計(jì)算思維能力發(fā)展模型與教學(xué)程序研究*

龔 靜 侯長林 張新婷

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計(jì)算思維能力發(fā)展模型與教學(xué)程序研究*

龔 靜 侯長林[通訊作者]張新婷

（銅仁學(xué)院 梵凈教育研究院，貴州銅仁 554300）

提升學(xué)習(xí)者計(jì)算思維能力成為計(jì)算機(jī)教學(xué)的核心目標(biāo)之一。計(jì)算思維教學(xué)經(jīng)歷了從“知識(shí)傳遞”、“工具操作”的后端“潛學(xué)”至“思維培養(yǎng)”的前端“顯學(xué)”的發(fā)展過程。然而，實(shí)踐環(huán)節(jié)中還存在“怎么教”和“如何學(xué)”的困惑。文章基于思維視域研究計(jì)算思維訓(xùn)練，認(rèn)為計(jì)算思維訓(xùn)練不是簡單的知識(shí)學(xué)習(xí)和技能練習(xí)，而是發(fā)展學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)、超越知識(shí)與技能的思維教學(xué)，并從知識(shí)、認(rèn)知結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)方式維度構(gòu)建思維能力發(fā)展模型；以應(yīng)用“技術(shù)工具”和“思維工具”作為思維技能訓(xùn)練有形技術(shù)和無形技術(shù)的載體，設(shè)計(jì)思維教學(xué)程序，提升學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維能力。

計(jì)算思維；思維教學(xué)；思維能力發(fā)展模型；思維教學(xué)程序

一理論探究：思維視域下的計(jì)算思維

1 透視思維

思維有著豐富的內(nèi)涵。《詞源》說：思維就是思索與思考。杜威認(rèn)為思維是基于以往的經(jīng)驗(yàn)和事先學(xué)到的知識(shí)，進(jìn)行自發(fā)聯(lián)想、思索更多的觀念或見解的思想過程和思想活動(dòng)[1]。魯賓斯坦從心理學(xué)角度描述了思維是分析、綜合、抽象、概括的心理過程[2]。認(rèn)知科學(xué)從信息加工角度，模擬人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行思維過程，即輸入、編碼、儲(chǔ)存、加工、輸出。

思維看不見、摸不著，人到底如何思維？思維是人能動(dòng)反映客觀世界的一種符號(hào)性能力和大腦加工、改造客觀世界的心理認(rèn)知過程，其哲學(xué)本質(zhì)是認(rèn)識(shí)世界和改造世界的方法與觀點(diǎn)。人在思維時(shí)，來自客觀世界的信息輸入，激活人在頭腦里不斷查找、提取、加工、重組、構(gòu)建、輸出，直到發(fā)現(xiàn)或構(gòu)建一種完美問題求解的結(jié)構(gòu)。人的思維系統(tǒng)是一個(gè)自學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在對(duì)舊表象和舊知識(shí)持續(xù)探索、積極反思、重新組織乃至創(chuàng)造新知的認(rèn)知過程中，持續(xù)累積經(jīng)驗(yàn)、發(fā)展和完善思維系統(tǒng)。由此可見，思維源于人的舊知，卻不限于舊知，以問題解決為目標(biāo)，主動(dòng)學(xué)習(xí)、整合、改造、重構(gòu)、反思乃至創(chuàng)造。

2 洞悉計(jì)算思維

2006年，周以真[3]將計(jì)算思維定義為運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類行為理解的思維活動(dòng)，其實(shí)質(zhì)是掌握和運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的方法進(jìn)行問題求解。計(jì)算機(jī)既是問題求解的物化工具，也是問題求解的思維工具。陳國良[4]構(gòu)建了以計(jì)算為核心，以抽象、自動(dòng)化、設(shè)計(jì)、通信、協(xié)作、記憶、評(píng)估為基本概念的計(jì)算思維表述體系。關(guān)注問題求解過程中計(jì)算機(jī)的能與不能，即可計(jì)算性；如何用最高效的方法自動(dòng)化求解，即自動(dòng)化與效率；如何處理復(fù)雜問題或設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)，即抽象、分解、算法設(shè)計(jì)等。

