人工智能時代需要關注的新素養：計算思維

王羅那，王建磐

（1.湖州師范學院理學院，浙江湖州 313000；2.華東師范大學數學科學學院，上海 200241）

21世紀以來，人工智能、智能機器學習、基于AR/VR的學習等研究領域得到發展，計算思維的研究不僅與計算機教育密切相關，而且也越來越受到各學科教育學者的廣泛關注。何為計算思維？它經歷了怎樣的發展，現在以及未來的研究重點是什么？對現代社會和教育有何意義？中小學教育如何進行計算思維的培養？上述問題值得探索和反思。

一、計算思維的概念與發展

（一）計算思維的概念

2006 年，美國卡內基·梅隆大學教授周以真（Jeannette M. Wing）首次在美國計算機協會通訊雜志（Communications of the ACM）上正式提出計算思維的概念，并將其定義為：利用計算機科學的基本概念進行問題求解、系統設計并且理解人類行為的思維活動。[1]哥倫比亞大學教授阿爾弗雷德（Alfred V. Aho）認為，計算思維是解決問題所涉及的思維過程，它的解決方案可以表示為計算步驟和算法，這個過程中最重要的是找到適當的計算模型從而表達問題并輸出解決方案。[2]隨著對計算思維的研究進一步深入，周以真后將計算思維的定義更新為：“一種解決問題及其解決方案所涉及的思想過程，這類過程便于將問題與解決方案用一種可由信息處理代理有效執行的形式來表示。”[3]

我國《普通高中信息技術課程標準》（2017年版2020年修訂）中指出：“計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。具備計算思維的學生，在信息活動中能夠采用計算機可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據；通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案；總結利用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關的其他問題解決中。”[4]

可見，國內外研究者對計算思維的概念認識視角大致可分為三大類：計算機科學視角，強調工具性和專業技能；思維過程視角，強調程序化的思維過程；問題解決視角，強調計算思維的綜合性和功能性。

（二）計算思維的發展過程

國內外眾學者理解計算思維的角度不盡相同，總體來看近十年來計算思維的內涵不斷豐富、擴充，計算思維的發展經歷了三個階段。

1.萌芽階段

雖然計算思維一直是人類思維的重要組成部分，但對計算思維的研究在2011年以前進展遲緩，相關研究在此階段剛剛開始“萌芽”。通過對計算思維的文獻發布量的統計發現，在2010年以前（包括2010年），國內外計算思維的研究發表主要集中于科技類期刊，涉及主題包括計算機科學領域的計算思維的定位、意義等初級探討，研究并不深入。周以真教授發表的《計算思維》一文可以被認為是21世紀以來圍繞這一概念展開的若干討論的起點。 在我國，2010 年發布的《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》，確定了下一步的計算機基礎課程教學改革要以計算思維為核心[5]，引起了計算機科學、教育科學等領域專家的重視，關于計算思維的研究由此蔓延開來。2011年，美國國家科學基金會計算機與信息科學工程理事會委托美國國家科學研究委員會連續組織了兩次全國范圍內的工作坊，分別對計算思維所涉及的范圍和性質，以及教學方面的因素展開了充分的研討，形成了具有重要指導意義的報告。[6]美國國際教育技術協會與計算機科學教師協會也于2011 年聯合提出了計算思維的操作性定義，這都為計算思維在教育領域研究的開展奠定了基石。

2.探索階段

2011年后，計算思維的相關研究進入探索階段。2012年，計算思維有了一個簡潔的闡釋，“識別我們周圍世界中有哪些方面具有可計算性，運用計算機科學領域的工具和技術來理解和解釋自然系統、人工系統進程的過程”[7]。這一闡釋歸納了計算思維的本質，給廣大研究者提供了新的研究思路。澳大利亞于2012年將數字素養明確地歸入中小學學生基本能力要求，新加坡于2014年倡導的“編碼@新加坡政府”（CODE@SG）項目中亦提出，將計算思維發展為一項全民能力。在我國，2012年，教育部高教司設立了以計算思維為切入點的“大學計算機課程改革項目”；2013年，教育部高校大學計算機課程教學指導委員會于第二屆“計算思維與大學計算機課程教學改革研討會”上發布大力推進以計算思維為切入點的《計算機教學改革宣言》。之后MOOC、翻轉課堂、創客等概念紛紛引入國內，在一定程度上也促進了計算思維的研究發展。據統計，2012年，我國相關文獻數量迅速增加，2012-2015年，文獻數量逐年遞增，在2015年達到一個小高峰。

