基于計(jì)算思維的問題解決模型的構(gòu)建與應(yīng)用

（鎮(zhèn)江市實(shí)驗(yàn)高級中學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

一、計(jì)算思維

2006年3月美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授，在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Communications of the ACM》將計(jì)算思維定義為：計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動[1]。2011年，國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）共同給出了一個在實(shí)踐層面更易接受的計(jì)算思維操作性定義。他們將計(jì)算思維理解為一個包含了制定問題、分析數(shù)據(jù)、抽象、設(shè)計(jì)算法、選擇最優(yōu)方案、推廣等步驟的解決問題的過程[2]。高中信息技術(shù)新課標(biāo)對計(jì)算思維的界定是：計(jì)算思維是運(yùn)用合理的算法形成解決問題的方案，總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，并可遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中的一種學(xué)科思維[3]。

對計(jì)算思維的界定，學(xué)者們更傾向于計(jì)算思維是問題求解過程中產(chǎn)生的思維活動。筆者也贊同此觀點(diǎn)，計(jì)算思維即個體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動。具備計(jì)算思維的表現(xiàn)是在項(xiàng)目或任務(wù)活動中能利用計(jì)算機(jī)對問題界定、抽象、建模、有效組織數(shù)據(jù)；對信息資源判斷、分析，以合適的算法推出問題解決方案；對計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法進(jìn)行反思，最終形成遷移能力，解決其他問題。

二、計(jì)算思維與問題解決

信息技術(shù)學(xué)科的發(fā)展從起步階段的工具論、到文化論、再到新課改的素養(yǎng)論，其課程的教學(xué)宗旨也變?yōu)閱拘褜W(xué)生已有知識經(jīng)驗(yàn)，針對問題、觀點(diǎn)等進(jìn)行碰撞互動，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維和批判思維，提高學(xué)生的判斷力，拉近學(xué)生與現(xiàn)實(shí)社會的關(guān)系，形成解決實(shí)際問題的能力?？梢哉f信息技術(shù)學(xué)科是以“問題解決”為學(xué)習(xí)目標(biāo)，具備了計(jì)算思維的明顯特征。從認(rèn)知的觀點(diǎn)看，計(jì)算思維與問題解決二者緊密相關(guān)，計(jì)算思維的形成與發(fā)展需要不斷地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，即呈現(xiàn)出“提出問題-解決方案—新問題-新解決方案”，不斷循環(huán)往復(fù)的過程。

目前，教師對于計(jì)算思維的理論觀點(diǎn)已趨近一致，而如何圍繞計(jì)算思維開展教學(xué)實(shí)踐，卻是廣大教師所困惑的。鑒于計(jì)算思維是產(chǎn)生于問題解決過程中的思維活動，在整個思維活動中，問題解決方案的核心便是發(fā)現(xiàn)問題、提出問題。

三、問題解決模型的構(gòu)建

計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)，在某種程度上可理解為使學(xué)生具備從計(jì)算的角度和方法實(shí)現(xiàn)問題解決的整個過程的能力。而培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和圍繞問題解決開展實(shí)踐則必須要對計(jì)算思維的加工過程和組成有足夠的了解。

（一）計(jì)算思維的加工過程

計(jì)算思維的加工過程可分為對問題的辨識與分解、解決方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、解決方案的實(shí)現(xiàn)、對問題的遷移等幾個步驟。

1.對問題的辨識與分解

每個生活情境中的問題都可以直接或間接的變成我們的教學(xué)項(xiàng)目。若教學(xué)設(shè)計(jì)中的導(dǎo)入環(huán)節(jié)能源于學(xué)生所熟知的生活場景或生活現(xiàn)象，則有利于學(xué)生結(jié)合已有的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)對問題進(jìn)行辨識，而思維加工的重點(diǎn)就變成了從具體的情境中抽象問題并使之分解細(xì)化。在辨識與分解的過程中，學(xué)生對問題的理解得以逐層呈現(xiàn)，幫助教師了解其分解問題的思維過程。

