計算思維的培養:高中信息技術課程的新選擇*

肖廣德 高丹陽

（河北大學 教育學院，河北保定 071002）

計算思維的培養:高中信息技術課程的新選擇*

肖廣德 高丹陽

（河北大學 教育學院，河北保定 071002）

計算思維是信息社會學生解析問題的一種普適的基本能力。信息社會發展對人才的需求以及高中信息技術課程自身的發展，提出了培養學生計算思維的新需求。在高中信息技術課中培養學生的計算思維，可提高學生利用信息技術解決問題的能力層次，可確立信息技術課程的核心價值與核心內容，可使信息技術課從實用性教育轉變為基礎性教育。

計算思維；信息技術課程；高中

引言

信息技術（Information and Communication Technologies，ICT）課程是一門順應信息社會發展需求而實施的課程，在促進學生掌握信息技術的基本知識和基本操作、加快信息技術應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，《普通高中技術課程標準》（內含信息技術課程標準）所確立的信息技術課程價值與課程內容，在課標實施十年之后已經明顯落后于時代發展的步伐。信息技術課程需要確立怎樣的課程目標，使其既能有效促進學生知識與能力的發展，又能滿足信息社會快速發展的需求，還能促進信息技術課程自身的建設與發展，成為了目前需要深思的一個重要問題。

一 計算思維的概念與特征

1 計算思維的概念

2006年3月，曾任美國卡內基?梅隆大學計算機科學系主任的周以真（Jeannette M. Wing）[1]在美國計算機權威刊物Communications of the ACM上發表Computational Thinking一文，認為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。

上述定義從思維的視角闡述了計算機科學在問題解決過程中的作用與價值。在尋求問題解決方案以及實現各種問題求解系統的過程中，甚至包括對人類行為的理解，應用計算機科學的基本概念與原理將成為信息時代人們解決問題的一種思維模式或思維習慣。在科學研究領域，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（以觀察和歸納包括人類社會活動在內的自然規律為特征）、實驗思維（以推理和演繹為特征）并列的三大科學思維方式之一[2]。

2 計算思維的操作定義

計算思維的提出給人們帶來了審視計算機科學的新視角，也使人們看到了其中所蘊含的思想與方法，在美國和歐洲引起了極大關注，成為計算機教育和信息技術教育的重要研究課題。然而，周以真對計算思維的闡釋脫離不開她的學科背景，在如何從學科教育與課程建設的角度來認識計算思維以方便信息技術教師的實踐方面尚存不足。國際教育技術協會（ISTE）、美國計算機科學教師協會（CSTA）[3]與來自高等教育、產業界和中小學教育的專家發展了關于計算思維的操作定義，認為計算思維是一種問題解決的過程，包括（但不限于）以下幾點:

（1）按照能夠方便使用計算機和相關工具解決問題的方式表述問題；

（2）按邏輯組織和分析數據；

（3）利用抽象的方法表示數據，例如模型和模擬；

（4）通過算法的思想（一系列有序的步驟）生成自動化的解決方案；

（5）通過識別、分析和實施各種可能的解決方案，以實現最有效的步驟與資源的組合；

（6）概括該問題的解決過程，并遷移到其它相關問題中。

可以看出，計算思維的操作定義在表述上更為明晰、直觀和具體，更利于信息技術教師的理解。該定義明確了從形式化問題到實現解決方案的過程，包括問題表征、數據分析、數據抽象、形成自動化的解決方案、分析試用各種解決方案、擴大解決方案應用范圍的一系列有序步驟。在該過程中，強調問題的表征與處理應適應計算機的運行機制，但并不強調每一步都有計算機的應用，其基本理念是形成適宜計算機處理的問題解決思路，亦可建立模型或模擬解決方案。而且，這是一個具有普適性的問題解決過程，對問題來源沒有任何領域限制，人類生產、生活中任何需要大量計算處理的問題都屬于計算思維的適用范圍。