3.發展階段

我國《普通高中信息技術課程標準》（2017年版）中明確了計算思維是學科的核心素養之一。對國內發表的文獻內容分析發現，2017年，理論研究的數量不斷增多，除了對計算思維內涵概念、功能特征的分析外，還有研究者從不同視角對計算思維的能力培養、基礎、核心素養等進行討論。理論和實踐的研究相輔相成，不難看出，我國學者對計算思維的研究逐層深入，在扎實的理論指導下不斷地促進實踐研究的創新和落地。2018年，美國國際教育技術協會發布了《計算思維能力標準(教育者)》（Computational Thinking Competencies Standards for Educators，后簡稱《能力標準》）,這是國際上首個以計算思維命名的標準文本，對指引人工智能時代的計算思維教學具有里程碑意義。

二、計算思維教育研究的熱點聚焦與重心演變

通過關鍵詞共現分析，可以了解該關鍵詞所代表的學科和主題的結構變化，窺見其科研脈絡與演化軌跡，識別出與之相關的理論與前沿熱點。為了解當前我國計算思維的研究核心領域，以及近十年計算思維的研究重心在不同時間階段的演變過程與發展，本研究選擇中國知網（CNKI）為檢索源，以“計算思維”為主題詞對2010-2019 年的期刊文獻進行檢索，文獻分類選擇社會科學Ⅱ輯和信息科技，剔除低相關度的文獻，最終獲得文獻4129篇。采用Citespace5.1.R-8.SE 對相關文獻的關鍵詞進行聚類分析，抓取源為篇名、摘要、關鍵詞，節點類型為關鍵詞，運行軟件生成共現熱詞圖譜。對生成的期刊熱點進行整理，得到近十年“計算思維”科研熱詞。由于本研究的文獻是以“計算思維”為主題詞進行搜索，故其出現頻率最高，教學改革、信息技術、程序設計、核心素養、大學計算機基礎和教學模式等分別為出現頻次較高的熱點關鍵詞。由此可推測，計算思維的提出和發展，引發了教育和教學的變革，一定程度上促進了核心素養的發展。結合對文獻的閱讀梳理，發現近十年來計算思維教育研究的核心領域與熱點問題，聚焦在理論研究、教學應用和教育評估三大維度。理論研究涉及內涵概念的研究和功能特征的研究；教學應用的研究又可具體分為教學內容（包括中學信息技術和大學計算機基礎）和教學模式的研究；教育評估包括計算思維評價工具和評價體系的研究等。

對2010-2019 年計算思維相關研究的期刊熱點按年份進行整理，得到每兩年的研究熱點（呈現前10個熱點詞）如表1所示，其中與上兩年相比，新增的熱點詞前用“▲”標出。

表1 2010-2019 年“計算思維”相關研究熱點

在不同的發展階段，研究重心逐漸發生變化。教學自始至終都是該領域核心的研究主題。在計算思維研究的萌芽期，“程序設計”與“算法”是主要研究主題，研究者們就事論事地研究計算思維本身，重點傾向于探討計算思維的程序及其算法。在探索期，研究主題逐步轉向為課程與教學改革服務。在發展期，研究又進行了進一步的深化，“核心素養”“能力培養”等詞成為共現熱詞，說明研究者不僅關注了課程與教學的改革，還轉向對于學生關鍵能力及其核心素養的養成。隨著5G新智能時代的來臨，“MOOC”“Scratch”“人工智能”等也成為該領域新增的研究熱點。計算思維的研究始終與程序設計和信息技術結合緊密，教學改革也是與其息息相關的熱點，計算思維的教學經歷知識傳遞、工具操作到思維培養的過程。隨著近年來對核心素養的重視，越來越多的研究者開始挖掘計算思維與核心素養的內在聯系。隨著時間的推移，總體來看計算思維的研究越來越系統、越深化。

