計算思維的培養(yǎng)

編者按：21世紀(jì)是知識經(jīng)濟與信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，數(shù)字技術(shù)無處不在，特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展和普及，現(xiàn)實世界和虛擬世界不斷滲透融合，數(shù)字化和計算化逐漸演變成為現(xiàn)代社會的基本形態(tài)特征，對計算思維的應(yīng)用需求越來越廣泛。信息技術(shù)課程已經(jīng)成為我國K-12基礎(chǔ)教育階段必不可少的組成部分，計算思維不僅是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，也是信息技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)的著力點。該文闡述了計算思維的內(nèi)涵和特征，說明了計算思維在信息技術(shù)學(xué)科中的重要地位，并且結(jié)合當(dāng)前我國信息技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀，歸納總結(jié)了在信息技術(shù)課程中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的方法策略，以期對信息技術(shù)課程改革的研究提供一些借鑒。

前言

現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展不斷改變著人們的生活方式，也逐漸轉(zhuǎn)變著人們的認知結(jié)構(gòu)和思維特征。隨著社會數(shù)字化和計算化程度的日益加深，計算無處不在。利用計算機等數(shù)字工具拓展人類思維、處理日常事務(wù)是“數(shù)字公民”必不可少的一項基本素質(zhì)。隨著信息技術(shù)逐步融入社會生產(chǎn)生活的各個方面，計算思維作為一種信息化的問題解決能力，與人類社會的發(fā)展需求相適應(yīng)，將會融入人類活動的各個環(huán)節(jié)之中。培養(yǎng)和提升學(xué)生的信息素養(yǎng)是目前信息技術(shù)課程的目標(biāo)，計算機教育是高科技時代的必然要求，跟語文、數(shù)學(xué)、外語一樣，是一種知識性和技能性相結(jié)合的基礎(chǔ)教育，現(xiàn)階段信息技術(shù)教育在我國中小學(xué)已經(jīng)得到普及，信息技術(shù)已經(jīng)列入中小學(xué)生的必修課程。中小學(xué)信息技術(shù)課程的內(nèi)容以計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主，其核心思想是計算思維，是培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維最直接的方法之一。

然而在信息技術(shù)課程中對中小學(xué)生計算思維能力進行培養(yǎng)，目前還處于探索階段，教學(xué)設(shè)計以及學(xué)校軟硬件資源等也都還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，而且現(xiàn)階段對計算思維培養(yǎng)的研究，大部分還停留在理論階段，有的僅僅是在課堂中引入了計算思維，對計算思維的培養(yǎng)仍然缺乏科學(xué)的體系單擊或點擊此處輸入文字。。那么探索在信息技術(shù)課程中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的有效途徑，使其既能有效促進學(xué)生知識與能力的發(fā)展，又能滿足信息社會快速發(fā)展的需求，還能促進信息技術(shù)課程自身的建設(shè)與發(fā)展，成為了目前需要深思的一個重要問題，也是本文研究的核心問題。

計算思維的內(nèi)涵和特征

計算思維的概念和內(nèi)涵

在科學(xué)研究領(lǐng)域，計算思維（以抽象化和自動化為特征）已被看成是與理論思維（以觀察和歸納包含人類社會活動在內(nèi)的自然規(guī)律為特征）、實驗思維（以推理和演繹為特征）并列的三大科學(xué)思維方式之一。為滿足國家信息化建設(shè)需求，吸引學(xué)科人才，激發(fā)人們探索計算領(lǐng)域的興趣，2006年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授（JeannetteM.Wing）明確提出計算思維的概念，“計算思維是一種運用計算機科學(xué)基本概念求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的方式，涵蓋了計算機科學(xué)領(lǐng)域廣度的一系列思維工具”，2010年，她再次補充定義計算思維是一種解決問題的思維過程，能夠清晰、抽象地將問題和解決方案用信息處理代理（機器或人）所能有效執(zhí)行的方式表述出來。