3 計算思維的特征

（1）計算思維代表著一類普適的技能，每一個人，而不僅僅是計算機科學家，都應學習并應用這種思維所涵蓋的問題解決模式與方法。在培養學生的問題解析能力時，我們應當使每個學生不僅掌握閱讀、寫作和算術，還要學會計算思維[4]。

（2）計算思維倡導概念化和抽象化地應用計算機科學進行問題解決，而不是單純的計算機編程，它要求像計算機科學家一樣進行思維，其內涵遠比計算機編程更廣泛且深刻。

（3）計算思維是人（而不是計算機）求解問題的一種途徑和取向，特別是對于需要大量計算的問題，人們在提出問題解決方案時，應該在思維與方法上充分利用計算機的強大計算能力。

（4）計算思維綜合了人類進行問題解決的多種思維。周以真[5]認為計算思維是數學思維與工程思維的互補與融合，計算機科學在本質上源自數學思維，它的形式化基礎建構于數學之上；計算機科學又從本質上源自工程思維，因為我們建造的是能夠與實際世界互動的系統。Irene Lee等[6]認為計算思維框架中涵蓋了多種其他類型思維的元素，具體包括算法思維、數學思維、設計思維、工程思維和程序思維的相關要素。

（5）計算思維體現為人解決問題的思想，而不是人造物。雖然隨處可見的軟件和硬件制品在時刻影響著人們的生活，但對人們來講，用于求解問題、管理日常生活、與他人交流和互動的計算思維更為重要，軟件和硬件制品是其表現形式[7]。

（6）計算思維無處不在。信息技術將逐步融入社會生產與生活的方方面面，計算思維是一種信息化的問題解決能力，與信息社會的發展需求相適應，將會融入人類活動的各個環節之中。

二 培養計算思維的價值

計算思維的明確提出，為苦苦尋覓改革思路的高中信息技術課程打開了一扇希望之門，對于學生的培養和信息技術課程自身的發展能形成有效的突破。

1 可提高學生利用信息技術解決問題的能力層次

利用信息技術解決問題的能力從低到高有三個層次:初級層次是簡單應用，即利用簡單的工具解決一些簡單的問題；中級層次是綜合應用，即熟練使用各種工具與方法的組合，解決相對復雜的問題；高級層次是創造應用，即創造出新的工具和新的方法以有效解決相關的問題。目前，高中信息技術課對學生利用信息技術解決問題能力的培養，還游走于“能選擇合適信息技術”、“能采用適當的工具和方式”、“能熟練運用信息技術”的中低層次，學生不能深入理解其中的思想與方法，不具備應用信息技術進行創新解決問題的能力。

計算思維從原理和方法層面思考問題的解決方案，已經成功應用于生物、天文、腦科學、數學、化學、地理、經濟及社會科學等領域，如將蛋白質動力學建模為計算過程、對地球內核及表層進行計算機模擬、設計電子商務中各種自動化機制等。具有計算思維的創造者、設計師和開發人員，可在技術工具和系統開發方面取得重大進展，做出跨越式的創新，如人類基因組的解碼、翻譯古代語言、利用天氣系統來跟蹤危險天氣并為人們提供警告等[8]。

在問題解決的過程中，學生不僅僅是技術工具的使用者，還應該是新的問題解決思路的提出者、是新型問題解決方案的設計者、是新型技術工具的開發者。計算思維的培養可有效提高學生利用信息技術解決問題的能力層次，使更多的學生成為未來信息技術的創新者。

2 可確立信息技術課程的核心價值與核心內容

近年來，以技術操作為主要內容的高中信息技術課受到了各方面越來越多的質疑，其中最大的問題在于未能像數學、物理、化學等學科一樣確定較為穩固的核心價值與核心內容。信息技術課程不能隨著信息技術及其應用工具的變化而失去“自我”，擁有一個相對穩定的課程內涵和核心價值是任何一門年輕課程應有的追求[9]。

