中小學計算思維的內容挖掘及其操作實踐

王張艷　管海蓉

計算思維作為與理論思維（以數學學科為代表）、實證思維（以物理學科為代表）并稱的三大科學思維之一，逐漸被部分國家定為信息技術課程的核心培養目標。[1]我國在把計算思維融入一線教學這方面的研究主要是針對高等教育，而且大部分偏理論性研究。因此，如何較好地將計算思維培養融入中小學信息技術教學實踐中，是我們研究的重點。鐘柏昌和李藝教授將計算思維概括為三組有關聯的思維結構：對象化思維和過程思維、抽象思維和可視化思維、工程思維和自動化思維。[2]王榮良教授認為，計算思維源于數學，同時又有工程屬性。計算思維的數學方法包括抽象、構造、遞歸、形式化等，計算思維的工程方法包括系統方法、分治法、結構化方法、面向對象方法等。[3]參照以上觀點，結合信息技術課程，本文主要探討計算思維中的對象與屬性思維、數字化思維、抽象思維在具體教學中的應用，并結合王靜雯老師的《網絡交流——QQ即時通訊》教學設計進行具體探討。

《網絡交流——QQ即時通訊》是蘇教版小學信息技術教材網絡基礎單元的學習內容，教學對象是三年級學生，作為數字時代原住民，他們對信息技術的敏感性和基礎應用能力較強。本課的設計不僅要讓學生掌握工具的操作方法，更要拓展即時通訊軟件在現實工作、生活中的作用。

● 對象與屬性思維聯結現實世界與計算機世界

對象是對現實世界中事物的抽象。例如，現實世界中汽車有自己的狀態，如車型、質量、牌照等。抽象而成的汽車也有自己的屬性，如在VB程序設計中，“汽車”這個對象具有名稱、大小、長寬比等屬性，而這里的屬性就是由現實中汽車的狀態抽象而來的。

計算機中的屬性思維是將相關、相似的信息集中在一起。因此，屬性思維還具有歸類性，可以使有關系的知識自動聯系在一起。延伸到日常生活中，可以用屬性思維記住相關物品的聯系。

這種對象與屬性的對應關系在信息技術教學中相當普遍，甚至可以說貫穿了整個課程的始終。Scratch、VB、Flash和DreamWeaver等軟件中都有屬性面板，選中相應對象后，通過修改屬性面板中的屬性值達到修改對象的目的，這些都是顯性的對象與屬性的對應。想要改變一個對象，需要先選擇該對象，再尋找與對象相關的屬性設置選項，可能在屬性面板中，也可能是在彈出的屬性菜單中。

在《網絡交流——QQ即時通訊》教學設計的活動一“登錄QQ我最快”中，由于三年級的學生初次注冊QQ后，并不能準確地將賬號、密碼等信息全部記住，因此在課前發放“我的QQ信息表”，以便學生登錄。學生通過觀察和使用，了解到QQ號是一串數字，在網絡虛擬空間中代表操作對象，每個人的QQ號是不一樣的，而且在“我的QQ信息表”中每個人的名字與QQ號一一對應。現實世界中每位學生都是一個對象，每位學生都有著不同的外貌和性格特征，這些是“學生”這個對象的屬性。而在QQ軟件這個虛擬世界中，QQ賬號都變成了一個個對象，每位賬號有著不同的數字排列，對應的頭像也各不相同，在以后的使用過程中也會有不同的用戶等級等，這些都是“QQ賬號”這個對象所具有的不同屬性。這是對象與屬性思維的體現，也為學生今后學習更加復雜的對象與屬性知識打下基礎。

● 數字化思維是利用計算機處理問題的基礎

從信息視角來看，客觀世界可以通過抽象方法描述成一系列由數據及關系、規律所組成的概念模型。可計算問題是計算學科研究的核心，只有可計算的問題，才能構建相應的計算模型。[4]計算思維表達了這樣一個過程：將一個問題用代數語言（或其他約定的規范語言）進行形式化表達，然后按預設的規則進行有限次的字符串變換，最后得到問題的解。因此，將現實問題轉換成數學問題，是計算思維實踐的第一步，這也使得計算機介入問題求解成為可能。計算機科學是計算的學問，它研究什么是可計算的，以及怎樣去計算。那么，如何讓學生“像科學家一樣思考”呢？選擇一個簡單可理解的生活現象進行“數學化”嘗試，就是一種切實可行的選擇。[5]

在《網絡交流——QQ即時通訊》教學設計的活動二“添加好友我也行”中，設定了情境——學生作為“筑夢同行 感恩成長”十歲成長禮網絡交流活動的策劃人要邀請嘉賓來參加活動，從而引出需要在QQ平臺添加好友的任務。在活動三“溝通交流歡樂多”中，以方便和其他老師、家長、同學聚在一起開展網絡交流活動為目的，提出問題：如何查找并加入一個群？