計(jì)算思維的價(jià)值不僅體現(xiàn)在“計(jì)算”技術(shù)和“思維”之中，而且存在于“計(jì)算機(jī)科學(xué)”與“思維科學(xué)”的深度融合。從認(rèn)知的角度看，計(jì)算思維和“問題求解”緊密地聯(lián)系在一起，解決問題的前提是能夠做出正確的判斷，對(duì)各種不同問題進(jìn)行辨別、對(duì)問題的性質(zhì)進(jìn)行判定、做出決策、制定解決方案等。運(yùn)用分析、概括、比較、分類、綜合等方法，對(duì)問題的各種表象進(jìn)行加工和重組，推斷或輸出新結(jié)論，是計(jì)算思維具有思維一般屬性的主要標(biāo)志。哲學(xué)社會(huì)觀認(rèn)為，“時(shí)代精神”是最精致和最珍貴的精髓[5]。思維是否有價(jià)值，在于能否成為某個(gè)時(shí)代人們思考問題、解決問題特有的原則和方法。計(jì)算思維提供了觀察世界的新視角和解決問題的新方法，已逐步滲透到不同的學(xué)科，拓展了問題求解的方法，并促進(jìn)其它學(xué)科在各自的領(lǐng)域創(chuàng)造性地進(jìn)行科學(xué)發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新。計(jì)算思維絕不僅是一種學(xué)科思維，它更是一種全新的認(rèn)知手段，其應(yīng)用的普適性與認(rèn)知的新視野，彰顯著大數(shù)據(jù)時(shí)代特有的精神。如果從數(shù)據(jù)的角度進(jìn)行思維，一切問題都變?yōu)閿?shù)據(jù)問題，數(shù)據(jù)讓機(jī)器變得更加智能，深度學(xué)習(xí)不僅挖掘因果關(guān)系、邏輯關(guān)系，還挖掘位置、時(shí)間、關(guān)系等關(guān)聯(lián)規(guī)則，技術(shù)變革提供了全新的問題理解模式和思維方式，進(jìn)而擴(kuò)展了能夠使用的知識(shí)、創(chuàng)造了解決問題的新方法。

二歷史演變：計(jì)算思維教學(xué)萌芽與發(fā)展

1 計(jì)算思維教學(xué)歷史溯源

如果要追溯計(jì)算思維教學(xué)的發(fā)源，心理學(xué)家、計(jì)算機(jī)教育家西摩·佩珀特和圖靈獎(jiǎng)得主艾茲格·迪科斯徹是當(dāng)之無愧的候選人。1968年，西摩·佩珀特[6]指出計(jì)算機(jī)可以形象表征認(rèn)知思維過程，兒童在計(jì)算機(jī)工具操作過程中觀察和思考，可以發(fā)展思維和學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。1972年，艾茲格·迪科斯徹提出了工具影響思維論，認(rèn)為工具影響思維方式、思維習(xí)慣，進(jìn)而影響思維能力[7]。研究表明，計(jì)算機(jī)技術(shù)催生并發(fā)展了人的智能思維。

事實(shí)上，計(jì)算思維教學(xué)一直以“附屬品”的形式隱藏于不同時(shí)期的計(jì)算機(jī)教育中。我國中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育始于20世紀(jì)80年代，以教授程序語言為主，試圖通過程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，在人腦建構(gòu)工作任務(wù)執(zhí)行流程的程序設(shè)計(jì)能力，以促進(jìn)思維發(fā)展，但大多僅停留在知識(shí)學(xué)習(xí)的層面。自2000年，信息技術(shù)教育替代了計(jì)算機(jī)教育，由此計(jì)算機(jī)技術(shù)既作為認(rèn)知工具，也作為學(xué)習(xí)內(nèi)容，促使學(xué)習(xí)者在工具學(xué)習(xí)與應(yīng)用過程中，發(fā)展應(yīng)用信息技術(shù)解決問題的能力。但是，實(shí)用主義至上的教學(xué)過多關(guān)注操作技術(shù)與基本知識(shí)，信息素養(yǎng)的培養(yǎng)僅停留在“工具”技術(shù)層面，計(jì)算思維教學(xué)淪陷于“后端”，計(jì)算機(jī)教育未能催生并發(fā)展人的智能思維。

