計算思維實踐框架研究

李澤 李偉 毛頓 龔志輝 夏立

【摘 要】對計算思維內(nèi)涵的解讀，以及在K-12階段對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，已經(jīng)成為教育研究者們重點關(guān)注的議題。該研究基于計算思維三維框架，以問題解決為主線，以設(shè)計和創(chuàng)造為核心，提出了一套系統(tǒng)且具有可操作性的計算思維實踐框架。該研究基于過程要素和行為表現(xiàn)的分析，并融合了學(xué)科的特色，豐富了計算思維實踐的具體內(nèi)容，旨在為計算思維培養(yǎng)提供理論和實踐方面的指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】計算思維;計算實踐;思維培養(yǎng);問題解決;設(shè)計過程

【中圖分類號】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）09-005-04

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，其在眾多行業(yè)的優(yōu)勢愈加明顯，計算思維逐漸引起了人們的關(guān)注。英、美、韓、澳等國家相繼將計算思維納入課程體系[1]。我國教育部發(fā)布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中，也將計算思維作為信息技術(shù)課程培養(yǎng)的學(xué)科核心素養(yǎng)之一[2]。圍繞計算思維的具體含義和組成，本文從計算實踐角度提出了一個包含四個維度的計算思維實踐框架。該框架能夠為計算思維相關(guān)的教學(xué)、課程設(shè)計以及表現(xiàn)性評價提供參考，為學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，尤其是在K-12階段的落地，提供一套可操作性的指南。

計算思維的構(gòu)成與計算實踐

自計算思維概念提出以來，對于計算思維的具體構(gòu)成，人們提出了不同的看法。多數(shù)文獻(xiàn)都是將計算思維分解成數(shù)據(jù)分析、問題分解、抽象、算法等多個子概念或?qū)嵺`[3][4][5]，而缺乏對學(xué)生學(xué)習(xí)過程和思維培養(yǎng)過程的關(guān)注。2012年，Brennan和Resnick以基于設(shè)計的Scratch互動學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，提出了計算思維的三維框架，包含計算概念、計算實踐及計算觀念三個維度[6]。計算概念指的是在編程中廣泛運用的概念：序列、循環(huán)、事件、并行、條件語句、運算符號和數(shù)據(jù)。計算實踐指的是作者對一個作品的創(chuàng)作過程，研究中將其分解為四個部分：試驗與迭代、測試與調(diào)試、重用與改編、抽象與模塊化。計算觀念指的是學(xué)習(xí)者對超出作品本身事物的思考和理解能力，包括表達(dá)、聯(lián)系和質(zhì)疑。該框架為計算思維的教學(xué)和培養(yǎng)提供了參考，也為計算思維的評價提供了依據(jù)。計算作品是反映學(xué)生計算思維能力的重要載體。該研究也嘗試從受訪者的計算作品入手，用多種方式評價學(xué)生的計算思維。但是，該框架基于對創(chuàng)作實踐部分的維度劃分比較粗略，對學(xué)生的創(chuàng)作過程缺少關(guān)注，對計算思維培養(yǎng)的落地缺乏明確的指導(dǎo)。思維的過程是思維結(jié)構(gòu)重要的組成部分之一[7]，而作品創(chuàng)作的過程正是反映思維過程的重要方式。因此，對計算作品創(chuàng)作過程的關(guān)注，是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要環(huán)節(jié)。

計算實踐導(dǎo)向的計算思維實踐框架

本文提出的計算思維實踐框架，是基于上述三維框架中的計算實踐維度進行補充和架構(gòu)的。從過程要素和行為表現(xiàn)的層面分析，計算思維的過程是問題解決中的邏輯思維、算法思維和系統(tǒng)思維的具體作用過程[8]。在各國的計算思維課程設(shè)計中，都強調(diào)問題解決的能力[9]。因此“問題解決”是本研究架構(gòu)計算思維實踐框架的主線。思維具有生產(chǎn)性，人們會為解決問題制作思想產(chǎn)品，故評價“作品”是分析思維的一個重要途徑[10]。在計算思維實踐中，學(xué)習(xí)者產(chǎn)出的計算作品就是思想產(chǎn)品，而產(chǎn)出作品的過程離不開利用計算工具和計算原理進行設(shè)計，通過設(shè)計作品來建構(gòu)知識，正是建造主義所強調(diào)的學(xué)習(xí)過程[11]。因此，設(shè)計因素是我們對計算思維實踐框架進行架構(gòu)的另一重點。

結(jié)合計算思維的內(nèi)涵，以及根據(jù)建造主義的基本理論和借助計算機解決問題的一般過程，本文構(gòu)建了如圖1所示的計算思維實踐框架。學(xué)習(xí)者以問題解決為目的，從具體問題情境出發(fā)，歷經(jīng)分析、設(shè)計、創(chuàng)造和評估四類行為表現(xiàn)。在每一類行為表現(xiàn)下，分別由三至四個不同的具體實踐組成，最終形成計算作品。需要注意的是，盡管框架對計算思維實踐按照行為表現(xiàn)進行了不同維度的劃分，但是在實際學(xué)習(xí)過程中，每個實踐行為之間是高度相關(guān)、相互交織并不斷迭代的，實際教學(xué)中也應(yīng)綜合使用以完成教學(xué)目標(biāo)。接下來本文將對各個維度進行闡述。