解決問題的方法有多種，經過探究，學生發現查找具體QQ號碼是最優的解決方式，因為QQ賬號具有唯一性。現實與網絡生活中的個人有很多特質，如身高、地域、QQ名稱等，這些特質可能存在很高程度的相似性，不能作為區分彼此的特征。最好的區分辦法就是“數字化”，使每個人具有獨一無二的數字特征（身份證號、QQ號）。這樣可以把復雜的問題用數字化的方法簡化且高效地進行表征。QQ號是操作對象在QQ虛擬空間中的數字標識，計算機依據數字標識可以準確查找出相應的操作對象，這與計算機在處理數據時將各種符號轉化為1和0組成的字符串是相似的道理。這樣的活動設計對于培養學生的數字化思維、計算思維大有裨益。

該活動還可以在其他課時中進一步拓展和延伸。例如，在現實情境中，越來越多的情況是可以掃描二維碼訪問網頁、登錄QQ及添加好友，這些網址和數字又是如何變成二維碼的呢？不認識的二維碼計算機是如何識別出來的呢？這些都涉及二進制的轉化和信息的數字化，可以留給學生進一步思考或課外查閱。這樣可以幫助學生了解計算機的基本工作原理，學會“像計算機科學家那樣思考問題”。

● 抽象思維有助于抓住問題的核心

周以真教授將計算思維的本質歸納為抽象與自動化，其中抽象是手段，自動化是目的。可以說，抽象，是計算思維的關鍵。因此，培養學生的抽象思維是解決計算思維在信息技術課堂上落地生根這一問題的重要途徑。

抽象是指在思維過程中對同類事物去掉其次要的、現象的方面，抽取其主要的、共性的方面。數學抽象的特點是拋開現實世界的物理、化學和生物等特性，僅保留其數的關系和空間的形式。計算思維中的抽象比數學抽象更加豐富，它要依據計算模型對現實世界中要處理對象的屬性、規則、方法進行抽象和形式化表達，為構建計算機世界提供依據。現實世界、計算機世界與反映計算思維的抽象、自動化以及設計的關系如下圖所示。[6]

與數學、物理等一般學科的抽象相比，計算機科學中的抽象常常有多層，且目的是為自動化服務的。它是把現實中的事物或解決問題的過程，通過化簡等方式，抓住其關鍵特征，降低其復雜度。在《網絡交流——QQ即時通訊》教學設計中，每一個環節都設計了精簡的板書來凝練各個任務的核心要求和問題的關鍵所在，最終形成了“選擇對象—收集信息—添加好友—溝通交流”這一任務解決流程圖，幫助學生將復雜問題通過抓關鍵特征的方式進行簡化和提取，有助于培養學生的抽象思維能力。

● 結語

以對象與屬性思維、數字化思維、抽象思維作為突破口，是在實際的信息技術教學中培養學生計算思維的一個嘗試。通過培養對象與屬性思維，幫助學生建立現實世界與計算機世界的對應關系。利用數字化思維，將具體問題分解、轉化為計算機可以處理的數字問題，以簡化問題表征，提高問題解決效率。抽象思維的應用，可以幫助學生抓住事物核心特征，將復雜問題分解。

在實際教學中，如何貫徹“數字化”的思想呢？一是將看似需要主觀判斷的問題情境用“數字化”的方式進行表示和描述，通過數據的梳理來解決問題。二是用“數字化”表示的方法使學生體驗計算科學中“自動化”的原理，揭開計算機工作原理的神秘面紗。培養對象與屬性思維，應當注意強化“先選中再操作”的理念，并在不同章節融會貫通，還要注意厘清對象與其屬性的關系，注意區分公有屬性與特有屬性。而要培養抽象思維，不僅要注意教學案例的選擇要貼近學生認知，對案例的熟悉程度和理解程度是對問題抽象和分解的基礎，還要注意分解問題，引導學生將一個大而復雜的問題分解為若干個更易實現和解決的小問題。在分解的基礎上，針對每個小問題，形成解決問題的方法。在此過程中，教師也可以試著舉一反三，逐漸引入工程思維、自動化思維等更加復雜的計算思維意識的培養。

培養學生的計算思維，需要學生在一個較長的時期內，通過每節課的學習逐步建立并形成起來。教無定法，教師只有在教學設計中融入計算思維，不斷地改善自己的教學策略，提高學生學習的熱情和積極性，才能讓學生在自主、協作、交流、分享的過程中，發展計算思維，才能讓計算思維在信息技術教學中落地生根，讓每一位學生學會創造性地思考。

參考文獻：

[1]譚浩強.研究計算思維，堅持面向應用[J].計算機教育，2012（21）：45-49.

[2]鐘柏昌，李藝.計算思維的概念演進與信息技術課程的價值追求[J].課程·教材·教法，2015（07）.

[3]王榮良.計算思維的方法觀[J].中國信息技術教育，2016（06）.

[4]王榮良.計算思維對中小學信息技術課程的影響初探[J].中國教育技術裝備，2012（27）：56-57.

[5][6]王榮良.計算思維究竟是什么[J].中國信息技術教育，2015（23）.