計算思維具有一套獨特的收集數據、分析數據、抽象事物、構建模型、形成解決方案的思維框架，有效拓展了人類認知世界和解決問題的能力及范圍，具有鮮明的不可替代性。自圖靈的計算理論提出以來，科學家們已經研究了眾多應用信息技術解決問題的概念、方法與原理，形成了具有豐富知識內容且行之有效的分析問題與解決問題的典型手段與途徑，這些內容具有經典性與穩定性。信息技術課程可從中選擇出恰當的內容體系，并以適宜高中學生認知水平的表現形式，構建出信息技術課程的核心內容，進而造就信息技術課程的核心價值，形成像數學、物理、化學等課程那樣不可替代的課程地位。

3 可使信息技術課程從實用性教育轉變為基礎性教育

在現有的信息技術課學習中，學生通常能利用一些常用的工具軟件做一些簡單的事情，學生的角色主要是信息技術的消費者，信息技術課的價值體現為一種實用性教育。隨著信息技術的發展，學生從小就能接觸到很多信息技術設備，他們從同學、父母與親朋等處就可獲得信息技術日常操作的能力，踐行實用性教育的信息技術課程價值已經越來越小。

利用計算思維思考問題的解決方案具有普適的價值。圖靈獎獲得者Karp[10]認為自然問題和社會問題內部蘊含豐富的屬于計算的演化規律，通過恰當的方式表達出來，使之成為能夠利用計算機處理的形式，這就是基于計算思維概念的解決自然問題和社會問題的基本原理和方法論。計算思維不僅是計算機專業人員應該具備的能力，而且也是所有受教育者應該具備的能力[11]，與使學生掌握數學、物理、化學的知識與能力一樣重要。周以真[12]倡導了類似的觀點:一個人可以主修計算機科學，然后從事任何行業，例如醫學、法律、商業、政治，以及任何類型的科學和工程，甚至藝術工作。通過信息技術課培養學生的計算思維，實現一種思維模式的養成和訓練，這是一種基礎性教育。

三 培養計算思維的需求與條件

當前，在高中階段的信息技術課程中培養學生的計算思維，提升學生應用信息技術解決問題的能力，既有堅實而廣泛的社會需求，也是信息技術課程進一步發展的趨勢，所需要的條件已基本成熟。

1 快速發展的信息社會強烈需要培養學生的計算思維

國家統計局信息化發展指數（Ⅱ）指標體系[13]的監測結果顯示:2000年中國信息化發展總指數僅為0.494。此時，實施信息技術課程的目的之一在于推動信息技術應用的普及。而當前的社會信息化水平已大幅提升，據2013年工業和信息化部印發的《信息化發展規劃》，可知到2015年，我國信息化發展指數將達到 0.79。社會信息化水平的提升，需要大量懂原理、能創新的高端信息科技人才，也需要大量懂知識、能應用的信息技術應用人才，還需要每一個國民具有基本的信息技術知識與技能，能將信息技術應用于日常的生產、生活和學習之中。

根據社會的需求，信息技術的課程目標呈現出多樣化的傾向，從基本知識與基本能力的培養到面向專業人才的培養，都將成為信息技術課程的目標。從基礎教育階段的特點來看，培養學生的基本知識與基本能力將主要是小學和初中的任務；高中作為與高等教育相銜接的學段，培養學生掌握信息技術的基本原理與方法，以及創造性地應用信息技術解決問題的能力，是社會發展對高中信息技術課程提出的新任務，而培養學生的計算思維恰好滿足了這一需求。

