中小學(xué)生計算思維培育的路徑與策略

費海明

計算思維作為信息技術(shù)領(lǐng)域“生發(fā)”的思維方式，目前已經(jīng)成為中小學(xué)信息技術(shù)課程的核心素養(yǎng)培育的重要板塊。隨著人工智能社會的演進，培育擁有計算思維的人才顯得更為重要與迫切。但計算思維是一個比較抽象的概念，源自于大學(xué)教授的計算思維如何落地中小學(xué)信息技術(shù)教育，是值得思考與探索的問題。計算思維可以如何分解，它的重要板塊有哪些，人工智能時代的新元素如何照進課堂成為課程資源，又有哪些方法策略在課堂中推進計算思維的培育？這一系列思考構(gòu)成了本文寫作的目的。除“程序設(shè)計”外，本文想涉獵更為廣泛的技術(shù)課堂來談計算思維教育的實施，探討中小學(xué)生計算思維培育的路徑與策略。

可操作——計算思維落地于中小學(xué)課程的定位

在計算思維的視角下，任何學(xué)科的問題求解都是一個“計算”過程，計算的本質(zhì)是抽象與自動化。對于計算思維的概念定義，周以真教授以外延式的形式給出：約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、并行、預(yù)防、保護、恢復(fù)、冗余、容錯、調(diào)度等。顯然，周以真教授對計算思維的分解是基于大學(xué)信息技術(shù)學(xué)科專業(yè)背景的，有其面向開發(fā)級的特點。對于中小學(xué)生來說，計算思維的分解則需更多地指向生活應(yīng)用級，這樣會更接地氣，更具可操作性。從南華大學(xué)黃玲玲《計算思維特征探析》一文對計算思維特征的分析中，筆者受到啟發(fā)，我們可以從計算機對人的思維影響視角，去分解中小學(xué)生計算思維應(yīng)具備的內(nèi)容。

整個計算機是一個由硬件和軟件組成的統(tǒng)一體，而硬件又按馮諾依曼體系自成一體，軟件又由操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件完美融合，系統(tǒng)設(shè)計思想無處不在，因此，系統(tǒng)化是計算機的一個顯著特征，系統(tǒng)思維是計算思維的重要組成；計算機對現(xiàn)實問題的求解，都需要轉(zhuǎn)換成二進制——即數(shù)字化，因此，數(shù)字化思維是計算機環(huán)境下問題求解的基本思維方式；數(shù)字化的處理依賴于特定的算法，不同思維方式形成不同的算法，不同的算法對問題求解的效率不同，因此，算法思維當屬計算思維的又一分支；而今的計算機不再是一座孤島，而是通過互聯(lián)網(wǎng)廣泛聯(lián)結(jié)，計算機借助不斷進化的算法和幾何級增量的大數(shù)據(jù)，以用戶為中心，能自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)，變得越來越智能化，教育、出行、投資、營銷、支付等行業(yè)被創(chuàng)新重塑，因此，影響著世界的互聯(lián)網(wǎng)思維是計算思維的重要組成，其背后是智能化思維的體現(xiàn)。這樣一來，計算思維可以分解為系統(tǒng)思維、數(shù)字化思維、互聯(lián)網(wǎng)思維、算法思維和智能化思維。

圖1 計算思維的分解

分解了計算思維，我們就可以結(jié)合中小學(xué)信息技術(shù)課程內(nèi)容安排，將計算思維落地，融入至更為具體的技術(shù)實踐活動。將中小學(xué)生的計算思維培育劃分為小學(xué)階段與初中階段，按照由易至難、由簡入深、螺旋上升的原則進行布局。

圖2 中小學(xué)計算思維培育的實踐載體

小學(xué)階段的計算思維培育以技術(shù)的初級應(yīng)用為主，輔以少量程序設(shè)計和機器人項目。初中階段的計算思維培育以軟硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析、圖像處理、動畫制作和程序設(shè)計為主，其中程序設(shè)計涉及了初級算法，較之小學(xué)，更系統(tǒng)、更理性。

