職業教育中學生計算思維能力的培養方案探析

□張兆芹 陳守芳 賈維辰 楊 烜

職業教育中學生計算思維能力的培養方案探析

□張兆芹 陳守芳 賈維辰 楊 烜

計算思維能力培養方案是學生計算思維能力培養的總體設計方案，是職業學校學生計算能力培養工作的藍圖和總體規劃。論文根據職業教育中學生計算思維能力的echo認知模型，從中提煉總結了職業學校學生必須具備的問題約簡能力、抽象推理能力、規律發現能力、問題優化能力、方案評價能力、并行處理能力、系統保護意識七個方面的計算思維能力要求，然后編制了針對職業學校學生進行的問卷調查，根據職業教育學生計算思維能力調查的結果分析，提出了職業教育學生計算思維能力的具體培養方案，并針對職業教育構建起一整套適應當前中國職業教育發展和學生發展的計算思維能力培養體系。

職業教育；計算思維能力；培養方案；評價體系

一、背景及現狀

我們在梳理職業教育中計算思維能力的文獻后發現，在職業教育領域中，還沒有計算思維能力相關培訓課程的構建和培養方案的相關文獻研究。為了有針對性地構建職業教育領域計算思維能力的課程體系、培養方案和評價標準，將計算思維劃分為認知意識、方法、能力三個維度并進行具體分析后，結合對已有文獻中有關計算思維學習模型的認識，從以信息加工觀點研究計算思維過程提出計算思維echo認知模型。在計算思維echo認知模型指導下我們在廣東省職業教育領域中開展了計算思維能力的問卷調查研究。調查的結果反映如下：

（一）職業學校學生計算思維認識現狀

作為計算思維的重要載體和基礎，學生對計算機基礎知識點的掌握情況決定了其對計算思維的認識。在計算機基礎知識方面，職業學校學生對計算機硬件知識的掌握要優于軟件。在硬件方面主要存在對計算機硬件構成了解不夠的問題；在軟件方面學生主要在計算機數據表示、軟件運行機制方面比較薄弱。職業教育學生對計算思維的認識態度是開放的，他們聽說過計算思維，能夠列舉一些計算思維的方法，在實際的生活和學習中運用過一些簡單的計算思維解決問題，他們大多認為計算思維是一種重要的思想方式。但學生同樣表示學校對計算思維的相關訓練欠缺，希望能夠通過培養計算思維能力改善現在的學習狀況，并期望通過計算思維的訓練，幫助解決其從業過程中遇到的問題。該部分調查一方面反映了目前計算思維在職業教育中受學生歡迎、認可度較強；另一方面，也在一定程度上反應出職業教育對計算思維培養的欠缺，同時這也讓我們意識到職業學校學生的計算思維能力培養刻不容緩。

（二）職業學校學生計算思維能力現狀

在對七類職業教育中學生計算思維能力情況進行調查總結后，我們發現職業學校學生存在一個共性問題：學生對復雜的、抽象的或邏輯性較強的問題以及解決方案的解讀、判斷、決策普遍失誤率較高。這說明我們的職業教育在對學生計算思維能力的培養方面存在欠缺，同時職業學校在教學中缺乏對真實情境的構建。

綜合以上兩個方面，我們發現目前在職業教育中，學生對于計算思維已經有一定程度認識，同時計算思維的一些思維方式也正在逐步影響職業教育，但是職業教育對于計算思維的培養仍處于滯后。針對這種情況，我們認為有必要提出建立職業學校學生計算思維能力培養方案，通過構建職業學校學生計算思維能力評價標準和評價體系，從根本上提高職業學校學生計算思維能力。

