學(xué)科思想方法：計(jì)算思維教育的一個(gè)視角

周世杰 張瑜

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展及其在社會(huì)各領(lǐng)域的作用凸顯，計(jì)算思維成為人們?nèi)找骊P(guān)注的熱點(diǎn)。作為21世紀(jì)學(xué)生應(yīng)具備的關(guān)鍵能力，計(jì)算思維成為信息技術(shù)教育的重要內(nèi)容和主要方向?；趯W(xué)科思想方法發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)，可以按照信息技術(shù)學(xué)科自身的邏輯體系組織課程內(nèi)容，系統(tǒng)完整地展示信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域中的知識(shí)系統(tǒng)和邏輯結(jié)構(gòu)。這種完整的學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)和嚴(yán)密的邏輯性，為計(jì)算思維教育提供了新的視角，有助于對(duì)學(xué)生信息素養(yǎng)進(jìn)行連續(xù)和系統(tǒng)的培養(yǎng)，有助于學(xué)生全面、準(zhǔn)確地了解信息科技的發(fā)展?fàn)顩r，也有助于信息技術(shù)學(xué)科思想的傳承。

● 什么是學(xué)科思想方法

自周以真教授提出計(jì)算思維的概念以來(lái)，對(duì)它的相關(guān)研究很多。但從其構(gòu)成要素來(lái)看，大部分研究是從計(jì)算科學(xué)方法論的層面對(duì)其進(jìn)行定義。而從信息科技學(xué)科體系而言，它的上游學(xué)科一般認(rèn)為有兩個(gè)，一是計(jì)算科學(xué)，另一個(gè)是信息科學(xué)。所以，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在關(guān)于計(jì)算思維的定義中，明確指出了要關(guān)注學(xué)科思想方法。

1.計(jì)算思維的要素

計(jì)算思維一詞由美國(guó)卡耐基·梅隆大學(xué)周以真教授在2006年3月提出。2010年后，她又將其界定為：“計(jì)算思維是與形式化問(wèn)題及其解決方案相關(guān)的一個(gè)思維過(guò)程，其解決問(wèn)題的表示形式應(yīng)該能有效地被信息處理代替執(zhí)行?！彼瑫r(shí)指出其本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。2009年6月，美國(guó)ACM前主席Denning在《ACM通訊》上發(fā)表文章《超越計(jì)算思維》，給出了七個(gè)偉大計(jì)算原理：計(jì)算、通信、協(xié)作、自動(dòng)化、記憶、評(píng)估、設(shè)計(jì)。他認(rèn)為，“偉大原理”包含了周以真提出的“計(jì)算思維”內(nèi)容。2012年，布倫南等人提出了計(jì)算思維三維框架：計(jì)算概念（順序、循環(huán)、事件、并行、條件、運(yùn)算、數(shù)據(jù)）、計(jì)算實(shí)踐（增加與迭代、測(cè)試與調(diào)試、再利用與再混合、抽象與模塊化）以及計(jì)算觀念（表達(dá)、連接、質(zhì)疑）。2013年，英國(guó)南安普頓大學(xué)的Cynthia Selby和John Woollard博士，為計(jì)算思維歸納了“算法思維、分解、抽象、概括和評(píng)價(jià)”五個(gè)要素，受到廣泛關(guān)注和引用。

在我國(guó)，桂林電子科技大學(xué)董榮勝教授在《計(jì)算思維的結(jié)構(gòu)》一書(shū)中指出：計(jì)算思維的結(jié)構(gòu)，可以具體化為計(jì)算學(xué)科的抽象（感性認(rèn)識(shí)）、理論（理性認(rèn)識(shí)）和設(shè)計(jì)（實(shí)踐）三個(gè)方面。2016年12月，任友群教授等從利用數(shù)字化技術(shù)解決問(wèn)題的過(guò)程方面，將計(jì)算思維的內(nèi)涵要素界定為形式化、模型化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化四個(gè)方面。謝忠新（2017）將計(jì)算思維要素界定為分解、模式與概括、抽象、算法思維、評(píng)估五個(gè)方面。

由上述可知，在計(jì)算思維內(nèi)涵和要素方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是從計(jì)算科學(xué)方法論的角度予以歸納和提煉。

2.計(jì)算思維教育

很多專(zhuān)家指出，計(jì)算思維體現(xiàn)了信息技術(shù)學(xué)科的一種內(nèi)在價(jià)值，有助于學(xué)科建設(shè)與發(fā)展。在新課標(biāo)中，計(jì)算思維被定義為：“個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)?！毙抡n標(biāo)在定義中，指明了發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維，需要運(yùn)用學(xué)科思想方法。