適切性——計算思維培育的課程資源開發(fā)取向

圖3 計算思維課程資源的挖掘方法與設(shè)計原則

在分解計算思維的基礎(chǔ)上，我們可以將計算思維與中小學(xué)信息技術(shù)課程內(nèi)容有機融合，結(jié)合技術(shù)發(fā)展的時代元素和學(xué)生的學(xué)齡特點，開發(fā)出有著“計算思維味”的課程資源，課程資源有著基礎(chǔ)性、模板性和范例性的特點，它能為教師的教與學(xué)生的學(xué)提供雙邊支持，從而為計算思維的落地提供了肥沃的土壤。

在挖掘方面，可以把握以下三個維度。其一，從數(shù)字化生活處挖掘。將鮮活而真實的生活與計算思維習(xí)得相聯(lián)結(jié)，如 “微信掃碼騎摩拜單車”“遠程控制智能家居”“旅游出行攜程伴侶”“遠程醫(yī)診方便民眾”等。其二，從學(xué)生內(nèi)心向往處挖掘，如從Scratch游戲設(shè)計、開源硬件動手制作等入手，讓學(xué)生在“玩”中體驗算法思維、智能化思維，又如“讓學(xué)生解決電腦‘變卡”問題中培育系統(tǒng)思維。其三，從IT新技術(shù)處挖掘，如波士頓公司的“仿生機器人”、百度小秘的圖像識別、騰訊的“絕藝”人工智能圍棋等不斷刷新學(xué)生的技術(shù)視界，成為計算思維探討的“高大上”資源庫。

在設(shè)計方面，可以遵循以下四大原則：線上線下貫通、虛擬現(xiàn)實融合、時尚經(jīng)典并存、技術(shù)思維同行。通過對“原生”計算思維資源的“加工處理”，使課程資源充滿“設(shè)計感”，讓課程資源彰顯魅力。

模型化——計算思維培育的教學(xué)策略集構(gòu)建

圖4 “計算思維”培育的策略方法集

計算思維的培育需要適切的資源和行之有效的實踐性活動，這離不開教學(xué)策略與教學(xué)方法的創(chuàng)新與應(yīng)用。在行動研究中，我們基于項目任務(wù)，以“是什么”“如何用”“為何用”“何以能”為主線，關(guān)注技術(shù)與思維的同行，構(gòu)建計算思維內(nèi)化的活動“模型”，提煉出“原型感知式”“技術(shù)實驗式”“作品逆推式”“算法構(gòu)建式”和“造物創(chuàng)新式”五大教學(xué)方法，培育和發(fā)展學(xué)生的計算思維。

1. 原型感知式

原型感知式是指通過典型的感性材料讓學(xué)生建立起原型所映射的計算思維概念的一種教學(xué)方法。教師深入理解計算思維的概念后，將概念在其頭腦中具象化，并尋求或設(shè)計與概念相匹配的“原型”讓學(xué)生感知體驗，通過感知后的意義討論，可以促使學(xué)生的計算思維基本概念建立和思維的生發(fā)。

圖5 “原型感知式”助力學(xué)生初識計算思維概念

原型感知的方式常見的有“典型圖示法”“微視頻法”“任務(wù)體驗法”等。不同的原型感知方法，有著不同的感知優(yōu)勢，適合不同的計算思維培育。

不同種類的原型感知的教學(xué)適用度

計算思維方法 典型圖示法 微視頻法 任務(wù)體驗法

系統(tǒng)化思維 ▲ ▲ ▲

數(shù)字化思維 ▲ ▲

互聯(lián)網(wǎng)思維 ▲ ▲

算法思維 ▲ ▲ ▲

智能化思維 ▲ ▲

“典型圖示法”的優(yōu)勢是快捷高效，由于互聯(lián)網(wǎng)有著海量的圖片資源，因此尋求原型方面不存在著搜索“壓力”，而且可以通過若干典型圖的呈示，較全面地覆蓋概念的外延，從而減少概念內(nèi)涵不完全歸納的缺陷。“微視頻法”的優(yōu)勢在于能聚焦主題，讓學(xué)生感受到個體本身無法觀察到的技術(shù)微觀與宏觀現(xiàn)象，還能超越時空界限，彌補人體感官的不足。endprint

