計算思維培養在K-12階段的應用研究

牟亞 周雄俊

摘 ?要 為了全面地了解計算思維在基礎教育階段的應用情況，閱讀與分析相關文獻，研究可知，當前國內計算思維培養研究正逐漸將關注的重心從大學轉向K-12階段，主要討論計算思維的內涵與應用方面;國外計算思維培養的研究主要關注K-12階段，側重于計算思維培養實踐和評估。在對計算思維培養在中小學階段的應用情況進行分析的基礎上，結合思維培養提出計算思維培養的教學策略，以期為教師進行計算思維培養提供借鑒與參考。

關鍵詞 計算思維;K-12;信息技術;核心素養;Scratch;App

Inventor

中圖分類號：G652 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）13-0077-03

1 引言

計算思維不是一個新的概念，從早期的計算到現代的算法思維、程序思維，都蘊含計算思維的概念。1980年，麻省理工學院的西摩派伯特·帕爾特教授在《頭腦風暴：兒童、計算機及充滿活力的創意》中首次提出計算思維一詞。1996年，派伯特首次對計算思維進行了簡單的定義，認為計算思維是使用計算的特點來清晰地表達觀點和想法的過程。在此之前，計算思維不被研究者關注與重視，直到2006年，周以真教授在計算機權威期刊《美國計算機協會通訊》中第一次明確定義了計算思維，認為計算思維是使用計算機科學領域的思想和方法思考問題、解決問題等一系列的思維過程[1]。自此之后，計算思維受到國際計算機界和教育界的廣泛關注。

在中國知網搜索題名為“計算思維”的核心期刊文獻和博士、碩士學位論文，檢索截至2018年12月31日，共檢索出150篇核心文獻，59篇博士、碩士學位論文。經過整理去除無關文獻后，將剩余的203篇作為本研究的有效期刊文獻樣本。國外文獻的收集，通過挖掘文獻的參考文獻的方式獲得。

分析得知，國內計算思維培養的研究還較淺顯，理論方面，主要探討了計算思維的理解、特點與應用價值等;實踐方面，是在高校中以編程類課程為主進行教學實踐，中小學涉及相對較少。另外，計算思維概念提出以后，并沒有一個統一的定義，也沒有系統的理論體系。研究者在對計算思維理論方面的研究不夠深入的情況下，已經轉向計算思維培養的實踐研究。面對這種情況，其教學實踐研究可能受到阻礙。

而國外計算思維的研究相對成熟，理論方面，主要是對計算思維概念進行理解;實踐方面，是在K-12段以“計算機技術”為主進行教學實踐研究，重視計算思維評價框架的建立，以分析教學實踐的效果。

2 計算思維的理解

隨著信息時代的發展、科技的進步，利用計算工具的普適性和豐富性，人們的思維方式和生活方式正在發生轉變，而計算思維適應時代和社會的需求，被國際計算機界和計算機教育界作為重要的關注內容。計算思維是一項基本能力，是每個人必須具備的基本技能，應該從小培養以適應人的終身發展和全面發展。但是由于學者的文化背景不同，所處學習領域不同，對計算思維的理解也不盡相同。

2006年，周以真教授提出計算思維是像計算機科學家一樣去分析問題、解決問題[1]，是一種遞歸思維、分析思維，影響著幾乎所有學科的研究，是每一個人的思維[2]。2011年，美國國際教育技術協會與美國計算機科學教師協會定義計算思維是數據收集、分析和表示，利用算法思維制訂解決方案，并將問題解決過程中的思維與方法應用到其他領域[3]。

2012年，英國學校計算機課程工作小組將計算思維定義為使用計算方法來理解人工信息系統和自然信息系統的過程，是遞歸能力、抽象能力、邏輯能力和算法能力的綜合體現[4]。2016年，美國計算機科學教師協會在《K-12計算機科學標準》中定義計算思維是一種解決問題的方法論[5]。

以周以真教授定義的計算思維觀點為參照，陳國良、董榮勝認為，計算思維是以設計、抽象、自動化等計算機科學的基本方法，計算、解決問題的思維活動[6];王飛躍認為，計算思維是利用計算手段解決問題的思維過程[7];陳國良認為，計算思維是利用計算機領域的基本方法，把一個復雜、困難的問題抽象轉化成人們能夠理解的形式并解決問題[8];《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中提出，計算思維是抽象思維、算法思維、總結思維和遷移思維[9]。

綜上所述，計算思維自2006年周以真教授提出以后，引起國際計算機界、教育界的廣泛關注，各國教育部門、學者對計算思維進行了分析與應用研究，不同的國家、組織和部門對計算思維的理解主要是從理論方面、實踐操作、計算機科學領域、思維培養角度四個方面來定義。不論從何種角度定義計算思維，都可以看出計算思維的本質是抽象問題并找到最合適的解決方法的思維活動。

3 計算思維培養在K-12階段的情況

自從2006年周以真教授對計算思維進行系統化定義后，隨著國內外組織和學者對計算思維進行的理論與實踐研究，使計算思維的概念逐漸清晰和明確，如何培養計算思維成為計算機界、教育界重點關注的內容。

計算思維應用 ?2011年，美國將計算思維內容納入基礎教育課程中。2012年，新西蘭將計算機科學課程確定為高中學段的必修內容。2013年，英國實施“新課程計劃”，將中小學“信息通信技術”改成“計算課程”。2015年，澳大利亞實施“新課程方案”。2016年，芬蘭在開設的新課程中強調學生數字能力的培養。我國C9高校聯盟發布的聲明、教育部教高司函〔2012〕188號文件、教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會發布的《計算思維教學改革宣言》都強調了計算思維培養的重要性，并進行了相關的理論研究與教學實踐。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》根據信息技術學科的大概念提出學科核心素養，明確了計算思維的核心價值地位。由此可見計算思維培養在K-12階段的重要作用，是發展學生核心素養的重要著力點。