2 計(jì)算思維教學(xué)的萌芽與發(fā)展

計(jì)算思維自提出以來，就引起了國際研究者的重大關(guān)注。美國國家科學(xué)基金會(huì)“重建多樣性（Rebuilding the Mosaic）”報(bào)告指出，21世紀(jì)的重大發(fā)現(xiàn)均涉及利用計(jì)算和計(jì)算機(jī)方面的思維進(jìn)行跨學(xué)科研究，將淪陷于“后端”的計(jì)算思維教學(xué)提置于“前端”，使計(jì)算思維迎來了絕好的機(jī)遇。在國際上，多個(gè)國家紛紛將計(jì)算思維的內(nèi)容列入信息技術(shù)課程。2011年，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（Computer Science Teachers Association，CSTA）發(fā)布K-12標(biāo)準(zhǔn)，即面向基礎(chǔ)教育，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、學(xué)習(xí)問題解決的新方法，以便成為計(jì)算機(jī)技術(shù)的使用者和創(chuàng)造者。2013年，英國公布Computer課程學(xué)習(xí)計(jì)劃，教學(xué)內(nèi)容從應(yīng)用取向回歸到專業(yè)取向，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的高階知識(shí)和技能。在我國，計(jì)算思維的教學(xué)與實(shí)踐也開始生根發(fā)芽，如2010年，我國“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”聲明：大學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)；2016年，我國高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)課題組界定信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)為信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任。

三模型構(gòu)建：搭建有效促進(jìn)計(jì)算思維發(fā)展的模型

在我國近40年的計(jì)算機(jī)教育史中，無論是基礎(chǔ)教育還是高等教育，計(jì)算機(jī)課程從來不是以簡單的“知識(shí)”或“工具”的面貌進(jìn)入課堂，教學(xué)目標(biāo)從知識(shí)到操作技能和技能應(yīng)用，再到計(jì)算思維培養(yǎng)，隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展而不斷變革。然而，“知識(shí)傳遞”與“工具操作”仍舊是計(jì)算機(jī)課程的“痼疾”，思維發(fā)展和培養(yǎng)幾乎成為計(jì)算機(jī)教學(xué)的“荒地”。計(jì)算思維教學(xué)到底教什么？怎么教？還需要進(jìn)一步地開展研究與實(shí)踐。

1 計(jì)算思維訓(xùn)練為超越知識(shí)和技能而教

傳統(tǒng)的教學(xué)認(rèn)為，在知識(shí)學(xué)習(xí)的過程中可潛移默化地培養(yǎng)和發(fā)展思維。著名的“工具影響思維論”認(rèn)為，在使用工具的過程中自然而然地學(xué)會(huì)了思維。但事實(shí)證明，盡管學(xué)習(xí)者掌握了多門程序設(shè)計(jì)語言、能夠熟練使用多種計(jì)算工具，計(jì)算思維能力卻并未得到明顯提升，仍難以應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐和創(chuàng)新。愛德華·德·波諾[8]認(rèn)為，思維技能如運(yùn)動(dòng)技能，可以通過不斷學(xué)習(xí)、反復(fù)訓(xùn)練而被逐漸掌握，計(jì)算思維技能提升也如此。