1.計算思維實踐之“分析”維度

分析問題是學(xué)習(xí)者進行問題解決的開始。本文將該維度分為問題定義、問題分解和數(shù)據(jù)分析三個實踐過程。問題定義是問題解決的起點，它指的是學(xué)習(xí)者識別并理解計算問題的過程[12]。在明確了問題的目標(biāo)與本質(zhì)后，學(xué)習(xí)者便可嘗試將復(fù)雜問題分解為易于控制和實現(xiàn)的子問題。在此過程中，學(xué)習(xí)者還應(yīng)基于經(jīng)驗或理論判斷可行的計算方法，將實際問題轉(zhuǎn)化為能夠使用合適計算工具解決的問題[13]。

在對問題進行界定后，學(xué)習(xí)者還應(yīng)當(dāng)對問題中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析。數(shù)據(jù)視角是一種新的理解問題的方式。如何高效地獲取、處理和分析數(shù)據(jù)，并從中總結(jié)出規(guī)律和結(jié)論，是科學(xué)研究的核心。在教育部發(fā)布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中，對學(xué)生信息意識的描述也涉及了學(xué)生能夠根據(jù)解決問題的需要，自覺、主動地使用恰當(dāng)?shù)姆绞将@取與處理數(shù)據(jù)，并且采用計算機可以處理的方式界定問題和合理組織數(shù)據(jù)[14]。在對數(shù)據(jù)進行合適的處理后，學(xué)習(xí)者還應(yīng)使用計算工具從數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，識別規(guī)律和關(guān)系，進行推理和預(yù)測，并使用可視化的方式將結(jié)論表達(dá)出來[15]。

2.計算思維實踐之“設(shè)計”維度

在對問題有了基本的理解并確定需要達(dá)成的目標(biāo)后，學(xué)習(xí)者就可以形成解決問題的思路，并對解決方案進行設(shè)計。計算作品是學(xué)習(xí)者最直接明顯的產(chǎn)出，而作品的設(shè)計過程是評估學(xué)習(xí)者計算思維能力的重要組成部分。學(xué)習(xí)者在設(shè)計中首先要關(guān)注方案的整體性，抽象出問題解決的模型;然后明確模型中具體的算法設(shè)計，確定完成問題的基本指令;最后從系統(tǒng)的角度審視解決方案，既要關(guān)注系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和行為，也要注意到系統(tǒng)和外部環(huán)境的相互作用和影響。因此，本文將設(shè)計過程分為抽象建模、算法設(shè)計和系統(tǒng)思考三個實踐過程。

抽象建模是解決計算問題的核心，它幫助人們應(yīng)對易變和復(fù)雜的環(huán)境，深化對現(xiàn)實世界的理解[16]。模型是對現(xiàn)實的簡化，是對特征的概括，而概括能力又是學(xué)科能力和思維能力的基礎(chǔ)[17]。在概括了必要的特征后，學(xué)習(xí)者就需要對模型進行建構(gòu)。使用合適的方式建構(gòu)模型有助于學(xué)習(xí)者探究系統(tǒng)的內(nèi)在邏輯和關(guān)系。而如何有效地使用模型，關(guān)鍵在于理解模型與現(xiàn)象之間的關(guān)系，這就包括闡述模型與現(xiàn)象之間的異同，提出影響其有效性的因素，以及識別模型所隱含的內(nèi)在假設(shè)。

完成了模型的建構(gòu)之后，學(xué)習(xí)者就要針對問題解決進行算法設(shè)計。算法是完成特定任務(wù)的一系列自動化步驟，是呈現(xiàn)問題解決方案的邏輯和有序指令。在設(shè)計的過程中，學(xué)習(xí)者首先應(yīng)當(dāng)理解算法的應(yīng)用情境、基本概念、邏輯流程和設(shè)計原則，而后用自然語言、流程圖或偽代碼等形式進行表達(dá)，最后從經(jīng)驗、邏輯、數(shù)學(xué)等方面對算法的正確性和有效性進行分析。

