基于計(jì)算思維培養(yǎng)的編程教育研究

梅松珂 顧美俊

摘? 要 概括國內(nèi)外關(guān)于計(jì)算思維的定義及內(nèi)涵，并對計(jì)算思維教育以及基于計(jì)算思維培養(yǎng)的編程教育進(jìn)行綜述，為在編程教育中培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 計(jì)算思維;計(jì)算思維教育;編程教育;計(jì)算機(jī)科學(xué)

中圖分類號：G427? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）07-0069-03

0 引言

計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展給經(jīng)濟(jì)和社會生活帶來深遠(yuǎn)的影響，無論年齡大小，幾乎每個人都有望在技術(shù)發(fā)展的同時掌握一些基本的計(jì)算技能。應(yīng)該讓學(xué)生為未來做好準(zhǔn)備，他們有能力使用目前尚未發(fā)展的技術(shù)來解決問題。在這種情況下，人們對個人的能力和期望自然會有所不同。除了當(dāng)下這些技術(shù)的飛速發(fā)展之外，更著重強(qiáng)調(diào)的是人人都應(yīng)該具備一些基本的計(jì)算技能。在此基礎(chǔ)上，每個人必須通過批判性思維來使用數(shù)字技術(shù)，以獲得知識和技能，并解決在學(xué)習(xí)和日常生活中面臨的問題。正如Wing在與計(jì)算思維技能相關(guān)的筆記中指出的：“無處不在的計(jì)算是昨天的夢想，后來變成了今天的現(xiàn)實(shí)，計(jì)算思維是明天的現(xiàn)實(shí)。”[1]

1 計(jì)算思維

計(jì)算思維不是新概念，這是自20世紀(jì)60年代以來在計(jì)算機(jī)科學(xué)背景下被強(qiáng)調(diào)的一項(xiàng)重要技能[2]。在早期，計(jì)算思維被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)科學(xué)家需要獲得的一種能力，這在計(jì)算機(jī)科學(xué)的歷史上被認(rèn)為是非常重要的。然而在21世紀(jì)，這種認(rèn)識已經(jīng)被改變了，尤其是在Wing確定計(jì)算思維是每個人都應(yīng)該獲得的基本能力之一后。Wing的決定在短時間內(nèi)得到人們的廣泛回應(yīng)，同時還有一批在教育領(lǐng)域制定國際標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)，如國際教育技術(shù)學(xué)會（ISTE）、計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）、國家研究委員會（NRC）。政策制定者和大型公司（谷歌、微軟等）都非常支持這一想法，并為將計(jì)算思維視為每個人都應(yīng)該獲得的能力作出巨大貢獻(xiàn)，這對個人為未來世界做準(zhǔn)備非常重要[3]。

在21世紀(jì)，人們期望通過使用現(xiàn)有的技術(shù)來發(fā)揮生產(chǎn)作用，而不是成為消費(fèi)技術(shù)的人。在這個框架下，應(yīng)該提高個人創(chuàng)造力和解決問題技能。為了培養(yǎng)具有創(chuàng)造力和結(jié)合技術(shù)解決問題的技能的下一代，發(fā)展計(jì)算思維對年輕人來說至關(guān)重要。在這種背景下，ISTE強(qiáng)調(diào)，年輕人應(yīng)該準(zhǔn)備成為計(jì)算思想家，理解如何通過使用當(dāng)今的技術(shù)來解決明天的問題。因此，一方面可以說計(jì)算思維相關(guān)技能可以通過受益于信息處理的能力來提高問題解決和批判性思維能力;另一方面，計(jì)算思維能力對日?；顒拥膱?zhí)行有顯著影響——信息技術(shù)可以被用來更為有效地執(zhí)行。

計(jì)算思維的觀點(diǎn)是由Wing于2006年提出的，即“計(jì)算思維代表適用于每個人的態(tài)度和技能，而不僅僅只是計(jì)算機(jī)科學(xué)家”。但是對于計(jì)算思維的概念的定義，目前還沒有共識，關(guān)于這個定義過程的討論還在進(jìn)行中。Wing將計(jì)算思維的概念定義為面對問題時像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考。在這種背景下，Wing在2006年首次將計(jì)算思維確定為一種思維方式，包括以適當(dāng)?shù)某尸F(xiàn)方式理解問題，通過抽象使這些問題合理化，并為它們開發(fā)自動化的解決方案。后來，Wing在2014年又重新發(fā)展了這一定義，并將計(jì)算思維表示為一種思維過程，包括問題的表述，因?yàn)橛?jì)算機(jī)可以有效地執(zhí)行和表達(dá)解決方案。在計(jì)算思維的技能上，包括通過使用心理能力、個人根據(jù)信息處理過程將問題解決過程推廣到其他問題的能力、通過算法思維自動化解決過程的能力、通過組織和分析轉(zhuǎn)換信息的能力、通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序抽象信息的能力以及連續(xù)使用抽象和建模技能的能力。

