(dòng)?？偟膩碚f，前者注重計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與科學(xué)建模應(yīng)用的銜接，以自成體系的課程讓學(xué)生經(jīng)過“使用—修改—?jiǎng)?chuàng)造”的學(xué)習(xí)過程，對(duì)計(jì)算應(yīng)用形成整體而連貫的認(rèn)識(shí)；后者保留了原有的分科課程體系，通過計(jì)算實(shí)踐來解決不同學(xué)科領(lǐng)域的問題。

(三)課程評(píng)價(jià)

目前有關(guān)計(jì)算思維的測(cè)評(píng)幾乎都面向計(jì)算機(jī)課程，盡管存在少數(shù)面向科學(xué)領(lǐng)域的，但也帶有強(qiáng)烈的編程色彩。既然在課程目標(biāo)中堅(jiān)持以科學(xué)為主、計(jì)算為輔，在課程內(nèi)容中整合科學(xué)內(nèi)容與計(jì)算思維與實(shí)踐，那么在課程評(píng)價(jià)方面應(yīng)當(dāng)兼顧科學(xué)與計(jì)算，而且不能將它們割裂開來。最理想的方式是讓學(xué)生通過計(jì)算工具進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)作，作品可以是模擬某個(gè)自然現(xiàn)象的科學(xué)模型、經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘而得到科學(xué)發(fā)現(xiàn)等。既能體現(xiàn)學(xué)生對(duì)科學(xué)內(nèi)容、科學(xué)本質(zhì)的理解，又能展現(xiàn)學(xué)生計(jì)算思維與實(shí)踐的能力。另外，學(xué)生需要經(jīng)歷“使用—修改—?jiǎng)?chuàng)造”的過程，不同的階段都應(yīng)該給予必要的反饋與評(píng)價(jià)。

五、對(duì)于我國(guó)開展整合計(jì)算思維的科學(xué)課程的建議

總的來說，目前科學(xué)教育中計(jì)算思維的理論探討仍處于起步階段，整合計(jì)算思維的科學(xué)課程還比較少，在教學(xué)方面還缺乏實(shí)證的研究。而且現(xiàn)在研究該領(lǐng)域的主體是計(jì)算機(jī)專業(yè)的專家，鮮有來自科學(xué)教育領(lǐng)域的學(xué)者。就地域來看，整合計(jì)算思維的科學(xué)課程主要在美國(guó)，我國(guó)還沒有這方面的研究與應(yīng)用。恰逢國(guó)家正在推行的教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃[34]，筆者認(rèn)為整合計(jì)算思維的科學(xué)課程作為一項(xiàng)以信息技術(shù)為載體、圍繞科學(xué)教育而開展的交叉學(xué)科課程，能夠很好地“推進(jìn)技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合”，實(shí)現(xiàn)“全面提升學(xué)生的信息素養(yǎng)”。鑒于此，本文最后為我國(guó)開展整合計(jì)算思維的科學(xué)課程提出幾點(diǎn)建議。

(一)科學(xué)課程的技術(shù)升級(jí)

當(dāng)今的學(xué)生有著“數(shù)字土著”之稱，他們?cè)谏钪幸呀?jīng)接觸和使用著各種各樣先進(jìn)的信息技術(shù)，然而我們大部分的科學(xué)課堂還沒有應(yīng)用信息化技術(shù)。計(jì)算思維的培養(yǎng)離不開信息技術(shù)的支持，技術(shù)升級(jí)是開展整合計(jì)算思維的科學(xué)課程先決條件。那么應(yīng)該如何升級(jí)呢？技術(shù)對(duì)教育的基本作用存在三個(gè)基本觀點(diǎn)：改變了教學(xué)的時(shí)空條件(傳媒觀)，提供了學(xué)習(xí)的工具(工具觀)和創(chuàng)造了仿真的環(huán)境(環(huán)境觀)[35]。目前在我國(guó)興起的翻轉(zhuǎn)課堂、云課堂等，都屬于傳媒觀的范疇，而培養(yǎng)計(jì)算思維所需的信息技術(shù)更多地體現(xiàn)在工具和環(huán)境兩方面，而且升級(jí)的不僅是技術(shù)本身，還應(yīng)有配套的學(xué)科內(nèi)容，方能做到“信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的深度融合”。傳統(tǒng)的科學(xué)課堂所用到的實(shí)物模型、實(shí)驗(yàn)器材等，可以朝計(jì)算的方向升級(jí)甚至被取代，例如，手持技術(shù)、模擬科學(xué)探究軟件等在我國(guó)中小學(xué)科學(xué)教育中已有嘗試[36][37]。以及上文提到的數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀器、在線數(shù)據(jù)庫(kù)、科學(xué)模型等，都是非常好的課程資源。我們可以引進(jìn)國(guó)外的優(yōu)質(zhì)資源，同時(shí)結(jié)合本土需要進(jìn)行開發(fā)和創(chuàng)新，以提高“信息化學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用水平”。