計算作品是由相互聯(lián)系、相互作用的元素為完成特定目標(biāo)而組成的集合，學(xué)習(xí)者應(yīng)該以系統(tǒng)化的方式對計算作品進行思考和設(shè)計。系統(tǒng)思考是一種重要的思維方式，它對科學(xué)發(fā)展及培養(yǎng)公民的科學(xué)素養(yǎng)起到重要作用[18]。按照從整體到局部的邏輯順序，學(xué)習(xí)者應(yīng)先忽略底層交互細(xì)節(jié)，從整體上理解系統(tǒng)的行為和特征，而后識別系統(tǒng)的構(gòu)成元素及其行為，厘清整體與局部的關(guān)系，理解元素之間的交互作用和層次關(guān)系，并進行模塊化或?qū)哟位O(shè)計。按照從內(nèi)到外的邏輯順序，在設(shè)計過程中，應(yīng)先定義系統(tǒng)的邊界、范圍和大小，在控制系統(tǒng)復(fù)雜度的同時，確保系統(tǒng)包含必要的元素，以完成既定目標(biāo)，而后理解系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用，識別系統(tǒng)外的關(guān)鍵影響因素，調(diào)整和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計。

3.計算思維實踐之“創(chuàng)造”維度

在問題解決的過程中，最關(guān)鍵的步驟就是將設(shè)計方案在實際情境下借助計算工具加以實現(xiàn)和實施。本文將“創(chuàng)造”維度分解為計劃制定、作品創(chuàng)造、實驗迭代三個實踐過程。

創(chuàng)造過程可以看做是按照一定的目的、任務(wù)和形式管理的項目過程。因此在作品創(chuàng)作之前，學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)用計劃描述項目的目標(biāo)、范圍、過程及預(yù)期結(jié)果，采用合適的方式監(jiān)控項目進展，并在發(fā)生變更時對項目做出及時調(diào)整。之后學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)依據(jù)設(shè)計方案和項目計劃，使用合適的工具和材料創(chuàng)造作品;另一方面，學(xué)習(xí)者還能對已有作品進行改編，采用組合和重用的方式創(chuàng)造作品，并設(shè)計可復(fù)用的組件，使其適應(yīng)變化的需求。而創(chuàng)造的過程并不是一蹴而就的，往往需要不斷地通過實驗驗證想法，并以迭代的方式調(diào)整和完善設(shè)計方案或作品，解決計算問題以適應(yīng)新的需求。

4.計算思維實踐之“評估”維度

評估是學(xué)習(xí)者對計算作品進行總結(jié)的過程。學(xué)習(xí)者對計算作品進行評價，確認(rèn)其是否達(dá)到預(yù)定的問題解決的目標(biāo)，是否實現(xiàn)預(yù)期的功能，以及是否成功解決了計算問題。本文將該維度分解為測試調(diào)試、作品分析和評論反饋三個實踐過程。

測試調(diào)試是有意識地提升計算作品質(zhì)量的過程，同時也是深入理解計算系統(tǒng)和環(huán)境的過程。在軟件工程中，使用測試用例對計算作品進行系統(tǒng)化的測試，識別并分析異?，F(xiàn)象，調(diào)試并修復(fù)作品中的錯誤，是測試調(diào)試必不可少的環(huán)節(jié)。在完成作品后，學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)能夠從運行效果、功能性、可靠性、易用性和可維護性等方面對自己或他人的計算作品進行分析。在分享作品的過程中，學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)理性探討或接受他人的反饋，并對自己或他人的作品進行恰當(dāng)?shù)脑u論。

總? 結(jié)

本文提出的計算思維實踐框架，以問題解決為主線，設(shè)計和創(chuàng)造為核心，全面地總結(jié)了學(xué)習(xí)者在解決計算問題過程中需要進行的實踐行為，能夠有效地確定學(xué)習(xí)目標(biāo)并指導(dǎo)學(xué)習(xí)者計算思維能力的培養(yǎng)。該框架結(jié)合了我國K-12階段計算思維培養(yǎng)的現(xiàn)狀，以及國內(nèi)外目前對計算思維領(lǐng)域已有研究的總結(jié)，是一套系統(tǒng)的、具有可操作性的計算思維培養(yǎng)指南。同時，本文也從學(xué)科融合的視角，重新審視了計算思維，融入了系統(tǒng)思考和計劃制定等具有學(xué)科特色的實踐，并要求學(xué)習(xí)者將評估貫穿于整個項目中，旨在培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的思維方式識別、思考和解決生活中現(xiàn)實問題的能力。

該計算思維實踐框架經(jīng)過了九輪計算思維領(lǐng)域?qū)＜业挠懻摵托薷?，并已逐步在教學(xué)實踐中推廣。但是如何分階段地培養(yǎng)計算思維實踐，以及學(xué)習(xí)進階和學(xué)習(xí)軌跡的設(shè)計，仍有待在理論研究和教學(xué)實踐中進一步探索。

注1：李澤系本文通訊作者

注2：本研究受深圳點貓科技有限公司“3D可視化編程平臺——代碼島創(chuàng)業(yè)資助項目”（項目編號：CYZZ20180307154623394）資助;本研究為全國教育信息技術(shù)研究2018年度重點課題“人工智能時代小學(xué)創(chuàng)意編程課程的設(shè)計研究”（課題立項號：186220006）的階段性成果

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作者單位：1.廣東深圳點貓科技有限公司教學(xué)教研中心? 2. 北京大學(xué)教育學(xué)院 3. 廣東深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 商務(wù)外語學(xué)院