（三）培養方案的制定思路

根據以往文獻對計算思維能力的解讀進行文本梳理，運用文獻計量法和聚類分析的方法對計算思維文獻作了熱點分析，從而提出職業學校學生計算思維echo認知模型，即E（Explain）：學習者通過計算思維方法對問題進行解讀；C（Cognize）：學習者接收到環境中的問題后能主動、有意識的運用計算思維方法考慮；H（Handle）：學習者根據之前對問題的解讀以及選擇的相應計算思維方法對問題進行處理；O（Option）：學習者選擇合適的計算思維方法。在模型的指導下設計了問卷的三個維度并制定相應的調查問卷，根據問卷中關于職業教育學生計算思維的現狀結果分析，提出職業學校學生計算思維培養目標，分級分層培育、階梯性評價，以及制定相應培訓方法和評價標準如初級、中級、高級。在標準內容方面可涉及關于計算思維培育的相關課程和針對性的案例來提高學生計算思維能力。具體思路如圖1所示。

圖1 制定計算思維培養方案思路

二、職業學校學生計算思維能力培養方案

（一）職業學校學生計算思維能力培養目標

職業教育中學生計算思維能力培養目標具體內涵為：①加強學生對計算機基礎知識點的掌握，尤其是計算機軟件方面的知識，培養計算機硬軟件都熟練掌握的復合型人才；②熟悉計算思維解決問題的各種方法，能在不同問題情境中選擇最合適的方法處理解決問題；③對比“中專”和“大專”兩個學段分階層對學生的計算思維能力進行培養，使各個學段的人才在各自將來的崗位上，能結合所具備的計算思維能力解決實際問題。

（二）職業學校學生計算思維能力培訓方法

依托職業學校計算機課程群，構建職業學校學生計算思維能力培養方案。在職業學校中，計算機基礎課程群一般由 “計算機應用基礎”、“程序設計”、“計算機網絡”、“網頁設計”等若干課程組成，同時配備一些計算機相關實操課程如 “家具CAD”、“美術造型”、“平面設計”等。我們認為在培養方案的構建中需要將計算思維的七大能力與職業學校計算機課程群相結合，采用任務導向的方式培養學生計算思維能力。

教師可設定某個任務，如將貨品如何碼放在一個有限空間，根據企業用人標準和職業規范，對任務目標進行解讀，并通過小規模問題進行案例演示和示范，進行步驟設計和規劃，接著進行行動演練，最后對任務結果進行評價。在教學過程中，學生以小組為單位，由老師指引設計基于工作過程的典型任務項目，根據不同階段的不同任務，分別對任務規劃、執行力、調整、完成等階段進行評價，評價方式可以通過教師評價、小組互評、隊員自評的方式，客觀檢測實際的任務完成效果。在整個教學過程中，對任務完成過程可以進行多次回顧，對細節進行討論和優化，發揮出任務導向培養方式的最大能動效應，培養職教學生對問題進行抽象，以及通過多種方法解決問題的計算思維能力。

在教學內容的設計方面，通過“計算機應用基礎”課題，完成對計算科學、計算思維、研究方向、主要特征以及計算機基礎知識的介紹和講解任務，讓學生初步構建起對計算思維的認知，同時培養學生的規律發現能力和系統保護意識；在“程序設計”、“網頁設計”以及計算機相關實操課程的教學設計中，采用任務導向方式，讓學生在完成一個個小的項目過程中學到知識，通過項目培養學生的效率提高能力、問題描述能力、方案評價能力、問題優化能力和問題約簡能力。在案例課程中可以效仿“師徒制”的方法，將當前的各種職業進行抱團分類，類似職業放在一起做一個完整的模塊，各項菜單選項都設計好放在實操平臺上，將這個崗位的一系列操作方法運用思維導圖事先編好放在網絡課程教學中，職校學生在進行本門課程的學習時就可以參照思維導圖的提示來實現各崗位的具體操作技能的學習。

三、職業學校學生計算思維能力評價體系

（一）職業學校學生計算思維能力評價的標準

在構建職業學校學生計算思維能力培養方案的同時，我們還需要建立與培養方案相配套的計算思維能力評價體系，將計算思維的每一個能力點進行量化。實踐中對各類人才職業能力評價的方法很多，大致分為筆試、專家面試、群眾測評、心理測試、情境模擬測試、仿真系統測評、人工智能專家測評系統、真實工作場所現場評價及其它。針對職業學校學生計算思維能力的評價應充分考慮所選評價手段的時效性、可行性及可操作性，在決定采用某種評價手段時應考慮該方法的信度、效度及實施的難易程度。因職業學校設置的專業繁多，不同專業對應的職業崗位活動對學生職業能力的要求存在差異，若采用統一的評價方法將不能有效地考查學生的職業能力。