三、計算思維對中小學教育的意義

（一）如何將計算思維轉變為具體的中小學課程內容

當前我國計算思維的教學內容研究普遍集中在高等教育領域，面向“大學計算機”等計算機學科專業課程，這與《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》中明晰了培養大學生計算思維是計算機基礎教學的核心任務和目標有重要關系。美國計算機科學技術教師協會認為，計算思維教育應當存在于每個學校的每堂課程教學中。

在中小學的課程中，怎樣將計算思維由理論向實踐過渡呢？在英國，保羅·柯松（Paul Curzon）等人[8]首先通過梳理、精煉，定義出計算思維的幾個核心概念——算法思維（Algorithmic Thinking）、評價（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）和概況（Generalisation），然后與具體的教學行為進行映射（對應），轉化為可操作性的方法和可評估的表現。計算思維核心概念與課堂行為舉例的映射見表2。

表2 計算思維核心概念對應的課堂行為

在課堂活動的各個階段和環節都可以找到計算思維核心概念的行為示例，學習的內容決定了活動的相關性和挑戰性。值得注意的是，計算思維不是計算機的思維，計算思維在中小學課堂中不是僅在“計算”主題的內容才有體現。計算思維的內在價值是數據抽象、模型建設、自動化實現和解決問題，是一種兼具數學思維、工程思維、科學思維和跨學科性的思維。它是能夠將數學科學與工程思維互補融合的、動態的和綜合性的思維，對解決問題的能力提升具有重要價值，將融入不同學科、場景乃至生活各方面。

（二）計算思維在中小學教育中的實施策略有何變化

教學內容的重構與革新勢必引發對傳統教學模式的反思，帶來教學模式的變革。教學模式是計算思維研究的重要主題，研究者的角度與視野各不相同。郁曉華等人采用了基于可視化編程軟件App Inventor的教學模式，配合學案，發現該模式對學生的計算概念、形式化、模型化方面有較明顯的提升效果[9]；莊小云用微課培養高中生的計算思維[10]；牟琴等人結合網絡學習的特點構建了計算思維的網絡自主學習模式、任務驅動教學模式、探究教學模式，應用實例分別論證以上三種模式的有效性，最后發現以上三種模式能提高學習效率，比傳統教學更有助于提升學生的計算思維[11]。

通過上述研究發現，我國研究者主要是通過使用現代教育技術手段，讓學生在運用工具的過程中自主體會計算思維或將計算思維融入具體的教學過程和情境中，來培養學生的計算思維能力。在中小學課堂中，實證研究驗證的有效教學策略主要包括兩類，一類是基于“微課”或Code Monster、App Inventor、Alice、Scratch等可視化編程軟件構建信息技術支持下的該軟件的專屬教學模式，這對教師的教學論基礎和信息素養有較高的要求；另一類是結合不同的教學主題特征，選擇已有的合適的教學模式，例如面向計算思維的探究教學模式、WPBL教學模式、多元混合教學模式等教學模式新思路。

（三）怎樣評價中小學教育中的計算思維

評價是驗證教學效果的重要依據，也是完整的教學流程中不可或缺的一鏈。關于計算思維的評價研究主要集中在評價工具和評價體系方面。目前我國計算思維的評價研究較少，主要是教育活動中的計算思維的評價研究。有學者基于麻省理工學院的相關研究[12]，開發了面向教師工作坊的Scratch創意課程，設計了作品檔案袋分析（Project Portfolio Analysis）、基于編程制品的訪談法（Artifact-based Interviews）、情景設計法（Design Scenarios）三種計算思維評價方法，并歸納了這三種方法的優缺點及不同側重點。張兆芹等人總結了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、并行處理能力和系統保護意識七個方面的計算思維能力要求。[13]