“任務(wù)體驗法”的優(yōu)勢在于能讓學(xué)生親身沉浸在技術(shù)環(huán)境中，基于動手實踐，通過自身的感官獲得原型的感知。

2. 技術(shù)實驗式

技術(shù)實驗式是指通過提供實驗環(huán)境、研究材料，通過設(shè)備搭建、軟件操作、程序設(shè)計等試驗性、嘗試性技術(shù)活動，培育學(xué)生計算思維的一種教學(xué)方法。技術(shù)實驗活動中，實驗結(jié)果往往與學(xué)生在實驗前的預(yù)估、猜測、假設(shè)產(chǎn)生強烈對比，讓學(xué)生產(chǎn)生強烈的認知沖突，學(xué)生不得不修正頭腦原圖式去迎接新概念，以獲得實驗現(xiàn)象與理論解析的一致性，在此過程中會發(fā)展學(xué)生的計算思維能力。

圖6 “技術(shù)實驗式”助力思維的深化

例如，要讓學(xué)生了解壓縮軟件的工作原理和價值意義，教師可以和學(xué)生一起開展一次壓縮實驗。在壓縮實驗中，學(xué)生一致發(fā)現(xiàn)：位圖文件壓縮率非常大，但JPG圖片和MP3文件壓縮效果微乎其微；DOCX文檔可以被壓縮，但壓縮效果不理想；最為驚奇的是，較小的文本文件壓縮后，文件反而變大了！

“壓縮文件比原文件小了，壓縮軟件又是如何做到的呢？”“文件反而變大了，說明了什么？”通過一步步的好奇之問，讓學(xué)生愉悅地探究壓縮編碼的秘密，滲透數(shù)字化思維。

3. 作品逆推式

作品逆推式就是對已經(jīng)完成的技術(shù)作品（成品）進行“逆向思維”的一種計算思維培育方法。“作品逆推式”通過藝術(shù)性成品的呈現(xiàn)，讓學(xué)生對創(chuàng)作產(chǎn)生向往感，激發(fā)學(xué)生應(yīng)用計算思維技術(shù)解構(gòu)，分析作品“打磨”過程中需要采用的技術(shù)和思想，通過逆向推導(dǎo)，形成問題解決的流程與方法，最終通過鞏固原計算思維，發(fā)展新計算思維。

圖7 “作品逆推式”產(chǎn)生“溫故而知新“的效應(yīng)

例如，在教學(xué)“美妙的海洋世界”一課時，在課堂導(dǎo)入伊始出示已經(jīng)完成的作品，在學(xué)生贊嘆于海洋世界的絢麗多姿時，適時激發(fā)學(xué)生逆向思考一個問題：“老師的美術(shù)功底很差，但是卻能把一條普通的魚做成了一幅這么美麗的圖畫，你來猜一猜，這是如何做到的？”

圖8“遇見好朋友”作品的逆推分析

學(xué)生通過原始素材與最終作品的對比，會調(diào)用原本的數(shù)字化處理思維思考問題解決的方案：“要用到復(fù)制”“不同的大小是通過縮放實現(xiàn)的”“還有翻轉(zhuǎn)”“用圓形畫水中的氣泡”……接著，教師進一步引導(dǎo)學(xué)生歸納數(shù)字化處理的完整方案。

4. 算法構(gòu)建式

算法構(gòu)建式是讓學(xué)生對任務(wù)實踐中的技術(shù)進行抽象，從個別到一般構(gòu)建算法、再從一般到個別檢驗算法，在此過程中培育計算思維的一種教學(xué)方法。“算法構(gòu)建式”教學(xué)方法應(yīng)注重循序漸進，使學(xué)生從實例到算法雛形，再從算法雛形向算法初級模型演化，最終 “回到實例”，檢驗算法的“適用性”，計算思維得以自然構(gòu)建。