(二)科學(xué)教師的專業(yè)培養(yǎng)

踐行教育信息化的困難之一是缺乏優(yōu)質(zhì)的師資，教師仍需提高“數(shù)字教育資源開發(fā)與服務(wù)能力”。在科學(xué)教育中，“數(shù)字移民”何以成為“數(shù)字土著”的老師？信息素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)以及應(yīng)用技術(shù)教科學(xué)的知識(shí)與能力將會(huì)是未來科學(xué)教師的專業(yè)培訓(xùn)的熱點(diǎn)之一，這些是教師開展整合計(jì)算思維的科學(xué)課程教學(xué)的基礎(chǔ)。而在課程開發(fā)方面，由于整合計(jì)算思維的科學(xué)課程的技術(shù)門檻較高，理念較為新穎，若由中小學(xué)教師自行組織開發(fā)課程則非常困難。上文提到的GK-12 DISSECT、Project GUTS項(xiàng)目都是由高等院校發(fā)起，由課程研究人員召集當(dāng)?shù)氐目茖W(xué)教師成立工作坊，將其課程理念與教學(xué)案例分享給教師們。教師通過模仿和吸收逐漸學(xué)習(xí)到此類課程教學(xué)與設(shè)計(jì)的方法，同時(shí)也貢獻(xiàn)個(gè)人的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與智慧，改進(jìn)和豐富課程資源。而高校的研究者也可以通過教師的課堂實(shí)踐開展相關(guān)實(shí)證研究。目前我國(guó)高校也可以采取教研工作坊的形式對(duì)一線的科學(xué)教師進(jìn)行培訓(xùn)，并開發(fā)本土化的課程。

(三)課程整合的標(biāo)準(zhǔn)完善

真正有效地開展整合計(jì)算思維的科學(xué)課程需要課程標(biāo)準(zhǔn)方面的頂層設(shè)計(jì)，這涉及到基礎(chǔ)教育中科學(xué)和信息技術(shù)(或計(jì)算機(jī))兩門學(xué)科。上文提到了NGSS已將運(yùn)用計(jì)算思維納入科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)中。除此之外，美國(guó)在2016年發(fā)布的《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》也闡述了計(jì)算思維與STEM學(xué)科的關(guān)聯(lián)，并提出要將計(jì)算思維整合到STEM學(xué)科中去[38]。NGSS和《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》的頒布標(biāo)志著基礎(chǔ)教育中科學(xué)學(xué)科與計(jì)算機(jī)學(xué)科在計(jì)算思維的培養(yǎng)上的“握手合作”。然而，計(jì)算思維在我國(guó)基礎(chǔ)教育中仍然是一個(gè)新穎而陌生的概念，最新修訂的高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)明確了計(jì)算思維作為學(xué)科核心素養(yǎng)的組成要素[39]，而在科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)方面似乎未見有關(guān)計(jì)算思維的描述。未來我國(guó)不妨借鑒NGSS和《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》，將科學(xué)與信息技術(shù)通過計(jì)算思維的紐帶整合起來。一方面是學(xué)科內(nèi)容的整合，以學(xué)科交叉的情境為素材；另一方面是課程設(shè)置的整合，注重各科學(xué)時(shí)在縱向與橫向的分配。