技能的形成與方法密切相關(guān)。方法指解決問題、執(zhí)行任務(wù)的行為，以及指導(dǎo)行為的知識(shí)。思維技能如運(yùn)動(dòng)技能，是可以在行為知識(shí)的學(xué)習(xí)和有意識(shí)的問題探索與實(shí)踐中，內(nèi)化為思維系統(tǒng)里的潛能。知識(shí)和技能是計(jì)算思維的基礎(chǔ)，那么，計(jì)算思維訓(xùn)練就是囤積知識(shí)和嫻熟的操作計(jì)算工具嗎？在大數(shù)據(jù)時(shí)代，知識(shí)和信息以幾何級(jí)數(shù)增長，人類掌握知識(shí)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能追上知識(shí)增長的速度。相比從數(shù)量上囤積知識(shí)，真正重要的是傳授給學(xué)習(xí)者有用的知識(shí)、引導(dǎo)學(xué)習(xí)者思考、發(fā)現(xiàn)問題、創(chuàng)造性地運(yùn)用知識(shí)解決問題以及探索發(fā)現(xiàn)新知識(shí)。唯有當(dāng)知識(shí)被用來解決實(shí)踐問題時(shí)，知識(shí)才能轉(zhuǎn)化為解決問題的方法，并因問題解決而得以發(fā)展和創(chuàng)新。活化知識(shí)、發(fā)展思維是思維教學(xué)的使命[9]，計(jì)算思維訓(xùn)練不是簡單的知識(shí)學(xué)習(xí)和技能練習(xí)，而是在獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、訓(xùn)練技能、實(shí)踐應(yīng)用的過程中，領(lǐng)悟、體驗(yàn)、內(nèi)化為自己的思維并培養(yǎng)智慧，計(jì)算思維訓(xùn)練應(yīng)超越知識(shí)學(xué)習(xí)、技能應(yīng)用并因創(chuàng)造性地解決問題而持續(xù)發(fā)展。

2 構(gòu)建計(jì)算思維能力發(fā)展模型

皮亞杰認(rèn)知發(fā)展理論指出，在學(xué)習(xí)過程中通過同化與順應(yīng)兩種方式，不斷積累知識(shí)并促進(jìn)已有的觀念、思維方式、知識(shí)組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的發(fā)展[10]。思維能力是內(nèi)在思考和認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)展的質(zhì)性產(chǎn)物，認(rèn)知結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度反映計(jì)算思維能力水平的高低。計(jì)算思維能力可通過問題求解效果進(jìn)行觀察，問題求解的一般過程可概括為“鑒別和分析問題、假設(shè)問題求解的方法、形式語言描述與建模、算法設(shè)計(jì)、測(cè)試與檢驗(yàn)、修訂與優(yōu)化”，表征為分類、分級(jí)、比較、分析、提問、假設(shè)、總結(jié)、解決、決策、創(chuàng)造等認(rèn)知活動(dòng)。根據(jù)布盧姆、安德森的認(rèn)知目標(biāo)分類，記憶、理解、應(yīng)用屬于低階認(rèn)知能力，分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造屬于高階認(rèn)知能力，除了記憶是對(duì)知識(shí)的簡單識(shí)記，其它五個(gè)維度均對(duì)知識(shí)進(jìn)行加工和重組。思維能力發(fā)展與認(rèn)知能力息息相關(guān)，高階思維能力可等價(jià)為高階認(rèn)知能力；高階思維發(fā)展依賴于低階思維，兩者并非簡單的替代與遞進(jìn)關(guān)系，而是融合與發(fā)展，其主要的特征是螺旋漸進(jìn)提升式發(fā)展。

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)的過程。學(xué)習(xí)者在知識(shí)學(xué)習(xí)過程中，充分投入到分析、提問、概括、總結(jié)、解決、決策、創(chuàng)造等探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)中，能有效促進(jìn)知識(shí)遷移、思維能力提升和認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)展。尤其是發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)，能夠有效促進(jìn)高階思維能力發(fā)展。在探究性學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)者主動(dòng)思考，感知問題、分析問題、研究問題、探索方案、評(píng)估反饋，激活人腦不斷查找、提取、加工、重組、構(gòu)建問題求解的模式，通過對(duì)新表象與舊表象、新知識(shí)與舊知識(shí)的接受、反應(yīng)、評(píng)價(jià)、組織、內(nèi)化，促進(jìn)思維能力的深度發(fā)展。