2 高中信息技術課程自身發展需要培養學生的計算思維

縱觀2003年信息技術課程標準確立的課程內容，不難發現信息技術課程是以技術的類別為標準來構建內容框架，每個模塊的課程內容主要代表著該類技術的軟件操作。這為信息技術課程的自身發展帶來了三個隱患:一是將信息技術的課程價值局限在軟件操作層面，使學生雖然認識到了信息技術的工具特性，但不能理解信息技術的科學特性；二是課程內容需跟隨軟件的升級而頻繁更新，不利于信息技術課發展成為一門穩定的課程；三是課程不同內容模塊之間的技術鴻溝，使學生無法對信息技術形成全面的認識。

高中學生若能獲得技術背后的思想、方法，將更有利于提升他們利用信息技術解決問題的能力，也更有利于他們的長遠發展，這是信息技術課程自身發展的內在需求，鐘柏昌等[14]也認為信息技術課程內容組織三層架構中最高的一層是技術思想。培養學生的計算思維恰是實現這一需求的最佳途徑，可使信息技術課程突破原來以技術類別設置的課程內容框架。

3 培養學生計算思維的條件已經基本成熟

在信息技術課程發展的趨勢上，計算思維已被納入美國CSTA K-12標準（2011修訂版）中，英國2013年的新課程計劃、澳大利亞2015年正在制定的新課程方案都將計算思維作為其新信息技術課程的重要內容。在國內，不僅信息技術課程教學理論研究者在強烈呼吁高中信息技術課的教學應超越技術操作，而且處于教學一線的大多數信息技術教師與教研員也表達了類似的觀點與愿望[15]。計算思維理論已經成為信息技術課程變革的理論支點[16]，培養學生的計算思維已經成為世界各國基礎教育階段信息技術課程發展的趨勢之一。

在環境建設上，自2004年《普通高中技術課程標準》實施以來，各地學校想方設法加大了信息技術環境的建設力度，為信息技術課程的實施創造條件。根據教育部2013年新春新聞發布會發布的數據，我國高中100%開設了信息技術課程，且信息技術課的實施環境得以持續改善。

在師資上，高中信息技術課教師的規模和專業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課專任教師3.8萬人。2012年教育部普通高中信息技術課程標準實施情況調查結果顯示，絕大多數高中信息技術課教師具有相關的專業背景，大學所學專業為計算機、教育技術和數學的比例達到了90.9%。

在適宜課堂上學生使用的開源軟硬件上，各種資源與產品日漸豐富，甚至有的是專門為提升學校信息技術課程教學而開發。在硬件方面有樹莓派、Swift Board等，軟件方面有Scratch、Python等適合學生易學易用的編程工具和語言。這些軟硬件產品的特點是使用者不必關注各種技術細節，而是集中精力進行問題解決方案的分析、設計與邏輯驗證，為實現計算思維的培養奠定了良好基礎。

四 培養計算思維的注意事項

在我國高中信息技術課程中培養學生的計算思維，還有如下事項需要引起信息技術教育工作者與研究者的注意:

其一，ISTE與CSTA所倡導的計算思維培養模式具有跨學科的特點，這與計算思維面向問題解決的本質緊密相關。無論在哪個學科，著眼于培養突出的計算思維能力都將成為創新人才不可或缺的素質。跨學科培養學生的計算思維，無疑對學生的發展將有更多的好處。但就我國基礎教育的特點與師資隊伍的水平來講，推行跨學科的計算思維培養模式似乎還為時尚早。

其二，計算思維的培養不等同于程序設計教學。正如周以真[17]強調的計算思維特征之一是概念化，而不是程序化，這意味計算思維關注于問題解決方案的形成過程。培養學生像計算機科學家那樣去思考問題，是計算思維培養的宗旨。

其三，自從周以真的文章被翻譯成中文以來，國內的許多大學計算機教育專家都在積極關注并大力倡導培養大學生的計算思維，九校聯盟（C9）正積極推進以計算思維能力培養為核心的大學計算機基礎教學課程改革[18]。但是，他們所強調的計算思維培養的內容具有較強的計算機專業特征，并不適用于高中階段的學生，高中學生的計算思維培養與大學計算機基礎教育的計算思維培養應該屬于不同的層次。