針對當前各職業學校對學生職業能力評價采用游戲過關與真實情景任務測試的評價形式。根據之前對廣東省職業學校學生計算思維能力情況的調研，我們認為職業學校學生計算思維能力評價應在真實或模擬真實的情境中進行。將不同的計算思維能力以游戲形式展現，學習者通過不同難度的過關訓練，逐步提交某項計算思維能力的提升。在游戲的過程中，將各個能力評價指標融入真實的游戲情境中以實際任務來評價學生對計算思維能力各項指標的掌握情況；同時，也可進一步進行真實情景下的任務設置，通過任務測試的結果評價學生獲取信息、處理信息、分析與解決問題、技術創新等方面的能力。多種評價方法的綜合運用可以最大化的發揮各評價方法的優點，減少單一評價方法存在的不足。

每個指標包含低段（理解）、中段（掌握）、高段（熟練運用）三個等級。低段（理解）等級為最低等，要求學生對相應能力指標的基本定義有最低程度的了解，在培訓方面主要以講授為主；中段（掌握）等級，要求學生能夠在模擬情境中完成相應的推理、判斷、決策，在培訓方面主要以模擬仿真項目練習為主；高段（熟練運用）等級為最高等，要求學生能夠在實際的項目操作和日常生活中完成相應的推理、判斷、決策。

指標體系包括問題描述能力、問題約簡能力、規律發現能力、問題優化能力、效率提高能力、方案評價能力和系統保護意識。評價的根本目的在于促進發展。因此，職業學校計算思維能力評價要突出對職業學校學生的形成性評價。對計算思維能力的形成性評價，即對問題約簡能力、抽象推理能力、規律發現能力、問題優化能力、方案評價能力、并行處理能力、系統保護意識七個方面的形成性評價。評價主體多元化，強調學生自評和互評以及教師對學生的激勵性評價的綜合運用。評價標準的建立應基于學生的認知過程，從意識緯度、方法緯度和能力緯度三方面進行構建。

意識維度是進行計算思維認知的先決條件，學生要想通過計算思維認知和處理信息應該要有一定的計算機科學的基本知識，要主動、有意識的使用計算思維、了解計算原理。方法維度是學生在有了關于計算思維的相關認識后，如何選擇合適的方法成了問題的關鍵之所在。我們根據周義真教授對計算思維的定義將計算思維的方法如規約、嵌入、轉化、仿真、遞歸、并行、抽象、分解、保護、冗余、容錯、糾錯、系統恢復、啟發式、規劃、學習、調度、折中、優化等，從職業教育中方法能力的角度，對這些概念進行分類，將其大致分為七種方法能力，如表1所示，方法能力由易到難的排序為：問題約簡，問題優化，效率提高，方案評價，系統保護，規律發現，問題描述。

表1 計算思維方法能力分類

下面，我們逐一論述這些概念在行業能力培訓中的應用。

問題約簡：指的是如何將問題化簡、轉化、分解成一個子問題集合，這些子問題的解可以直接求解，從而解決了原始問題。通過問題約簡可以把問題的實例變得更容易求解，這種“變”包括把問題變成同樣問題的一個更簡單或更方便的實例，或是將問題變成同樣實例的不同表現，或是變成另一個問題的實例，這種問題的解是已知的。例如在倉儲行業中，為了提高查找物品的速度，需要將物品分類按序存放，在排序好的物品中查找是非常高效的。這種分類按序存放物品的思想，就是將查找問題轉化為排序問題和在排序后的結果中快速查找的問題。又例如，假設我們要把某個房間里的所有家具都搬出去。這個問題可被分解為一個較小問題的集合，其中每個子問題只包括把一件家具移出該房間。每一個家具的搬移問題是已經解決的，但是多個家具之間存在的依賴關系，會使整個搬家具問題變得復雜。例如，茶幾在沙發前面，在搬動沙發之前要先把茶幾搬走，小的家具要先搬走，大家具最后搬動。要解決這種復雜問題可解，問題約簡能力就是這樣一種方法，能夠允許我們應用我們已經研究過的技術對每個子問題分別求解，然后考慮這些子問題間可能出現的互相依賴關系，并對它們加以適當處理[1]。