南京師范大學(xué)李藝（2016）等基于計(jì)算思維，為信息技術(shù)學(xué)科課程設(shè)計(jì)與教材編寫(xiě)設(shè)計(jì)了六組主題：對(duì)象與管理、規(guī)則與安全、系統(tǒng)與工程、設(shè)計(jì)與制作、協(xié)作與交流、倫理與道德?；谶@種現(xiàn)狀，熊璋和李鋒（2019）在《信息時(shí)代·信息素養(yǎng)》一書(shū)中針對(duì)計(jì)算思維教育提出了三個(gè)建議：其一，掌握信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的思想方法;其二，將信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的思想方法與其他領(lǐng)域相結(jié)合，創(chuàng)新解決問(wèn)題的新模式;其三，依據(jù)學(xué)科領(lǐng)域思想方法合理選用信息技術(shù)工具，利用信息技術(shù)工具解決問(wèn)題，并能實(shí)現(xiàn)這種解決問(wèn)題能力的遷移。三個(gè)建議和新課標(biāo)定義相比，從“計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法”到“信息技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域的思想方法”，拓寬了發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的渠道。

● 什么是信息技術(shù)學(xué)科思想方法

南京師范大學(xué)李藝教授在《重構(gòu)信息技術(shù)課程——從經(jīng)驗(yàn)選擇走向思想投射》一文中指出：“面對(duì)新的挑戰(zhàn)，信息技術(shù)課程尚未表現(xiàn)出足夠的自信。這種自信的缺乏，源于課程長(zhǎng)期以來(lái)所走的經(jīng)驗(yàn)選擇道路，缺乏系統(tǒng)而穩(wěn)定的學(xué)科思想積淀?！?/p>

眾所周知，數(shù)學(xué)、化學(xué)等成熟學(xué)科都有各自的學(xué)科思想方法，并且都是從自身上游學(xué)科知識(shí)提煉而來(lái)，這些經(jīng)驗(yàn)可以用來(lái)指導(dǎo)信息技術(shù)學(xué)科的思想方法梳理工作。因此，我們可以將信息技術(shù)學(xué)科思想方法界定為：在信息技術(shù)發(fā)展歷程中，在解決實(shí)際問(wèn)題過(guò)程中而逐步形成的具有信息技術(shù)學(xué)科特點(diǎn)的科學(xué)原理和技術(shù)思想。它由上游學(xué)科生發(fā)，并經(jīng)過(guò)從其智慧積累之中采摘、改造并重新序化而來(lái)，具有信息技術(shù)學(xué)科知識(shí)取向且較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捏w系化的特征，是對(duì)信息技術(shù)學(xué)科知識(shí)的本質(zhì)理解和理性分析。

通過(guò)這樣的概念界定，可以指導(dǎo)我們梳理信息技術(shù)學(xué)科思想方法的思路。

思路一：在上游學(xué)科中尋找，如信息熵思想、圖靈機(jī)理論等。

信息熵思想。1948年，香農(nóng)提出了“信息熵”的概念，解決了對(duì)信息的量化度量等問(wèn)題，用來(lái)描述信源的不確定度。

圖靈機(jī)思想。圖靈于1936年在其論文《論可計(jì)算數(shù)及其在判定問(wèn)題上的應(yīng)用》中提出了一個(gè)計(jì)算模型，該模型是用機(jī)器來(lái)模擬人們?nèi)粘Ｓ眉埞P進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算的過(guò)程，這個(gè)模擬裝置就是圖靈機(jī)。

思路二：從信息技術(shù)的發(fā)展歷程中尋找，如符號(hào)化思想、標(biāo)準(zhǔn)化思想、對(duì)象管理思想等。

符號(hào)化思想?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)作為處理信息的工具，只能處理數(shù)字（二進(jìn)制數(shù)）。要想讓計(jì)算機(jī)幫助我們處理需要的信息，必須將文字、圖片、聲音、視頻等信息載體轉(zhuǎn)換為數(shù)字（二進(jìn)制數(shù)）。所以我們可以認(rèn)為計(jì)算機(jī)的符號(hào)化思想，就是能夠有意識(shí)地使用計(jì)算機(jī)的符號(hào)0和1來(lái)解釋和解決現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。

標(biāo)準(zhǔn)化思想。為了減少信息技術(shù)在發(fā)展和應(yīng)用中所產(chǎn)生的不必要的復(fù)雜性，經(jīng)協(xié)商一致或在發(fā)展過(guò)程中自然形成大家必須遵守的一些規(guī)則。它具有動(dòng)態(tài)變化性和普適性等特征。

對(duì)象管理思想。在信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)容中，所有的軟件和工具的操作中都涉及對(duì)象、屬性等問(wèn)題，將這些實(shí)體或關(guān)系抽象化后形成數(shù)字化對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行操作、修改，達(dá)到有效管理，這種思想和方法，可以合理構(gòu)建對(duì)象之間的結(jié)構(gòu)化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)象之間更好地聯(lián)系，形成一個(gè)有效的信息化系統(tǒng)。