ISTE和CSTA將計(jì)算思維技能定義為算法思維、創(chuàng)造性、邏輯思維和解決問題技能的反映。NRC建議數(shù)學(xué)和計(jì)算思維是中小學(xué)科學(xué)教育的主要實(shí)踐?？紤]到這些定義，計(jì)算思維技能與眾多變量之間的關(guān)系是可交流的。盡管對該術(shù)語有不同的定義，也沒有就不同的定義達(dá)成共識，但人們普遍認(rèn)為計(jì)算思維技能涵蓋了抽象、算法思維、問題解決、分解、概括和調(diào)試的概念[4]。為了支持這一想法，Kukul等人于2016年在工作中形成一個與計(jì)算思維解釋相關(guān)的詞語，并發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)中最常用于定義計(jì)算思維過程的數(shù)據(jù)詞是抽象、問題、解決、算法和思維[5]。

2 計(jì)算思維教育

計(jì)算思維屬于科學(xué)方法論的領(lǐng)域，它從思維的角度解釋了人、計(jì)算和計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系。根據(jù)計(jì)算思維的應(yīng)用范圍，可分為計(jì)算機(jī)科學(xué)中的計(jì)算思維、計(jì)算科學(xué)中的計(jì)算思維和所有學(xué)科中的計(jì)算思維三個層次[6]。計(jì)算機(jī)科學(xué)中的計(jì)算思維教學(xué)主要運(yùn)用計(jì)算機(jī)的原理和方法解決實(shí)際問題，這是計(jì)算思維教學(xué)最基本也是最本質(zhì)的內(nèi)容。計(jì)算科學(xué)中的計(jì)算思維是一種基于計(jì)算機(jī)自動計(jì)算將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為有限計(jì)算過程的思維方式。所有學(xué)科的計(jì)算思維側(cè)重于如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)知識和計(jì)算理論解決其他學(xué)科、生產(chǎn)活動和人類社會的問題，具有普遍性和多樣性的特點(diǎn)。

基于這一觀點(diǎn)，計(jì)算機(jī)被認(rèn)為是一種思維的實(shí)現(xiàn)方式，而不是一種工具，計(jì)算機(jī)科學(xué)被認(rèn)為是一門發(fā)展學(xué)習(xí)者思維能力的學(xué)科，而不是教他們使用軟件。每個學(xué)科都有自己的思維方式。首先，計(jì)算思維是一種學(xué)術(shù)思維方式，由于它是從計(jì)算科學(xué)中抽象出來的，所以它具有一些明顯的計(jì)算特征。其次，計(jì)算思維把計(jì)算當(dāng)作一種思維方式，使得計(jì)算具有思維的屬性。所以計(jì)算思維教育可以從兩個方面來分析，即具有計(jì)算特征的思維教育和具有思維屬性的計(jì)算教育。

一方面，具有計(jì)算特征的思維教育。學(xué)生使用計(jì)算機(jī)解決問題時，思維方式必須滿足計(jì)算機(jī)計(jì)算的條件，這表明學(xué)生應(yīng)該按照計(jì)算機(jī)的計(jì)算方法、計(jì)算規(guī)則和計(jì)算過程來思考問題。在計(jì)算思維教育中，思維的主體是人，計(jì)算的主體是計(jì)算機(jī)，教學(xué)的關(guān)鍵是將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為有限的計(jì)算過程。在實(shí)際教學(xué)中的轉(zhuǎn)換過程：首先，教師引導(dǎo)學(xué)生使用代數(shù)語言或其他規(guī)范語言將實(shí)際問題抽象成一個格式化的表達(dá)式;然后，計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)定的規(guī)則通過字符轉(zhuǎn)換方法將格式表達(dá)式轉(zhuǎn)換成一些字符串;最后，依靠計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力來計(jì)算結(jié)果。在這個教學(xué)過程中，學(xué)生的思維表現(xiàn)出計(jì)算的特點(diǎn)，思路也必須是清晰的。

另一方面，具有思維屬性的計(jì)算教育。計(jì)算機(jī)是人類發(fā)明的，其強(qiáng)大的計(jì)算能力只有在執(zhí)行算法時才有價(jià)值，而算法本身也是一種表達(dá)思想的方式。計(jì)算是思維的實(shí)現(xiàn)，思維是計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，所有的計(jì)算教育活動都是在人類思維的指導(dǎo)下完成的，計(jì)算機(jī)通過間接地、近似地、有限地模擬人類的思維來解決問題。

3 基于計(jì)算思維培養(yǎng)的編程教育

通過計(jì)算思維，人類可以更有效地使用計(jì)算機(jī)解決問題，因此，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)在教學(xué)中尤為重要。但是計(jì)算思維的教學(xué)離不開載體，作為與之密切相關(guān)的編程教育，在計(jì)算思維的培養(yǎng)上發(fā)揮了舉足輕重的作用。

編程類課程主要是為了培養(yǎng)學(xué)生的歸納推理能力，主要采用啟發(fā)式推理、關(guān)注點(diǎn)分離、簡化等歸納推理方法，涵蓋抽象問題、創(chuàng)建模型、設(shè)計(jì)算法、驗(yàn)證結(jié)果等內(nèi)容。編程課程的目標(biāo)是讓學(xué)習(xí)者理解如何用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題，這是培養(yǎng)計(jì)算思維能力的體現(xiàn)。