綜上所述，本研究從知識(shí)、認(rèn)知結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)方式三個(gè)維度，構(gòu)建了促進(jìn)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維能力發(fā)展模型，如圖1所示。該模型點(diǎn)、線、面融合，體現(xiàn)了思維能力發(fā)展的層次性、關(guān)聯(lián)性、交融性、動(dòng)態(tài)性等特征。用思維熱度表征思維能力水平，具體表現(xiàn)為思維的深刻程度、批判程度、靈活程度、敏捷程度、獨(dú)創(chuàng)程度等計(jì)算思維品質(zhì)[11]。陰影部分為計(jì)算思維能力漸近累積創(chuàng)造軟區(qū)域，知識(shí)、認(rèn)知結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)過程三個(gè)維度之間聯(lián)系緊密，縱深拓展越深入，思維熱度越高。學(xué)習(xí)者在思維訓(xùn)練的過程中，其每一次的認(rèn)知學(xué)習(xí)活動(dòng)都會(huì)不同程度地促進(jìn)思維技能的發(fā)展。隨著學(xué)習(xí)者的知識(shí)累積、認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)展、思維品質(zhì)訓(xùn)練的深入，從簡單認(rèn)知到復(fù)雜認(rèn)知、從被動(dòng)學(xué)習(xí)到主動(dòng)構(gòu)建、從事實(shí)性知識(shí)到元認(rèn)知知識(shí)，學(xué)習(xí)者思維能力水平漸進(jìn)提升，思維熱度漸進(jìn)累積，形成了漸進(jìn)累積創(chuàng)造軟區(qū)域，可視化描述了思維技能水平螺旋式漸進(jìn)提升的過程。

圖1 計(jì)算思維能力發(fā)展模型

四教學(xué)實(shí)踐：技術(shù)有效促進(jìn)思維發(fā)展的教學(xué)程序

如何有效訓(xùn)練計(jì)算思維？計(jì)算思維教學(xué)一直以后端“潛學(xué)”的方式隱藏于計(jì)算機(jī)教育中，縱使物化形態(tài)的信息技術(shù)作為導(dǎo)師、心智工具或?qū)W習(xí)對(duì)話支架在思維訓(xùn)練教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用[12]，但這些有形技術(shù)并未如預(yù)期的那樣帶來思維能力的本質(zhì)提升，其原因主要是思維訓(xùn)練中強(qiáng)化有形技術(shù)，忽視直接的思維訓(xùn)練技術(shù)（如概念圖工具、5W1H分析法等）的應(yīng)用與實(shí)踐。

1 經(jīng)典思維教學(xué)程序核心要素

經(jīng)過百余年的思維教學(xué)理論與實(shí)踐探索，作為思維教學(xué)載體的思維教學(xué)程序不斷演化，涌現(xiàn)出兒童哲學(xué)、認(rèn)知加速、激活兒童思維技能、工具豐富、柯爾特思維教程、思維導(dǎo)圖等經(jīng)典思維教學(xué)程序，作為思維訓(xùn)練核心載體廣泛應(yīng)用于思維訓(xùn)練活動(dòng)。這些經(jīng)典思維教學(xué)程序有合理的理論基礎(chǔ)，如“兒童哲學(xué)”基于哲學(xué)視野、“認(rèn)知加速”基于皮亞杰認(rèn)知發(fā)展階段論和維果斯基最近發(fā)展區(qū)理論、“工具豐富”基于認(rèn)知可塑理論和中介學(xué)習(xí)理論、“思維導(dǎo)圖”基于意義學(xué)習(xí)理論和編碼理論等；強(qiáng)調(diào)多樣的認(rèn)知沖突，以激發(fā)學(xué)習(xí)者內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)因、點(diǎn)燃思維系統(tǒng)工作的導(dǎo)火線，如“兒童哲學(xué)”基于蘇格拉底式對(duì)話，在故事中提供了豐富的認(rèn)知沖突；重視思維教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)，如“激活兒童思維技能”和“柯爾特思維教程”提供了豐富的教學(xué)情境；還顯性描述思維過程，通過清晰、直觀地模擬人腦，對(duì)各種信息做出獲得、編碼、貯存、提取和使用等一系列連續(xù)認(rèn)知加工過程，將內(nèi)隱而抽象的思維顯性描述，其中，“思維導(dǎo)圖”對(duì)思維過程的顯性化模擬最為直觀。經(jīng)典思維教學(xué)程序促進(jìn)了思維技能的遷移，可遷移的思維技能融入知識(shí)教學(xué)，進(jìn)而推動(dòng)教學(xué)成為超越知識(shí)、技能的充滿智慧的活動(dòng)。