五 小結

計算思維如同閱讀、寫作和算術一樣，是信息社會學生解析問題的一種普適的基本能力。培養學生的計算思維，有助于學生養成以信息技術的視角思考問題解決方案的思維模式。在高中信息技術課程中培養學生的計算思維，是信息技術課程改革的一條嶄新思路，有利于信息技術課程形成穩固的核心價值，確立以信息技術解決問題的概念、方法與原理為主的穩定的課程內容，真正擺脫軟件操作的局限。隨著社會信息化程度的提高，計算思維將滲透到各種應用信息技術的問題解決方案之中，培養學生的計算思維對促進信息社會的發展將產生深遠的影響。

[1]Jeannette M W. Computational thinking[J]. Communications of ACM, 2006,(3):33-35.

[2]朱亞宗.論計算思維——計算思維的科學定位、基本原理及創新路徑[J].計算機科學,2009,(4):53-55、93.

[3]CSTA, ISTE. Operational definition of computational thinking for K-12 education[OL].

〈http://csta.acm.org/Curriculum/sub/CompThinking.html.〉

[4][5][7][12][17]周以真著.王飛躍,徐韻文譯.計算思維[J].中國計算機學會通訊,2007,(11):77-79.

[6]Irene Lee, Santa Fe Institute. Fostering computational thinking in middle and high school[OL].

〈http://csta.acm.org/ProfessionalDevelopment/sub/CSIT10Presentations/Lee.pdf.〉

[8]CSTA, ISTE. Computational thinking leadership toolkit[OL].

〈http://csta.acm.org/Curriculum/sub/CompThinking.html.〉

[9]李藝,鐘柏昌.基礎教育信息技術課程標準:起點、內容與實施[J].中國電化教育,2012,(10):23-27.

[10]Karp R M. Understanding science through the computational lens[J]. Journal of Computer Science and Technology, 2011,2(4)569-577.

[11]李曉明,蔣宗禮,王志英,等.積極研究和推進計算思維能力的培養[J].計算機教育,2012,(5):1.

[13]國家統計局統計科學研究所“信息化統計評價”研究組.2012年中國信息化發展指數(Ⅱ)研究報告[OL].

〈http://www.stats.gov.cn/tjshujia/dysj/t20121227_402862650.htm.〉

[14]鐘柏昌,李藝.信息技術課程內容組織的三層架構[J].電化教育研究,2012,(5):17-21、35.

[15]肖廣德,郭芳,樊磊,等.《普通高中信息技術課程標準》實施情況調研結果與啟示[J].課程·教材·教法,2014,(1):50-55.

[16]牛杰,劉向永.從ICT到Computing:英國信息技術課程變革解析及啟示[J].電化教育研究,2013,(12):108-113.

[18]董榮勝.《九校聯盟(C9)計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》呼喚教育的轉型[J].中國大學教學,2010,(10):14-15.

Cultivating Computational Thinking: New Choice of ICT in High School

XIAO Guang-de GAO Dan-yang
(School of Education, Hebei University, Baoding, Hebei, China 071002)

Computational thinking is a universally basic capability for students to resolve problems in the information society. The demand of human talent in information society and the own development of ICT course in high school need to cultivate students’ computational thinking. If the cultivation of computational thinking is regarded as curriculum objective of information technology in high school, it can improve the level of students’ ability of using information technology to solve problems, establish core values and core content of the information technology course, and change information technology course from practical education to basic education.

computational thinking; ICT curriculum; high school

G40-057

A【論文編號】1009—8097（2015）07—0038—06【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2015.07.006

編輯:小米

本文為教育部人文社會科學研究青年基金項目“新形勢下中小學信息技術課程發展取向研究”（項目編號：13YJC880082）的研究成果。

肖廣德，講師，碩士，研究方向為信息技術教育和數字化學習技術與環境，郵箱為xiaoguangde@163.com。

2014年11月1日