綜上所述，可以看出，國外計算思維培養的教學實踐研究主要開始于K-12階段，國內對計算思維培養的研究始于普通高等教育階段，也側重于普通高等教育階段。隨著互聯網、大數據、人工智能等技術的發展，計算在社會、工作、學習等方面發揮著越來越重要的作用，計算思維的理論研究與應用實踐由較多地關注高等教育領域開始轉向K-12階段，讓計算思維同閱讀、寫作、算法一樣，從小培養，全面培養。計算思維能夠使人們以一種全新的視角去觀察和理解周圍的世界，是人們不斷學習和發展過程中必須具備的一種思維能力。因此，計算思維培養在中小學階段占據重要地位。

計算思維在K-12階段的培養情況 ?2017年，地平線報告（基礎教育版）指出，計算思維是一項基本技能，具有使用計算工具形成問題解決方案的能力，同閱讀、寫作、算術一樣需要熟練掌握。這就進一步明確了計算思維培養在K-12階段的重要地位。筆者從課程、培養工具等方面總結國內外計算思維在K-12階段的培養實踐概況，如表1、表2所示。

綜上所述，通過對國內外計算思維培養在K-12階段的實踐情況分析可知，幾乎都是在計算課程和信息技術課程中開展的教學實踐活動，大多數是采用可視化編程或編程工具對學生的計算思維能力進行培養。進一步，對國內計算思維培養文獻分析可知，小學階段主要是采用Scratch和App Inventor等進行計算思維能力的培養，高中階段主要是采用編程等進行計算思維能力的培養，初中的計算思維培養研究很少;研究主要關注計算思維培養的教學活動、教學方式等，探討計算思維培養在中小學課程教學中的教學實踐不足;計算思維評價方式單一，大多數采用問卷、觀察和訪談等方式，沒有成熟、系統的計算思維評價體系。

4 結語

通過對國內外文獻分析可知，計算思維在K-12階段的應用研究初有成效，如提出計算思維培養教學模式、計算思維評價框架等。但是，計算思維培養的研究還有很多不足，還需要完善，如計算思維培養的教學策略、計算思維培養工具、計算思維培養效果檢驗等方面。本文根據計算思維培養的相關文獻，總結出計算思維培養在K-12階段教學過程中應采取的教學策略。

營造良好的課堂環境，注重對話式討論 ?傳統的課堂是以教師為中心的教學過程，學生被動、被迫地學習，對學生的主動性、積極性等造成影響，學生的學習興趣不高，學習效率較低。因此，需要營造一種能夠讓學生暢所欲言、自由發揮的課堂環境，建立一種新型的師生關系，讓師生之間能夠平等、自由地交流。再者，促進思維教學的策略有三種，分別是照本宣科策略、問題策略以及對話策略，這三種教學策略都可以培養學生的思維能力。但是對話策略最適合思維的培養，因為這種策略鼓勵學生與教師進行交流，教師通過提問引導學生，刺激學生去思考;學生根據教師的問題，通過分析、討論等一步一步地深入。

個人探究與小組討論相結合 ?社會生活中出現過這種情況，在學校各方面都表現優異的學生，到了社會上卻在工作中、生活中屢屢碰壁。當然，這樣的情況只是少數。為什么會出現這樣的情況？傳統教學強調的是學生的個人學習情況，而社會中不再是一個人的事情，且一個人的能力也有限，大多數是幾個人、幾十個人等合作完成一個項目。傳統課堂忽視小組合作學習的方式，而真實世界重視和需要這種方式。因此，學生既需要具備獨立學習、探究的能力，也應該可以在團體學習中貢獻自己的智慧。

注重元認知學習的過程 ?元認知是指學生能夠進行認知活動并能夠對認知過程進行積極的監控和調節。計算思維培養的最終目的是讓學生具有分析問題、解決問題的思維與方法。這種思維與方法是在學習過程中慢慢形成的，高中生應該意識到自己思考了什么，解決了什么問題，怎么解決的，等等，以便對自己的學習過程和學習結果進行反思、調整，提升學習效率;能夠對自己的學習過程產生的思維與方法進行整理、綜合，形成系統化的計算思維，解決其他類似的問題。

參考文獻

[1]Wing J M. Computational thinking[J].Communica-tions of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[2]Wing J M. Computational thinking and thinking about

computing[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A： Mathematical， Physical and Engineering Sciences，1881，366：3717-3725.

[3]CSTA and ISTE. Computational Thinking in K-12 Edu-

cation Leadership Toolkit[EB/OL].[2018-01-08].http：//

csta.acm.org/Curriculum/sub/CurrFiles/471.11CTLeader

shiptToolkit-SP-vF.pdf.

[4]Computing at School Working Group. Computer Science：

A Curriculum for Schools[DB/OL].https：//www.compu

tingatschool.org.uk/data/uploads/ComputingCurric.pdf.

[5]CSTA.K-12 Computer Science Standards[EB/OL].[2018-

01-08].https：//c.ymcdn.com/sites/www.csteachers.org/

resource/resmgr/Docs/Standards/2016StandardsRevision/

INTERIM_StandardsFINAL_07222.pdf.

[6]陳國良，董榮勝.計算思維的表述體系[J].中國大學教學，2013（12）：22-26.

[7]王飛躍.面向計算社會的計算素質培養：計算思維與計算文化[J].工業和信息化教育，2013（6）：4-8.

[8]陳國良.計算思維導論[M].北京：高等教育出版社，

2012：10，12.

[9]李鋒，趙健.高中信息技術課程標準修訂：理念與內容[J].中國電化教育，2016（12）：4-9.