2011年，美國國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）聯(lián)合計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）基于計算思維的表現(xiàn)性特征，給出了一個操作性定義：“計算思維是一種解決問題的過程，該過程包括明確問題、分析數(shù)據(jù)、抽象、設(shè)計算法、評估最優(yōu)方案、遷移解決方法六個要素”。2013年，南安普敦大學(xué)的CynthiaSelby博士和JohnWoollard博士提出計算思維包括算法思維（AlgorithmicThinking）、評估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalisation）這五個方面的要素。

當(dāng)前，國內(nèi)比較權(quán)威的當(dāng)屬“新版普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)”對計算思維的界定：計算思維是以計算機領(lǐng)域的學(xué)科方法界定問題、抽象特征、建立結(jié)構(gòu)模型、合理組織數(shù)據(jù)，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案，總結(jié)利用計算機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。

計算思維的特征

綜合已有的研究成果，我們可以這樣理解：計算思維是一種獨特的解決問題的過程，反映出計算思維的特征與價值。

計算思維實質(zhì)上是一種可以靈活運用計算工具和方法求解問題的思想方法或思維活動，它的價值不僅體現(xiàn)在能有效地克服知識鴻溝、搭建跨學(xué)科的對話橋梁，更為重要的是它對促進人的整體發(fā)展和終身發(fā)展，具有不可替代的重要作用。計算機科學(xué)的基本思想方法。通過計算思維人們可以更好地理解和分析復(fù)雜問題，形成具有形式化、模塊化、自動化、系統(tǒng)化等計算特征的問題解決方案。它主要包括以下特征：（1）采用抽象和分解的方法形式化復(fù)雜問題，建立結(jié)構(gòu)模型，形成更加高效、可執(zhí)行的解決方案;（2）運用計算機學(xué)科基本概念與工具方法判斷、分析、綜合各種信息資源，強調(diào)個體與信息系統(tǒng)的交互思考過程;（3）是一種獨特的問題解決能力組合，融合設(shè)計、算法、批判、分析等多種思維工具，綜合運用可以形成系統(tǒng)化的問題解決方案。

基于信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)計算思維的必要性

信息技術(shù)（Information and Communication Technologies，ICT）課程是一門順應(yīng)信息社會發(fā)展需求而實施的課程，在促進學(xué)生掌握信息技術(shù)的基本知識和基本操作、加快信息技術(shù)應(yīng)用的普及等方面起了積極的推動作用。然而，隨著社會信息化水平的快速提升，《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》（內(nèi)含信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)）所確立的信息技術(shù)課程價值與課程內(nèi)容，在課標(biāo)實施十年之后已經(jīng)明顯落后于時代發(fā)展的步伐。在2017新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，則進一步明確指出：信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四個核心要素組成，各個部分內(nèi)容之間既相互聯(lián)系，又相互區(qū)別，統(tǒng)一于信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的始終。

信息社會責(zé)任是學(xué)科素養(yǎng)之上的概念，其強調(diào)信息社會中學(xué)生品性的培育，使學(xué)生在信息道德及責(zé)任擔(dān)當(dāng)層面有所發(fā)展，是學(xué)生發(fā)展及其社會化的必然要求，是其他核心要素的歸宿。計算思維將信息社會責(zé)任、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息意識牢牢地聯(lián)結(jié)在一起，形成相互作用的統(tǒng)一整體，構(gòu)筑信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)體系，隱含于信息技術(shù)學(xué)科之中。從以上內(nèi)容來講，計算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的本質(zhì)，是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的根基。以計算思維為主線進行信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，一是凸顯了學(xué)科思維，避免多重線索可能引發(fā)的混亂;二是運用計算思維解決問題的活動中，其他核心素養(yǎng)也得以滲透其中，并與計算思維一起共同支撐起學(xué)科育人價值培養(yǎng)的使命。在這層意義上來講，計算思維是信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的著力點。