問題優化：問題優化指的是在目前已有的條件下，如何以最小的代價求解問題。在實際問題的解決過程中，問題優化無時無刻不存在，在各個行業的具體實踐中，我們都要經常遇到各種各樣的優化問題。例如在現代倉儲物流業中，電子商務每天產生大量物流，對物流配送業務提出了更高的要求，這類業務除了倉儲、代發貨、物流配送，還包括了配送跟蹤、終端消費者退貨投訴處理等業務。其中高效的配送方案、低成本的配送選擇等都是倉儲物流業需要解決的優化問題。問題優化還指通過方法得到要求問題的更優解。常用的方法包括啟發式、規劃、折中、優化等。啟發式指人在解決問題時所采取的一種根據經驗規則進行發現的方法。其特點是在解決問題時，利用過去的經驗，選擇已經行之有效的方法，而不是系統地、以確定的步驟去尋求答案；規劃是針對問題的目標，制定的比較全面長遠的實施計劃，是對系統整體性、長期性、基本性問題的思考和考量，設計系統整套行動的方案；折中是在多個因素影響問題求解時，可以犧牲某些指標的性能，以提高另一些指標的性能。

規律發現：主要指學習能力，即通過閱讀、聽講、研究、觀察、實踐等獲得知識或技能的過程，是一種使個體可以得到持續變化（知識和技能，方法與過程，情感與價值的改善和升華）的行為方式。目前，職教學習者的崗位的遷移能力和不同崗位的適應能力及可持續發展的職業能力都相對較弱[2]，有必要強調學習能力在職業教育培養的眾多能力中的重要作用，規律發現能力的培養是使學生運用所學的知識在崗位中發揮作用的重要手段。

方案評價：方案評價能力的表現是仿真能力，即利用模型復現實際系統中發生的本質過程，并通過對系統模型的實驗來研究存在的或設計中的系統。計算機仿真技術在職教教育中主要為輔助教學與訓練和輔助生產與運行的模擬，在仿真的過程中，可以對能力訓練的情況進行自動跟蹤、記錄和評判。例如在汽車駕駛培訓中，學生通常在一個虛擬駕駛室里，就可以掌握足夠的駕駛技能。

效率提高：并行方法及任務調度是提高解決問題效率的有效手段。并行是指多個任務同時實行或實施，而在并行的過程中，調度是需要考慮的一個問題，即在資源有限的情況下，當要同時執行的多個任務都要使用這些資源時，必須按照一定的原則選擇任務來占用資源。例如，生產線上多個工序的流水作業，就是提高效率的并行方法。

系統保護：在完成任務的過程中，要考慮系統的安全性和可靠性。其中容錯、糾錯、系統恢復是常用的手段，冗余是通過重復配置系統的一些部件，當系統發生故障時，冗余配置的部件介入并承擔故障部件的工作，由此減少系統的故障時間；容錯是指容忍故障，當故障一旦發生時能夠自動檢測出來并使系統能夠自動恢復正常運行；糾錯是指當系統發生錯誤時，能自動對錯誤進行修正；系統恢復是在不需要重新操作，也不會破壞現有數據的前提下使系統回到正常工作狀態。例如，企業生產中的備用電源、原材料庫存、產品庫存都是一種系統保護的思想。又例如在電梯維修行業，機械安全保護系統包括制動器、超速保護裝置、限速器和安全鉗、緩沖器、極限開關、起超速保護、沖頂和撞底保護、轎廂位置異常保護等作用，這些都是容錯、糾錯、系統恢復思想在行業中的應用。