圖9“算法構(gòu)建式”通過逐步抽象使模型不斷演進

例如，在教學(xué)循環(huán)的自主建模時，十進制轉(zhuǎn)二進制是一個比較經(jīng)典的例子。可以讓學(xué)生用短除法體驗整個求解的過程，然后讓學(xué)生觀察短除法的算式并提問：哪些部分是一直重復(fù)做的？重復(fù)做時，什么在變，什么沒有變？當什么時候“重復(fù)做事”停止了？最終我們要輸出的是“誰”？

圖10 進制轉(zhuǎn)換循環(huán)體的抽象與建模

在探討關(guān)鍵點后，可以讓學(xué)生用變量a、變量b、數(shù)組r分別標識被除數(shù)、除數(shù)和動態(tài)更新的r數(shù)組，并讓學(xué)生寫出循環(huán)中止的條件和重復(fù)做的事件（循環(huán)體）。這樣，學(xué)生在紙上就可以描繪朦朧的算法模型，在此基礎(chǔ)上，無論是用C++、python、VB等程序語言來“表達”，都會水到渠成。

最后，再從一般至特殊。通過例舉特殊樣例，考驗選排算法模型的“何以能”，使學(xué)生深刻領(lǐng)會了循環(huán)體令計算機自動化“推進”的機理，從而提高了算法的自主建模能力，使學(xué)生形成了“循環(huán)求解”方面的計算思維。當然本題還可以在理解循環(huán)的基礎(chǔ)上，可以讓學(xué)生嘗試遞歸求解，培育學(xué)生“遞歸求解”方面的計算思維。

5. 造物創(chuàng)新式

造物創(chuàng)新式是指通過創(chuàng)客類的創(chuàng)作活動，讓學(xué)生在創(chuàng)新的驅(qū)動下，靈活應(yīng)用計算思維，創(chuàng)造性地運用計算思維實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)明的一種教學(xué)方法。我們鼓勵學(xué)生從生活暢想出發(fā)，確定自身的創(chuàng)作主題，在后面過程中讓學(xué)生擁有Ardunio等基本技能，通過展示講演的舞臺，讓學(xué)生深度思考“為何創(chuàng)”和“何以能”，最終讓學(xué)生在與伙伴的分享學(xué)習(xí)中，將創(chuàng)新落地，將想象物變成現(xiàn)實。“造物創(chuàng)新式”給予學(xué)生最大的思維調(diào)用度，加之拓展視野的引導(dǎo)，可以提高學(xué)生靈活應(yīng)用、創(chuàng)新造物的計算思維水平。

圖11 創(chuàng)造驅(qū)動讓學(xué)生的計算思維火花迸發(fā)

例如，學(xué)生在接觸了幾天傳感器后，根據(jù)生活經(jīng)驗，設(shè)想了一種“智能水杯”——能檢測溫度和水量并給用戶溫馨提示。指導(dǎo)教師了解這個孩子的創(chuàng)意后，首先肯定了這個很有生活味的創(chuàng)意，然后讓學(xué)生看微信跑步圈和逗人的小冰、度秘機器人，引導(dǎo)學(xué)生是否能通過互聯(lián)網(wǎng)、智能化來改進創(chuàng)意，使得創(chuàng)客作品更具人性化。

圖12“親情水杯”智造體驗

培育計算思維并不是讓學(xué)生像機器運作一樣訓(xùn)練自己的思維，而是要讓學(xué)生像科學(xué)家或?qū)＜乙粯有纬捎糜嬎銠C求解問題的特有的思維習(xí)慣與思維方式。在這人工智能極速演進的時代，擁有計算思維的人往往能更好地洞察高度信息化的社會，更從容地勝任未來的學(xué)習(xí)與工作。讓技術(shù)與思維同行，讓學(xué)生與時代共鳴，在“可計算”的基礎(chǔ)上，關(guān)注思維過程與結(jié)果的創(chuàng)造性，是中小學(xué)生計算思維培育的不懈追求。endprint