2.解決方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在學(xué)生從設(shè)計(jì)簡單問題解決的計(jì)算邏輯到形成系統(tǒng)解決方案的過程中，雖然學(xué)生的主體地位很重要，但教師引導(dǎo)與伙伴互助的支架作用不可缺失。學(xué)生對解決問題的方案進(jìn)行反思、更新、優(yōu)化，到形成最佳解決方案的過程即學(xué)生抽象和優(yōu)化的思維過程，此過程為解決方案的實(shí)施提供指導(dǎo)。方案的設(shè)計(jì)體現(xiàn)的是學(xué)生解決問題的思路，是學(xué)生思維發(fā)展的重要評價指標(biāo)。

3.解決方案的實(shí)現(xiàn)

解決方案的實(shí)現(xiàn)一方面是對學(xué)生思維發(fā)展結(jié)果的呈現(xiàn)，另一方面是對方案可行性和效果的檢驗(yàn)。學(xué)生通過從下層簡單子問題的解決過渡到上層問題的解決，形成層進(jìn)式的問題邏輯，從簡單情境過渡到繁雜情境，使其能力有螺旋式的上升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)解決方案。

4.對問題的遷移

作為計(jì)算思維培養(yǎng)的重要組成部分，對問題的遷移就是讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)獲得的思維過程和解決方案轉(zhuǎn)化成自身遷移應(yīng)用的能力。在問題得以解決后，學(xué)生要對方案的調(diào)整原因進(jìn)行反思，沉淀其對解決方案的抽象過程，探討此問題解決模式對其他問題情境的適用性。

（二）計(jì)算思維的組成

1.分解思維

分解思維是從問題的分解到認(rèn)知的累加，即學(xué)生要在理解算法的基礎(chǔ)上參照實(shí)例對算法進(jìn)行分解，弄清各部分的意義，用回溯算法等形式將項(xiàng)目活動逐步分解，再結(jié)合現(xiàn)實(shí)對認(rèn)知內(nèi)容進(jìn)行累加，最終厘清結(jié)構(gòu)主線。

2.算法思維

算法思維是從項(xiàng)目活動導(dǎo)向到實(shí)際的問題導(dǎo)向，即算法思維關(guān)注的是生活中的實(shí)際問題，問題求解是教學(xué)過程的推動力和導(dǎo)向。

3.發(fā)散思維

發(fā)散思維即在解決問題的策略上，強(qiáng)調(diào)開放性、多樣性、發(fā)散性，鼓勵學(xué)生在符合實(shí)際的情況下，運(yùn)用多種工具、通過多種途徑來解決生活中的實(shí)際問題。

（三）問題解決模型的提出

基于以上對計(jì)算思維加工過程和組成的分析，筆者構(gòu)建了問題解決模型（如圖1所示），該模型以問題為中心，教師在深度挖掘教材和生活案例的前提下，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)問題情境，提供支架并調(diào)動學(xué)生通過自主探索、合作互助等形式分解問題，以計(jì)算思維方法建構(gòu)知識點(diǎn)，確定求解問題的合適方法，最終更好地解決問題。

圖1 問題解決模型示意圖

對于該模型的實(shí)施應(yīng)用，筆者認(rèn)為要注意以下幾個方面。

1.創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)膯栴}情境

問題情境的創(chuàng)設(shè)能有效地培養(yǎng)學(xué)生的問題意識。而問題意識又可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和求異思維。因此，創(chuàng)設(shè)一個合適的問題情境是問題解決模式建立的前提。在情境的創(chuàng)設(shè)過程中，教師要從教學(xué)需求出發(fā)，回歸學(xué)生的日常生活，根據(jù)學(xué)生的心理特征、興趣愛好和已有知識經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定一個綜合性較強(qiáng)、能引發(fā)思考的問題情境。情境的范圍可涉及生活、學(xué)習(xí)、社會、人文等。要保證學(xué)習(xí)任務(wù)的真實(shí)性，只有現(xiàn)實(shí)性的問題，才能讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的實(shí)際意義。