2 計(jì)算思維教學(xué)程序設(shè)計(jì)

（1）計(jì)算思維教學(xué)程序

結(jié)合經(jīng)典思維教學(xué)程序，設(shè)計(jì)有效促進(jìn)計(jì)算思維生成的教學(xué)程序，要在教學(xué)每個(gè)階段有適合的教學(xué)理論支持，變“隱性”思維教學(xué)為“顯性”思維教學(xué)；要有明確的思維教學(xué)目標(biāo)，能夠明確告訴學(xué)習(xí)者正在學(xué)習(xí)的思維技能是什么；要遵循思維發(fā)展的規(guī)律，在“顯性”思維教學(xué)中，螺旋漸進(jìn)提升式發(fā)展思維；要充分考慮如何為學(xué)習(xí)者提供豐富的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)環(huán)境；要有全新的交流與協(xié)作方式，以及合適的檢索、存儲(chǔ)、加工信息的新手段和新方法，即創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)知沖突與教學(xué)情境；要為教師變革教學(xué)、提高教學(xué)效能提供支持，如構(gòu)造豐富的學(xué)習(xí)情境，提供智能化輔助學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)跟蹤與反饋、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等；要在知識(shí)學(xué)習(xí)與技術(shù)應(yīng)用的過程中，發(fā)展可遷移的思維技能，建構(gòu)從無意識(shí)思維到有意識(shí)思維直至無意識(shí)自動(dòng)思維的慣習(xí)。鑒于此，基于認(rèn)知發(fā)展、思維教學(xué)、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)等理論，本研究以應(yīng)用“技術(shù)工具”和“思維工具”作為思維技能訓(xùn)練有形技術(shù)和無形技術(shù)的載體，設(shè)計(jì)了技術(shù)促進(jìn)思維發(fā)展的計(jì)算思維教學(xué)程序，如圖2所示。

圖2 技術(shù)促進(jìn)思維發(fā)展的計(jì)算思維教學(xué)程序

（2）“技術(shù)工具”促進(jìn)思維發(fā)展

“技術(shù)工具”是有形的物化技術(shù)，為輸入、編碼、儲(chǔ)存等信息加工活動(dòng)提供了更豐富的知識(shí)材料、知識(shí)表現(xiàn)形式、知識(shí)加工的新方法，并為發(fā)展思維創(chuàng)造了新的物質(zhì)基礎(chǔ)。以傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)與智能技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)為代表的信息技術(shù)工具，作為變革傳統(tǒng)教學(xué)的催化劑，能否有效催化教學(xué)效果，完全取決于如何應(yīng)用技術(shù)并設(shè)計(jì)合理的教學(xué)活動(dòng)。基于信息技術(shù)的思維訓(xùn)練教學(xué)，其核心在于選擇合適的技術(shù)工具，發(fā)揮技術(shù)工具的價(jià)值，催化思維訓(xùn)練效果。