計算思維能夠反映計算機科學(xué)的核心概念與思想，但它并不僅僅適用于計算機科學(xué)領(lǐng)域。周以真教授認為：培養(yǎng)學(xué)生的問題解析能力時，我們應(yīng)當(dāng)使每個學(xué)生不僅掌握閱讀、寫作和算術(shù)，還要學(xué)會計算思維。計算思維淡化專業(yè)方法實現(xiàn)，強調(diào)運用計算概念、方法解決問題的思維過程，面向更廣范圍的需求，是幫助人們理解計算本質(zhì)和計算機求解問題核心思想的最佳途徑，亦是數(shù)字公民的一項核心素養(yǎng)。周以真倡導(dǎo)了類似的觀點：一個人可以主修計算機科學(xué)，然后從事任何行業(yè)，例如醫(yī)學(xué)、法律、商業(yè)、政治，以及任何類型的科學(xué)和工程，甚至藝術(shù)工作。通過信息技術(shù)課培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，實現(xiàn)一種思維模式的養(yǎng)成和訓(xùn)練，這是一種基礎(chǔ)性教育。單擊或點擊此處輸入文字。

在信息技術(shù)課程中培養(yǎng)計算思維的可能性分析

信息技術(shù)課程發(fā)展趨勢方面

計算思維已被納入美國CSTAK12標(biāo)準(zhǔn)（2011修訂版）中，英國2013年的新課程計劃、澳大利亞2015年制定的新課程方案都將計算思維作為其新信息技術(shù)課程的重要內(nèi)容。國內(nèi)，不僅信息技術(shù)課程教學(xué)理論研究者在強烈呼吁高中信息技術(shù)課的教學(xué)應(yīng)超越技術(shù)操作，而且處于教學(xué)一線的大多數(shù)信息技術(shù)教師與教研員也表達了類似的觀點與愿望。計算思維理論已經(jīng)成為信息技術(shù)課程變革的理論支點，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維已經(jīng)成為世界各國基礎(chǔ)教育階段信息技術(shù)課程發(fā)展的趨勢之一。

環(huán)境建設(shè)方面

自2004年《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》實施以來，各地學(xué)校想方設(shè)法加大了信息技術(shù)環(huán)境的建設(shè)力度，為信息技術(shù)課程的實施創(chuàng)造條件。根據(jù)教育部2013年新春新聞發(fā)布會發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國高中100%開設(shè)了信息技術(shù)課程，且信息技術(shù)課的實施環(huán)境得以持續(xù)改善。

師資建設(shè)方面

高中信息技術(shù)課教師的規(guī)模和專業(yè)知識技能都有了大幅提升。截至2010年底，全國共有高中信息技術(shù)課專任教師3.8萬人。2012年教育部普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)實施情況調(diào)查結(jié)果顯示，絕大多數(shù)高中信息技術(shù)課教師具有相關(guān)的專業(yè)背景，大學(xué)所學(xué)專業(yè)為計算機、教育技術(shù)和數(shù)學(xué)的比例達到了90.9%。

在適宜課堂上學(xué)生使用的開源軟硬件方面

各種資源與產(chǎn)品日漸豐富，甚至有的是專門為提升學(xué)校信息技術(shù)課程教學(xué)而開發(fā)。在硬件方面有樹莓派、SwiftBoard等，軟件方面有Scratch、Python等適合學(xué)生易學(xué)易用的編程工具和語言。這些軟硬件產(chǎn)品的特點是使用者不必關(guān)注各種技術(shù)細節(jié)，而是集中精力進行問題解決方案的分析、設(shè)計與邏輯驗證，為實現(xiàn)計算思維的培養(yǎng)奠定了良好基礎(chǔ)。

在信息技術(shù)課程中培養(yǎng)學(xué)生計算思維的策略

充分利用計算環(huán)境，構(gòu)建注重“能力”的課程評價體系

設(shè)計與課程內(nèi)容相適應(yīng)、可操作性良好、有效的能力評估方法，是實現(xiàn)課程目標(biāo)的重要保障。目前，我國中小學(xué)階段普遍使用的學(xué)業(yè)評價方式是標(biāo)準(zhǔn)化測試，如多選題、簡答題測試等。結(jié)合計算思維能力培養(yǎng)的特點，課程考核方式應(yīng)以“能力”為主，建議從項目實踐和原理理解兩方面構(gòu)建評價體系，綜合評估學(xué)生的思維水平，開發(fā)更多“非傳統(tǒng)”的測量。如績效任務(wù)和學(xué)生小組任務(wù)，可利用具有豐富性和創(chuàng)造性的計算環(huán)境，在課程配套實驗方案中提出技能方面的要求，適當(dāng)安排設(shè)計項目，提升學(xué)習(xí)者的興趣和成就感。如學(xué)生可以在平臺中創(chuàng)建游戲、應(yīng)用程序和模擬程序，這些環(huán)境可以收集數(shù)據(jù)、分析成果，并向?qū)W生和教師傳達進度。除了重視編程能力的評估，也需注意學(xué)生對計算機科學(xué)其它方面的原理理解，評估的時候需要同時兼顧多個概念。