思路三：從教學(xué)實(shí)踐中尋找一些經(jīng)典算法，如枚舉、遞歸、迭代、分治和回溯等。

算法是計(jì)算機(jī)的靈魂，算法不僅是一種解決問(wèn)題的方式，更蘊(yùn)含著豐富的學(xué)科思想，可以說(shuō)，算法與計(jì)算思維關(guān)系密切。因此，在算法設(shè)計(jì)中一些經(jīng)典的算法也可以歸入信息技術(shù)學(xué)科思想方法。

發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維有助于學(xué)生理解信息環(huán)境中各要素之間的關(guān)系，也體現(xiàn)了當(dāng)代信息技術(shù)課程的一項(xiàng)重要價(jià)值。同時(shí)，計(jì)算思維教育需要提煉信息技術(shù)學(xué)科的思想方法，并通過(guò)設(shè)計(jì)適合學(xué)生學(xué)習(xí)的方式，引導(dǎo)學(xué)生形成以學(xué)科思想方法觀察事物和問(wèn)題求解的能力，發(fā)展與之相適應(yīng)的思維方法與創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。

● 如何開(kāi)展學(xué)科思想方法視角下的計(jì)算思維教育

學(xué)科思想方法是學(xué)科教學(xué)的靈魂。信息技術(shù)學(xué)科思想方法是在認(rèn)識(shí)信息科技知識(shí)技能以及利用信息技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中提煉出的學(xué)科觀點(diǎn)，是對(duì)信息技術(shù)學(xué)科的本質(zhì)、特征及價(jià)值的認(rèn)識(shí)，是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的指導(dǎo)思想。

基于以上認(rèn)識(shí)，筆者在教學(xué)實(shí)踐中，從學(xué)科思想方法的視角，已經(jīng)做了一些嘗試。例如，筆者在教學(xué)字符編碼、計(jì)算機(jī)硬件型號(hào)、USB接口標(biāo)準(zhǔn)和IP地址等內(nèi)容時(shí)，曾融入相關(guān)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生理解在信息技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，為了避免不必要的沖突，一些規(guī)則的逐步形成過(guò)程，從而讓學(xué)生了解標(biāo)準(zhǔn)化思想的特點(diǎn)和價(jià)值。再如，在教學(xué)“信息”的概念時(shí)，筆者以“找人”的情境游戲引入，通過(guò)信息的出現(xiàn)，逐步清晰要找的人的特征，即“消除了不確定性”。課后，筆者將“信息熵”的相關(guān)知識(shí)制作成微視頻，通過(guò)微信公眾號(hào)發(fā)布給學(xué)生，讓學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)。通過(guò)現(xiàn)有嘗試筆者發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)實(shí)踐中，選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)合理的教學(xué)活動(dòng)，滲透學(xué)科思想方法，有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)品質(zhì)。

上海市信息科技學(xué)科新教材將在20201年9月份使用，除了以上初步教學(xué)實(shí)踐，筆者還計(jì)劃進(jìn)行以下嘗試。

其一，基于計(jì)算思維教育的現(xiàn)狀和已有經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)一步梳理信息科技學(xué)科思想方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行“學(xué)科思想方法視角下發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐”，該計(jì)劃主要包括三方面的主要內(nèi)容：①通過(guò)文獻(xiàn)研究、經(jīng)驗(yàn)梳理等方式，進(jìn)一步歸納、凝練信息科技學(xué)科的思想方法;②對(duì)照課標(biāo)課程結(jié)構(gòu)，梳理課程內(nèi)容，選取與學(xué)科思想方法聯(lián)系密切的知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)行教材內(nèi)容分析，并在此基礎(chǔ)上，尋找學(xué)科思想方法、計(jì)算思維要素與課程內(nèi)容的“鏈接點(diǎn)”，圍繞“鏈接點(diǎn)”，統(tǒng)整教學(xué)內(nèi)容;③采用課例開(kāi)發(fā)、案例分析、策略歸納等方式，總結(jié)學(xué)科思想方法視角下發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的教學(xué)策略。

其二，基于新課標(biāo)，尋找信息科技學(xué)科思想方法、計(jì)算思維要素與課程內(nèi)容之間的“鏈接點(diǎn)”，并整合教學(xué)內(nèi)容，解決“課程內(nèi)容”與“思想方法”脫節(jié)的問(wèn)題，為發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維提供新的“抓手”。當(dāng)然，信息科技學(xué)科思想方法與計(jì)算思維要素、課程內(nèi)容之間有著比較復(fù)雜的交織關(guān)系，以上設(shè)想可能存在很大的實(shí)踐難度。