表2 計算思維能力評價指標

問題描述：問題描述的主要手段是進行問題抽象，即把一個問題或模型，以不同規則或方法所得出的不同的解，這些不同的解可以組合并還原成問題或模型的本身。抽象的意義是可以忽略求解過程中不是必需的解。問題描述是一種高級能力，該能力可以幫助從業者集中在關注的主要問題上，降低問題的細枝末節對主要問題的影響。例如，在生產調度崗位，完整的生成調度包含多個生產環節，每個生產環節又包含許多生產細節，調度問題首先要提煉出主要的生產環節，明確這些環節之間的協作關系、連續關系，對調度問題進行整體的描述。這個過程中如果過多考慮生產細節，就會影響對整體問題的綜合考慮。

計算思維評價的另一個維度就是能力維度，能力維度作為個體解決問題的一種能力，要在一定的情景中對問題進行識別和分析。評價標準中涉及的計算思維能力包括理論能力和計算活動技能兩種，理論能力中的主要計算活動有形式化、推理、證明和結果分析，計算活動技能又包括計算操作技能和計算心智技能。

（二）職業學校學生計算思維能力評價標準具體內容

根據以上分析，我們提出職業學校學生計算思維能力評價標準的初步建議（見表2）。我們建議將計算思維劃分為意識緯度、方法緯度、能力維度，其中方法緯度包含規律發現等七大能力17個指標，較好地涵蓋和整合了職業學校學生日常生活和學習時所需要具備的計算思維能力，能夠為行業計算思維能力標準的建立提供參考。

四、小結

計算思維能力的培養方案是學生計算思維能力培養的重要組成部分，本文根據職業院校學生認知特點，從意識層面、方法層面、能力層面構建計算思維echo認知模型，在該模型的指導下設計問卷并對廣東省職業院校的學生進行了調查。通過對調查結果的分析發現，職業院校的學生對計算思維的認識態度是開放的，但普遍反映在平時的學習中很少有對這一思維能力的專門培養；在調查結果分析中還顯示，職校學生在問題優化和問題約簡等計算思維能力方面的訓練欠缺。因此制定針對不同學段的職業院校學生的計算思維能力培養方案顯得尤為重要。本文根據職業學校學生計算思維能力培養的三個目標，通過職業學校計算機課程群構建和教學內容的設計方面的培訓方法，構建職業學校學生計算思維能力評價標準及闡述其具體內容，以期為培養學生的計算思維能力提供理論指導。

[1]http://netclass.csu.edu.cn/jpkc2003/rengongzhineng/rengongzhineng/kejian/AI/Ai/chapter6/61_1.htm.

[2]張黎寧.職業教育要教給學生持續發展的學習能力[N].中國教育報，2009-10-23（04）.

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[5]李賢政.國家示范性高等職業院校建設基礎實證分析與對策研究[J].職業技術教育，2008（25）：21-25.

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[8]白坤海.基于“人才培養全過程課程化”設計人才培養方案的探索[J].職教論壇，2010（27）：51-54.

[9]李賢政.高職院校人才培養方案核心要素的思考與分析[J].中國高教研究，2010（2）：77-78.

張兆芹（1963-），女，安徽蚌埠人，深圳大學教授，博士，研究方向為教育管理，職成教育管理，教師教育；陳守芳(1990-)，女，安徽宣城人，深圳大學師范學院在讀研究生，研究方向為成人教育學；賈維辰（1989-），河南鄭州人，深圳市教育科學研究院研究生，研究方向為教育技術學；楊烜（1969-），女，陜西西安人，深圳大學計算機學院教授，博士后，研究方向為計算思維能力培養。

科技部科技支撐計劃項目課題“計算思維能力培養及職教技能評測關鍵技術研究”（編號：2014BAH28F05），主持人：楊烜。

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1001－7518（2016）03-0014-06

責任編輯 殷新紅