基于計(jì)算思維的高中信息技術(shù)選修課程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

邵紅祥

浙江省于2012年提出《浙江省深化普通高中課程改革方案》，課改的主要內(nèi)容之一就是減必修、增選修，拓展學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，大力鼓勵(lì)教師開(kāi)發(fā)選修課程。但在選修課程開(kāi)發(fā)的實(shí)踐過(guò)程中，信息技術(shù)工具論觀點(diǎn)占據(jù)了信息技術(shù)課程理論的高地，導(dǎo)致信息技術(shù)課程越來(lái)越趨向于應(yīng)用化和工具化，將如何操作信息技術(shù)工具作為信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)的核心。而計(jì)算思維的提出給目前的信息技術(shù)課程改革帶來(lái)了一絲曙光，為改變目前信息技術(shù)課程只注重功利性應(yīng)用的目標(biāo)而忽略長(zhǎng)久思維能力培養(yǎng)的狀況，提供了很好的視角。

● 基于計(jì)算思維的課程目標(biāo)確定

根據(jù)泰勒課程理論，在開(kāi)發(fā)選修課程之前，首先要明確課程目標(biāo)。縱觀國(guó)內(nèi)外信息技術(shù)課程的發(fā)展歷程，都大體經(jīng)歷了“面向?qū)W科知識(shí)”“面向?qū)W科工具”和“面向?qū)W科思維”的課程開(kāi)發(fā)取向，每種開(kāi)發(fā)取向也表現(xiàn)出不同的課程特征（如圖1）。

在充滿新奇、變幻乃至復(fù)雜的信息環(huán)境中，中小學(xué)信息技術(shù)課程不應(yīng)只局限于信息知識(shí)的掌握和信息技能的操作，甚至不應(yīng)停留在解決生活問(wèn)題上，而是要幫助學(xué)生用信息技術(shù)學(xué)科思維方式理解信息世界，正確認(rèn)識(shí)技術(shù)、個(gè)人和社會(huì)的內(nèi)在關(guān)系，發(fā)揮信息技術(shù)的積極因素。面向?qū)W生思維發(fā)展的信息技術(shù)課程擺脫了“純技術(shù)”教育的狹隘觀念，從社會(huì)生態(tài)學(xué)的視角來(lái)理解信息環(huán)境中各要素的關(guān)系，讓學(xué)生在“學(xué)技術(shù)”“用技術(shù)”的基礎(chǔ)上，應(yīng)用學(xué)科思維解決信息生活中的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的相關(guān)研究，信息技術(shù)學(xué)科思維的具體落實(shí)就是計(jì)算思維的培養(yǎng)。

計(jì)算思維的概念最早是由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的周以真教授提出的，她認(rèn)為計(jì)算思維是人們運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想與方法進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)。它與數(shù)學(xué)思維、物理思維一樣，屬于對(duì)象思維。計(jì)算思維常常用抽象與分解的方法來(lái)處理復(fù)雜的問(wèn)題或系統(tǒng)，對(duì)問(wèn)題合適的表達(dá)或?yàn)閱?wèn)題建模都是為了使問(wèn)題變得更容易解決。它不是只圍繞計(jì)算機(jī)編程，也不是專(zhuān)屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家的基本技能，而是建立在實(shí)踐、工程與抽象等多個(gè)層次上的思考的方式方法。在計(jì)算機(jī)科學(xué)迅速發(fā)展和普及的今天，它已成為人類(lèi)的基本思維方式。周以真教授指出：“計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)家。我們?cè)谂囵B(yǎng)每個(gè)孩子的解析能力時(shí)，應(yīng)當(dāng)使其不僅掌握閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)（Reading Writing and Arithmetic——3R），還要學(xué)會(huì)計(jì)算思維。” 王榮良教授如是說(shuō)：“學(xué)會(huì)像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考（計(jì)算思維）有可能成為信息技術(shù)課程的目標(biāo)之一。”

將計(jì)算思維作為信息技術(shù)課程的核心培養(yǎng)目標(biāo)，即把學(xué)習(xí)信息技術(shù)看成跟學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)或英語(yǔ)一樣，實(shí)現(xiàn)“基礎(chǔ)的回歸”。例如，在明確“算法與程序設(shè)計(jì)”選修課程的課程目標(biāo)時(shí)，計(jì)算思維提出：在一定程度上解決了“算法與程序設(shè)計(jì)”的學(xué)習(xí)價(jià)值不只是培養(yǎng)程序員，就像數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)不僅是培養(yǎng)會(huì)計(jì)一樣。通過(guò)算法和程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以體驗(yàn)解決問(wèn)題的過(guò)程，規(guī)范設(shè)計(jì)與工程要求，以及人與計(jì)算機(jī)共存的思維特征。計(jì)算思維為程序設(shè)計(jì)教學(xué)提供了理論支持以及教學(xué)目標(biāo)指向——為培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維而進(jìn)行程序設(shè)計(jì)教學(xué)。

