計算思維對中小學信息技術課程的影響初探

王榮良

華東師范大學中小學信息技術教育研究中心 上海 200062

1 計算思維辨析

2006年3月，曾任美國卡內基·梅隆大學（CMU）計算機科學系主任，現任美國基金會（MSP）計算機和信息科學與工程部（CISE）主任的周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計算機權威雜志ACM會刊Communications of the ACM雜志上，首次提出計算思維（Computational Thinking）：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。

計算思維這一觀念一經提出，立即得到美國教育界的廣泛支持，并引起歐洲的極大關注。2007年9月19日，歐洲科學界、工業界領導者在布魯塞爾皇家科學院召開了名為“思維科學——歐洲的下一個政策挑戰”的會議[2]。2008年10月31日，我國高等學校計算機教育研究會在桂林召開關于“計算思維與計算機導論”專題學術研討會，來自全國80多所高校，包括70多位計算機學院院長、主管教學副院長在內的近百名專家出席會議，根據“計算思維”領域的研究以及它在科技創新與教育教學中的重要作用，探討科學思維與科學方法在計算機學科教學中的作用以及在教學過程中如何以課程為載體講授面向學科的思維方法，以共同促進國家科學與教育事業的進步[3]。

根據周以真教授的觀點，計算思維就是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡述成一個人們知道怎樣解決的問題。計算思維是一種遞歸思維，它把代碼譯成數據，又把數據譯成代碼；計算思維采用抽象和分解來迎接龐雜的任務或者設計巨大復雜的系統；計算思維是按照預防、保護以及通過冗余、容錯、糾錯的方式從最壞情況恢復的一種思維；計算思維利用啟發式推理來尋求解答，即在不確定情況下的規劃、學習和調試；計算思維利用海量數據來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行權衡。

計算思維與生活密切相關：當你早晨上學時，把當天所需要的東西放進背包，這就是“預置和緩存”；當有人丟失自己的物品，你建議他沿著走過的路線去尋找，這就叫“回推”；對自己租房還是買房作出決策，這就是“在線算法”；在超市付費時，決定排哪個隊，這就是“多服務器系統”的性能模型；此外還有“失敗無關性”和“設計冗余性”。由此可見，計算思維與人們的工作與生活密切相關，計算思維應當成為人類不可或缺的一種生存能力。

2 信息技術與計算思維的關系

信息技術是關于信息的產生、發送、傳輸、接收、變換、識別、控制等應用技術的總稱，是在信息科學的基本原理和方法的指導下擴展人類信息處理功能的技術。作為現代信息技術，包括通信技術、計算機技術、多媒體技術、自動控制技術和遙感技術等。當今社會，人們已經離不開信息技術。

從表現形式來看，信息技術可以應用在機械、激光、電子、生物等多個方面?，F代信息技術的核心技術是計算機技術，特別是隨著普適計算的發展和網絡計算的普及，從本質而言，信息的自動處理越來越依賴于以CPU為核心的計算機，只是計算機的物理表現形態已不是傳統意義的計算機機箱。

隨著現代計算機的計算速度和存儲空間的不斷增長，計算機已經為人們提供了比數值計算更多的功能，人們已經在計算機上實現了以前只能用紙和筆才能完成的符號計算或符號推理，計算物理學、計算化學、計算生物學等一批計算性學科的興起，尤其是相續興盛的各種非線性科學、人工智能、人工生命、遺傳算法理論、DNA計算機理論等，無不顯示了當代科學數學化的一個新特點：計算化、算法化[4]?！叭f物皆算法”成為科學數學化的當代走向。

作為計算學科，是對信息描述和變換的算法過程的系統研究，包括理論、分析、設計、效率、實現和應用的研究[5]。抽象（Abstraction）和自動化（Automation）（“2A”）是計算思維中兩個最根本的概念，即反映了計算學科的根本問題：什么能被（有效地）自動化[6]。由此可見，作為以信息自動處理為主要功能的信息技術，其核心思想是計算思維。而信息技術的廣泛應用，反映了計算思維對現代人類的重要性。

3 計算思維對信息技術課程可能產生的作用

中小學信息技術課的前身是計算機課。我國從20世紀80年代初就開始在中小學開設計算機課程，教育部于2000年10月25日在北京召開的“全國中小學信息技術教育工作會議”是中小學信息技術教育全面發展的標志性會議。2004年，《普通高中信息技術課程標準（實驗）》的制訂進一步推動了信息技術課程的發展。信息技術課程與計算機課程的根本區別是如何看待計算機。課程的目標從掌握計算機知識和技能轉變到信息素養的培養，從培養學生對計算機的興趣，掌握計算機知識，提高運用計算機的能力到學生通過學習信息技術，能有效地利用信息工具和信息資源來改善自己的學習方式，樹立利用信息工具解決問題的思想。