探索多種信息技術(shù)課程實施途徑

我國大部分地區(qū)中小學(xué)的信息技術(shù)課程實施途徑單一，因此，在一些條件允許的地區(qū)開展信息技術(shù)教學(xué)時要探索多種課程實施途徑。小學(xué)、初中、高中分別對計算機科學(xué)進行基本接觸、適當(dāng)接觸和深入接觸。具體來說，小學(xué)計算機科學(xué)可以融入一般的學(xué)科課堂，如當(dāng)學(xué)生制作數(shù)字音樂、動畫等藝術(shù)作品時，可融入計算系統(tǒng)的概念和框架，也可將其作為一個特殊的學(xué)科（類似于音樂、藝術(shù)和體育），學(xué)生通過專門的課程學(xué)習(xí)計算機科學(xué);在初中，可將計算機科學(xué)納入數(shù)學(xué)和科學(xué)課堂，使用視頻游戲編程的方法講授諸如畢達哥拉斯定理、距離公式等主題，也可作為特定年級一學(xué)期或一年的課程;在高中，計算機科學(xué)可以作為大學(xué)入門課程、AP計算機科學(xué)課程（提供給高中生獲得大學(xué)計算機課程的大學(xué)學(xué)分）、特定課程、網(wǎng)絡(luò)安全、游戲設(shè)計或智能技術(shù)等專業(yè)課程，也可以在不影響其他科目教學(xué)時間的情況下獨立設(shè)置計算機科學(xué)課程。

增強教學(xué)工具軟件的趣味性

國內(nèi)傳統(tǒng)的計算機學(xué)科教育在追求嚴(yán)謹、科學(xué)等目標(biāo)的時候，忽略了對初學(xué)者非常重要的詼諧有趣、直觀明了、可操作性良好的實踐活動和教學(xué)工具的設(shè)計。如我國信息技術(shù)教學(xué)長期使用Logo、Java、VisualBasic等程序設(shè)計軟件工具，對低齡學(xué)童而言不僅難度較大、趣味性不足，而且理論知識抽象難懂，很難引起學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。近幾年來，Scratch、Audrino等工具開始出現(xiàn)在江蘇等省市小學(xué)信息技術(shù)教材中，但就全國而言，普及面尚不廣泛。我國信息技術(shù)教育應(yīng)該通過課堂實踐驅(qū)動編程工具的使用，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，豐富中小學(xué)信息社會學(xué)課程資源與工具，改善學(xué)習(xí)方式。在實踐中，注重培養(yǎng)學(xué)生解決基礎(chǔ)問題的能力，幫助其更好地理解計算思維在生活中的作用，同時也能應(yīng)用到其它學(xué)科和興趣課程中。

結(jié)束語

計算思維如同閱讀、寫作和算術(shù)一樣，是信息社會學(xué)生解析問題的一種普適的基本能力。培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，有助于學(xué)生養(yǎng)成以信息技術(shù)的視角思考問題解決方案的思維模式。面向?qū)W科思維的信息技術(shù)課程教學(xué)中要避免信息技術(shù)學(xué)習(xí)的重復(fù)記憶和機械應(yīng)用，要在學(xué)生掌握信息知識與技能的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生用信息技術(shù)學(xué)科思維全面認識和思考這個復(fù)雜的信息化社會，作出科學(xué)、專業(yè)的信息化判斷，讓學(xué)生更好地在信息化社會中生存、創(chuàng)新與發(fā)展。

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作者簡介：吳貝嘉（1995—），女，漢族，河南南陽人，研究生，云南大學(xué)，研究方向：教育大數(shù)據(jù)。