● 基于計(jì)算思維的課程內(nèi)容選取

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的迅速發(fā)展，大批操作簡(jiǎn)單、使用方便的人性化信息技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)入大眾的日常生活，信息技術(shù)已超出了技藝的概念水平，不能簡(jiǎn)單地看作是與信息相關(guān)的機(jī)器、設(shè)備等這些物的東西。在信息社會(huì)，信息已成為一種資源，信息技術(shù)是對(duì)信息資源利用的知識(shí)體系，其目的就是滿足人們利用信息資源實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決。將信息技術(shù)定義為一種技術(shù)知識(shí)，突破了傳統(tǒng)信息技術(shù)是人的信息器官延伸的技術(shù)藩籬，在這種認(rèn)識(shí)下，以問(wèn)題解決為目的，依據(jù)信息活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)建立知識(shí)體系，揭示技術(shù)、人與社會(huì)的關(guān)系成為信息技術(shù)課程的主要內(nèi)容。

計(jì)算思維最本質(zhì)的內(nèi)容是抽象與自動(dòng)化，而這兩個(gè)內(nèi)容恰好反映了計(jì)算的根本問(wèn)題，即什么能被有效地自動(dòng)進(jìn)行。為了培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，最為關(guān)鍵的是要抓住這兩個(gè)核心內(nèi)容。例如，計(jì)算思維是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)困難的問(wèn)題闡釋成如何求解它的思維方法；計(jì)算思維把一個(gè)復(fù)雜的大而難的問(wèn)題分成很多部分同時(shí)處理，這就是并行處理；計(jì)算思維是一種遞歸思維，它把一個(gè)難以對(duì)付的問(wèn)題分成兩部分處理，如不能求解，再把每部分分成兩部分處理，這就是分而治之的思想；等等。這樣一來(lái)，教師在考慮“算法與程序設(shè)計(jì)”的課程內(nèi)容時(shí)，圍繞計(jì)算思維的培養(yǎng)，優(yōu)選“算法與程序設(shè)計(jì)”的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中貫穿閱讀判斷、分析思考、工具利用、抽象表達(dá)、綜合創(chuàng)造等多項(xiàng)技能，有效實(shí)現(xiàn)由單純的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的學(xué)習(xí)向計(jì)算思維能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。

● 基于計(jì)算思維的課程活動(dòng)設(shè)計(jì)

計(jì)算思維是建立在實(shí)踐、工程與抽象等多個(gè)層次上思考的方式方法， 是一個(gè)明確問(wèn)題和制定解決方案的思維過(guò)程，此解決方案可以表示為能夠被信息處理代理有效執(zhí)行的形式。為此，結(jié)合杜威活動(dòng)課程觀，教師應(yīng)該在課程活動(dòng)中設(shè)計(jì)問(wèn)題，讓學(xué)生去探究以前從來(lái)沒(méi)有接觸過(guò)的問(wèn)題而使他們的思維到達(dá)一個(gè)新的境界，使其在解決了這個(gè)問(wèn)題之后，不僅獲得有關(guān)該問(wèn)題的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)，而且還獲得思維的策略。教師對(duì)課程活動(dòng)的設(shè)計(jì)需要考慮如下幾個(gè)要素：第一，學(xué)生要有一個(gè)真實(shí)的經(jīng)驗(yàn)情境，要有一個(gè)有趣的連續(xù)的活動(dòng)；第二，在這個(gè)情境內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題，作為思維的刺激物；第三，學(xué)生要占有知識(shí)資料，從事必要的觀察，并解決這個(gè)問(wèn)題；第四，學(xué)生必須一步步展開(kāi)他所想出的解決問(wèn)題的方法；第五，學(xué)生要有機(jī)會(huì)通過(guò)應(yīng)用來(lái)檢驗(yàn)自身的想法，使這些想法意義明確，并去檢驗(yàn)是否有效。

心理學(xué)家認(rèn)為，每一個(gè)問(wèn)題都是由三部分構(gòu)成的，即起點(diǎn)（問(wèn)題情境的描述）、終點(diǎn)（問(wèn)題解決后要達(dá)到的目標(biāo)）和改變起點(diǎn)狀態(tài)使之向目標(biāo)轉(zhuǎn)化的手段（問(wèn)題解決的方法或策略）。因此，在設(shè)計(jì)“算法與程序設(shè)計(jì)”課程活動(dòng)時(shí)，教師可采用項(xiàng)目式活動(dòng)形式（如左表）。

在項(xiàng)目解決過(guò)程中，教師要盡可能讓學(xué)生體驗(yàn)問(wèn)題解決的全過(guò)程，即如圖2所示的利用算法與程序設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的過(guò)程，從而培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用算法求解策略和高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序來(lái)解決問(wèn)題的能力。

為此，在信息技術(shù)選修課程的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不僅在課程目標(biāo)上要實(shí)現(xiàn)從掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)和技能到計(jì)算思維培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，而且課程形態(tài)、課程內(nèi)容、活動(dòng)模式、評(píng)價(jià)方式等方面都要圍繞計(jì)算思維進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)。正如周以真教授提出的：能夠?qū)⒁粋€(gè)問(wèn)題清晰、抽象地描述出來(lái)，并將問(wèn)題的解決方案表示為一個(gè)信息處理的流程。