從《普通高中信息技術課程標準（實驗）》對提高學生信息素養的課程目標可以看出，學生的信息素養表現在：對信息的獲取、加工、管理、表達與交流的能力；對信息及信息活動的過程、方法、結果進行評價的能力；發表觀點、交流思想、開展合作并解決學習和生活中的實際問題的能力；遵守相關的倫理道德與法律法規，形成與信息社會相適應的價值觀和責任感[7]。這樣，從知識與技能、過程與方法、情感態度價值觀三方面全面描述了信息素養。

然而，信息技術課程在強調用信息技術工具解決實際問題過程中，一直沒有很好地解決對信息技術核心工具即計算機的理解。事實上，計算機作為一種信息自動處理工具，不僅是工具應用，而且工具處理信息的思想都應該被現代社會公民所掌握，并且后者比前者更為重要。文獻[8]在反思中小學程序設計教學的基礎上，從問題求解、形式規整、人機共存3個方面闡述了算法思維，并提出目前“算法與程序設計”教學要從重視程序設計、重視算法細節轉移到重視算法思維，如同算法是信息處理的核心技術一樣，算法思維可以成為信息技術課程的核心思維。

對計算思維的討論，促進了ACM對CC2001（美國關于大學計算機科學的教學大綱）的修改，倡導“計算思維”與“計算機導論”課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計算思維的本質。對計算思維的討論，同樣也會促進對中小學信息技術課程價值的討論。

首先，計算思維的討論促進人們從信息素養培養轉向對信息技術工具本身的關注，反思計算機課程，重視計算教育。這是一種“基礎的回歸”，把學習計算機科學看成學習數學或英語一樣的基礎知識[2]。必須重新審視飛速發展的計算機技術、網絡技術、多媒體技術，挖掘其相對穩定的教育價值。

其次，計算思維的討論促進改革中小學現有的程序設計教學，重新探討算法與程序設計在信息技術課程中的地位與作用，優選“算法與程序設計”的教學內容，改善“算法與程序設計”的教學方法，促進算法思維在信息技術課程中以適切的形式呈現。

第三，計算思維促進人們探討人與信息技術工具的辯證關系。計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要求人類像計算機那樣思考。計算機枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力，是人類賦予計算機激情。計算思維極大地豐富了信息技術課程的情感態度價值觀的教學內容與價值。

計算思維不僅僅是計算機科學家的思維，它已不局限于計算機領域，應該成為每個人的技能組合成分。理解這一點，就需要重新研究信息技術課程的教育價值。

4 結言

綜上所述，可以這樣認識計算思維：計算機思維是運用計算機科學的基礎概念來進行問題的求解、系統的設計以及人類行為的理解，它是一種計算機學科的方法論，也與人們的工作、生活密切相關。計算思維是一種本質的、所有人都具備的思維方式，就像閱讀、寫字、做算法一樣，成為人們最基礎、最普遍、最適用的和不可缺少的基礎思維方式。

在大學推進計算思維這一基本理念的教育和傳播工作十分重要，通過計算思維的教育，讓所有專業的大學新生能夠“像計算機科學家一樣思維”。與此對應，在基礎教育中，讓將來的現代社會公民掌握計算思維比學會操作計算機更為重要。只有當計算思維成為一種本質的、所有人都具備的思維方式，使計算思維成為人類活動的整體，才能激發人們對科學探索的興趣，使計算思維成為一種常識。作為提升學生信息素養的中小學信息技術課程，也應該承擔起計算思維教育的重任。

[1]Wing J M. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM,2006(3):33-35.

[2]袁開榜.二十一世紀，人們應該具有計算思維能力[J].計算機教育,2011(10):30-33.

[3]牟琴,譚良.計算思維的研究及進展[J].計算機科學,2011(3):10-15.

[4]郝寧汀.從“萬物皆數”到“萬物皆算法”[J].科學技術與辯證法,2002(2):14-17.

[5]董榮勝.計算教育哲學初探[J].計算機科學,2000(1):93-97.

[6]董榮勝.計算思維與計算機導論[J].計算機科學,2009(4):50-52.

[7]王吉慶.信息技術課程論[M].保定:河北大學出版社,2004:67.

[8]王榮良.信息技術課程中算法學習的價值探索[J].中國電化教育,2008(8):79-81.