在傳統(tǒng)的編程類課程中，由于缺乏具體有效的思維指導(dǎo)，講授的內(nèi)容局限于編程語言本身，解決的問題是事先抽象處理的理想模型，應(yīng)用的方法缺乏通用性、工程性和實(shí)用性，導(dǎo)致教學(xué)效果與教育目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。雖然現(xiàn)階段常用的編程語言各不相同，但解決問題和思考問題的方法是相同或相似的。

計(jì)算思維的引入使該課程更加注重運(yùn)用問題驅(qū)動的教學(xué)模式來教授思維的思想和方法，即按照發(fā)現(xiàn)真實(shí)問題、聯(lián)想問題的解決方法，并將其映射到計(jì)算機(jī)模型和設(shè)計(jì)算法的過程來教授計(jì)算機(jī)知識?；谟?jì)算思維的教學(xué)模式不僅能幫助學(xué)習(xí)者理解人類思維與計(jì)算機(jī)計(jì)算的協(xié)同關(guān)系，還能使他們掌握計(jì)算思維總結(jié)的一般思維方法。計(jì)算思維能夠有效地將實(shí)際問題與計(jì)算機(jī)模型聯(lián)系起來。基于計(jì)算思維的編程課程可以明確地教授思維過程，而在此之前只能是學(xué)習(xí)者自己理解的。在這種基于計(jì)算思維培養(yǎng)的課程中，學(xué)習(xí)者只需學(xué)習(xí)一門編程課程就可以解決各種實(shí)際問題。

編程是表達(dá)計(jì)算思維最合適的方式。計(jì)算思維要通過一些語言或者文字來描述，沒有明確的表達(dá)是沒有意義的。進(jìn)一步說，計(jì)算思維的表達(dá)一定要遵循一些嚴(yán)格的規(guī)則和特定的語言格式，否則無法理解。編程語言本身是一種形式表達(dá)，具有確定性、有限性和機(jī)械化的特點(diǎn)。編程語言能夠準(zhǔn)確地表達(dá)計(jì)算思維，表達(dá)方式也易于理解。

編程課程是培養(yǎng)計(jì)算思維的有效載體。計(jì)算思維是一種思維形式，主要表現(xiàn)在解決問題的過程中?；谟?jì)算思維的編程教學(xué)是以解決問題為目的，通過自動的、機(jī)械的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)知識是計(jì)算機(jī)表達(dá)和計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。具有數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化和程序化特點(diǎn)的編程課程是培養(yǎng)計(jì)算思維應(yīng)用能力的有效載體。通過講授計(jì)算機(jī)的具體方法和原理，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、設(shè)計(jì)算法、比較性能和解決問題的能力。

編程課程的實(shí)踐是培養(yǎng)計(jì)算思維能力的重要途徑。計(jì)算思維能力的培養(yǎng)需要經(jīng)歷真實(shí)的案例，所獲得的能力也必須在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)。實(shí)踐教學(xué)可以讓學(xué)習(xí)者體驗(yàn)到編寫程序、形成計(jì)算思維的過程。編程課程通過大量的思維訓(xùn)練和實(shí)踐，使表面的、抽象的思維和知識深入學(xué)習(xí)者的內(nèi)在思維系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者可以主動或不自覺地運(yùn)用合適的計(jì)算思維方法和有效的計(jì)算機(jī)知識來解決問題。編程課程的實(shí)踐可以將知識內(nèi)化為能力，將編程與計(jì)算思維培養(yǎng)融為一體。

而編程過程中通過使用歸約、變換、模擬等方法，應(yīng)用結(jié)構(gòu)編程和函數(shù)將復(fù)雜的未知問題轉(zhuǎn)化為簡單的問題時所涉及的抽象、概括、評估等正是計(jì)算思維教學(xué)的核心內(nèi)容。所以，編程課程是最能體現(xiàn)計(jì)算思維思考過程的課程。

4 結(jié)語

總之，在以計(jì)算思維為培養(yǎng)目標(biāo)的編程課程中，編程知識貫穿解決問題的整個過程，最終形成一個以知識為節(jié)點(diǎn)、計(jì)算思維為連接體的復(fù)雜思維網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算思維的融入使編程課程的內(nèi)容盡可能接近實(shí)際問題，它打破了人、現(xiàn)實(shí)世界和計(jì)算機(jī)科學(xué)之間的界限，將人類的思維和計(jì)算機(jī)知識從計(jì)算機(jī)擴(kuò)展到現(xiàn)實(shí)世界。計(jì)算思維教育與編程教育有著天然的聯(lián)系，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)需要編程教育的支持，編程教學(xué)需要計(jì)算思維的指導(dǎo)，因此在編程教育中融入計(jì)算思維是有意義的，在傳授知識的同時也有必要傳授其蘊(yùn)含的思想。這樣可以通過思維強(qiáng)化知識，又可以通過思維鞏固知識，從而形成思維透徹的知識。最終，它既能幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)編程語言，又能培養(yǎng)他們的計(jì)算思維能力。■

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