2.提出有效的問題

一方面，問題的提出必須依據(jù)特定的教學(xué)目標(biāo)，而教學(xué)目標(biāo)又是問題的價值體現(xiàn)。另一方面，知識本身是建構(gòu)的過程，教師必須要把握計(jì)算思維的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，對課程或教材各個單元涉及的計(jì)算思維形態(tài)及其表現(xiàn)特征有充分了解，在此基礎(chǔ)上發(fā)揮支架功能，真正走進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動與思維過程。因此，有效的問題要體現(xiàn)以下特點(diǎn)：第一，試題的指向和陳述清晰明確；第二，問題設(shè)計(jì)能引發(fā)認(rèn)知沖突，促進(jìn)思考；第三，問題的提出連續(xù)而富有邏輯；第四，問題設(shè)計(jì)涉及的領(lǐng)域要廣泛，能激活學(xué)生已有的知識經(jīng)驗(yàn)；第五，問題要有開放性和創(chuàng)造性。

3.探尋問題的解決方案

面對真實(shí)的問題，教師要引導(dǎo)學(xué)生在問題解決的過程中把復(fù)雜的問題簡單化，要思考如何通過信息技術(shù)手段來解決問題，應(yīng)用什么樣的知識或經(jīng)驗(yàn)才有效，通過采集必需的信息，假想解決方案中可能發(fā)生的情況，科學(xué)地組織和分析數(shù)據(jù)，通過反思問題解決過程中出現(xiàn)的問題再調(diào)整相關(guān)方案。

4.提供解決問題的支架

問題解決模型的核心是學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。知識建構(gòu)的過程即從學(xué)生已有知識經(jīng)驗(yàn)到假設(shè)生成的過程。問題解決是復(fù)雜的思維活動過程，任何思維形式基本都由一系列可操作的方法構(gòu)成。從課題的設(shè)定到結(jié)果，教師要結(jié)合計(jì)算思維的特征，經(jīng)常使用思維的語言，如思考、相信、猜測、假設(shè)、證據(jù)、推理、計(jì)算、建模、猜想、設(shè)想、懷疑等，為學(xué)生思維活動提供支架并引導(dǎo)學(xué)生主動思考，將探究的主動權(quán)歸于學(xué)生，與學(xué)生間開展真實(shí)對話。在對話過程中運(yùn)用各種知識技能，符合邏輯地展開問題解決的過程，確定結(jié)論前保證學(xué)生有充分思考的時間，培養(yǎng)學(xué)生的反思性思維，進(jìn)而促成深度學(xué)習(xí)的思維文化。

5.對問題解決的評價

對問題解決的評價包括過程性評價和結(jié)果性評價。過程性評價是對問題解決方案、具體實(shí)施方法、施策過程的評價。結(jié)果性評價是對問題解決結(jié)果的評價，體現(xiàn)在對作品或相關(guān)程序執(zhí)行效率等的評價。一般來講，真實(shí)性的問題不局限于單一解法或定式解法，通過評價和對比往往會發(fā)掘更優(yōu)化的問題解決方案。而對于問題解決結(jié)果的評價，則可根據(jù)預(yù)設(shè)的量規(guī)以作品形式來進(jìn)行自評、互評。

6.貫穿始終的思維方法

要在問題解決的活動中，體現(xiàn)計(jì)算思維的過程，將不同層次的計(jì)算思維表征逐步呈現(xiàn)。分解復(fù)雜問題，整理思維；利用算法、糾錯元素來訓(xùn)練計(jì)算思維；通過拓展與延伸，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維；學(xué)生在作品賞析、成果分享的基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，進(jìn)而沉淀思維。

四、問題解決模型的應(yīng)用

筆者以教科版《信息技術(shù)基礎(chǔ)（必修）》中《圖像信息的采集與加工》為例來闡述問題解決模型的應(yīng)用如表1所示。

表1 《圖像信息的采集與加工》案例

此案例從問題解決的角度重點(diǎn)介紹了其中的一個問題解決方案，利用Photoshop軟件對采集的圖像進(jìn)行加工，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐探究，使學(xué)生掌握相關(guān)的圖像采集加工技術(shù)，同時，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決意識，使其形成問題解決能力。

五、結(jié)論

計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科的價值核心，其培養(yǎng)目的是讓學(xué)生在遇到實(shí)際問題時，能夠本能地應(yīng)用課堂上形成的思維意識和能力來解決問題。而圍繞問題解決開展關(guān)于計(jì)算思維的研究與實(shí)踐不乏是一條可行之路，希望此模型的構(gòu)建與應(yīng)用能對廣大研究者有所借鑒，進(jìn)而開展更深入的研究。