“技術(shù)工具”的應(yīng)用，有效促進(jìn)了學(xué)習(xí)者主動(dòng)建構(gòu)學(xué)習(xí)，而非被動(dòng)地接受知識(shí)。基于虛擬技術(shù)、可視化技術(shù)、多媒體技術(shù)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，促進(jìn)學(xué)習(xí)者產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)習(xí)者探究，啟發(fā)學(xué)習(xí)者創(chuàng)造，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者在探究過程中學(xué)習(xí)知識(shí)、重構(gòu)認(rèn)知、創(chuàng)造認(rèn)知，主動(dòng)建構(gòu)和優(yōu)化學(xué)習(xí)者的認(rèn)知識(shí)結(jié)構(gòu)或思維結(jié)構(gòu)。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)新的評(píng)價(jià)、反饋手段，通過充分利用學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為大數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)痕跡進(jìn)行深度挖掘和綜合分析，提供個(gè)性化學(xué)習(xí)決策支持。技術(shù)的應(yīng)用過程強(qiáng)調(diào)在真實(shí)的項(xiàng)目實(shí)踐中，幫助學(xué)習(xí)者領(lǐng)悟計(jì)算機(jī)學(xué)科問題求解的方法與思路，在問題解決中發(fā)展計(jì)算思維。所有的教學(xué)環(huán)節(jié)關(guān)注學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)和參與，學(xué)習(xí)者要在實(shí)踐與感知的過程中構(gòu)建知識(shí)與發(fā)展技能，而非進(jìn)行簡單的計(jì)算學(xué)科理論知識(shí)學(xué)習(xí)。將知識(shí)學(xué)習(xí)、知識(shí)理解、知識(shí)應(yīng)用、知識(shí)創(chuàng)造與思維技能發(fā)展融入運(yùn)用技術(shù)工具解決問題、完成項(xiàng)目的過程中，“技術(shù)工具”方可有效促進(jìn)思維發(fā)展。

（3）“思維工具”促進(jìn)思維發(fā)展

“思維工具”是無形的意識(shí)形態(tài)技術(shù)。在教學(xué)過程中，多數(shù)教師往往忽視這種無形的意識(shí)形態(tài)技術(shù)，很少教學(xué)習(xí)者如何思考、如何學(xué)習(xí)，也就導(dǎo)致思維技能往往成為知識(shí)教學(xué)的副產(chǎn)品。因此，教師有必要恰當(dāng)選擇思維工具，開展直接的思維訓(xùn)練，幫助學(xué)習(xí)者認(rèn)識(shí)思維、激發(fā)思考、構(gòu)建思維結(jié)構(gòu)與流程，并在反復(fù)的練習(xí)和強(qiáng)化過程中，逐步養(yǎng)成從無意識(shí)思維到有意識(shí)思維直至無意識(shí)自動(dòng)思維的慣習(xí)。

利用思維導(dǎo)圖、概念圖等“思維工具”，可以清晰而直觀地模擬人腦利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行思維的過程，在計(jì)算知識(shí)學(xué)習(xí)和知識(shí)理解的過程中幫助學(xué)習(xí)者認(rèn)識(shí)思維、激發(fā)思考。在教學(xué)實(shí)踐中，通過使用關(guān)鍵詞或關(guān)鍵想法作為思維原點(diǎn)，觸發(fā)學(xué)習(xí)者進(jìn)行放射性思考；同時(shí)，以衍生的子關(guān)鍵詞或子關(guān)鍵想法為節(jié)點(diǎn)，原點(diǎn)與成千上萬的節(jié)點(diǎn)連結(jié)，構(gòu)建立體的知識(shí)數(shù)據(jù)庫和知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而促進(jìn)對(duì)知識(shí)整理與加工的深度認(rèn)知，可視化模擬人腦內(nèi)部，查找、提取、加工、重組、構(gòu)建、輸出、創(chuàng)造認(rèn)知過程，支持學(xué)習(xí)者表征知識(shí)概念之間的關(guān)聯(lián)，促進(jìn)和激發(fā)學(xué)習(xí)者的思維實(shí)現(xiàn)從抽象到形象、從內(nèi)隱到外顯甚至從加工舊知到創(chuàng)造新知的轉(zhuǎn)變。

5W1H分析法、問題分析與解決七步法等“思維工具”的主要作用是指引思維過程與組織思維流程，與計(jì)算思維問題求解的一般步驟有機(jī)融合，促進(jìn)學(xué)習(xí)者在知識(shí)學(xué)習(xí)和技術(shù)應(yīng)用中構(gòu)建問題求解思維結(jié)構(gòu)，形成計(jì)算思維求解問題的思考流程。第一步是鑒別問題，即識(shí)別問題是否適合用計(jì)算學(xué)科方法解決；第二步是分析問題，即評(píng)估問題傳統(tǒng)的解決方法，去掉所有非計(jì)算學(xué)科問題；第三步為模塊化設(shè)計(jì)，即問題的分解與模塊化設(shè)計(jì)；第四步為抽象，即運(yùn)用計(jì)算學(xué)科語言描述問題；第五步為產(chǎn)品開發(fā)，即建模與算法設(shè)計(jì)；第六步為測(cè)試、檢驗(yàn)與優(yōu)化。

五結(jié)束語

計(jì)算思維教學(xué)經(jīng)歷了從“知識(shí)傳遞”、“工具操作”至“思維訓(xùn)練”的發(fā)展過程，其根本任務(wù)是發(fā)展學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。計(jì)算思維訓(xùn)練不是簡單的知識(shí)學(xué)習(xí)或技能練習(xí)，而重在發(fā)展學(xué)習(xí)者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。本研究從知識(shí)、認(rèn)知結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)方式三個(gè)維度，構(gòu)建了計(jì)算思維能力發(fā)展模型。同時(shí)，設(shè)計(jì)技術(shù)促進(jìn)思維發(fā)展的教學(xué)程序，應(yīng)用“技術(shù)工具”支持學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)、進(jìn)行探究、協(xié)作學(xué)習(xí)，促進(jìn)知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)；應(yīng)用“思維工具”支持學(xué)習(xí)者顯性認(rèn)知思維過程、批判與反思舊模式、激發(fā)與創(chuàng)造新思維，促進(jìn)學(xué)習(xí)者在知識(shí)學(xué)習(xí)過程中主動(dòng)構(gòu)建與有意識(shí)思考，并逐步內(nèi)化為無意識(shí)的思維慣習(xí)。本研究在一定程度上豐富了計(jì)算思維教學(xué)的理論基礎(chǔ)。

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編輯：小西

Study on the Computational Thinking Ability Development Model and the Teaching Program

GONG Jing HOU Chang-lin[Corresponding Author]ZHANG Xin-ting

Improving learners’ computational thinking ability is one of the core objectives of modern computer teaching. Computational thinking teaching experienced from the previous back-end “l(fā)atent subject” of knowledge transfer and tools operation to the present front-end “significant subject” of thinking training. However, practical problems in terms of “how to teach” and “how to learn” are still not clear. The paper explores computational thinking training from the perspective of thinking horizon, in which computational thinking training is regarded as not merely about simple knowledge learning and skill practice, but concerns the development of learner’s cognitive structure and the thinking teaching beyond knowledge and skills. As a result, this study builds the thinking ability development model from perspectives of knowledge, cognitive structure and learning styles. Technology tools and thinking tools are individually applied as the tangible and intangible technology carrier of thinking skills trainings so as to design the thinking teaching program and improve learner’s thinking ability.

computational thinking; thinking teaching; thinking ability development model; thinking teaching program

G40-057

A

1009—8097（2018）04—0048—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.04.007

本文為貴州省區(qū)域內(nèi)一流建設(shè)培育學(xué)科‘教育學(xué)’（黔教科研發(fā)[2017]85號(hào)）、教育部高等教育司—微軟公司產(chǎn)學(xué)合作專業(yè)綜合改革項(xiàng)目“中西部高校以計(jì)算思維為核心的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革”（項(xiàng)目編號(hào)：201601008029）的階段性研究成果。

龔靜，教授，碩士，研究方向?yàn)榻逃夹g(shù)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)，郵箱為996075565@qq.com。

2017年10月25日