國外關于計算思維的評價研究相對更為豐富和成熟。除了目前中小學階段普遍接受和使用的評價方式——標準化的紙筆測驗或問卷形式（González[14]），還包括線上測試平臺、精靈評價工具（Fairy Assessment）以及測量量表（CTS[15]）等方面。國際計算思維挑戰賽 （Bebras ICICT）是典型的以在線形式進行評價的計算思維大型測評平臺。平臺按挑戰者的年齡層次細分為5-8歲（Pre-Primary Task）、8-10歲（Primary Task）、11-12歲（Benjamins Task）、13-14歲（Cadets Task）、15-16歲（Juniors Task）和17-18歲（Seniors Task）六個不同層級的任務，參賽者有45分鐘左右的時間來解決18項復雜程度不同的任務。國外也有不少中小學教師利用學校的移動設備將Bebras 挑戰融入他們的日常教學中。Bebras平臺旨在開發能在計算機上解決（無需紙筆或其他軟件）的、能通過淺顯易懂的方式呈現的創新而有趣的考察計算思維能力的題目。例如以下小學組中等難度的測試題：

海貍通過特殊的鍵盤來控制臺燈，操作一個指令，他可以更改相應列或行中（C 代表列，R 代表行）所有燈的狀態：燈亮——熄滅，燈不亮——點亮（例如，指令1C 點亮第一列的所有燈，若重復相同的指令（1C），則第一列的所有燈都將熄滅）。海貍編寫了4個程序：

圖1 小學組（8-10歲）測試題：編程燈

此題涉及的計算思維的關鍵是二進制，二進制表示法在信息學中非常常用，在計算機上如何存儲各種信息方面起著核心作用。用學生常見的燈的開關兩種狀態模擬二進制邏輯，讓學生利用已有知識完成挑戰性任務，從而評價其計算思維水平。

計算思維的評價體系方面，任友群等人結合計算思維能力培養特點建議從“原理理解”和“項目實踐”兩方面構建中小學計算思維評價體系[16]，保羅等人則建議從教什么、做什么和怎么做三方面對中小學生計算思維的程度進行評價，還通過對計算思維核心概念進行剖析，對應具體的行為指標，系統地設計了培養框架和評估框架[17]。這些為計算思維在中小學教育中的評價體系構建、更具體地觀察學生計算思維能力的發展、更細致地評價學生的理解程度提供了思路。總體而言，依據學生在課堂活動中如何表現計算思維建立整體性的評估體系，在時間允許的情況下，用成果（作品）的方式記錄，對學生的計算思維進行過程性的評價是有必要且有重要意義的。

四、計算思維的未來展望

（一）明晰計算思維的目標定位，聚焦問題解決

計算思維的本質是抽象，計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，數字抽象只是其中的一類特例。隨著我國基礎教育的樹人目標與理念向核心素養的層次聚焦，計算思維的培養目標不應僅著眼于抽象、邏輯、算法等計算機知識與基本原理，在此基礎上更要關注運用計算機語言進行自我表達與應用信息通信技術進行思維發散。英國計算（Computing）課程的目標就是要讓學生同時掌握計算機科學、信息技術、數字素養，成為兼具技術力、責任力和創造力的信息通信技術使用者。除此之外，問題解決是眾多研究中公認的計算思維的本質特征，學生的問題解決過程，是其通過內在的思維變化來逐步建立問題解決路徑，進而形成系統解決方案的過程。計算思維需要幫助學習者有意識地從計算思維的角度思考問題，學會主動用技術幫助解決問題。目前的研究已聚焦到培養計算思維解決現實生活中的問題，但是對開放性問題的關注度不高，對計算思維的培養還需從單純的技術使用到技術的再創造進一步拓展。綜觀近十年的研究文獻，多數為微觀層面的探索性文獻，缺乏深度，而探討計算思維本質與形成過程的解釋性文獻數量較少，宏觀的理論研究應進一步深化，這樣才能使計算思維的實踐與應用的研究有理可依、有據可循。

（二）完善計算思維的內容組織，關注跨學科整合

計算思維不是計算機科學家特有的思維，計算思維也不再只和計算機有關，這就需要進一步豐富和完善計算思維研究的內容組織。目前的研究多聚焦于教學模式的創新與應用，占所有研究文獻的近七成，其他如計算思維的形成機制、師資隊伍建設、計算思維的可視化工具開發、計算思維的課程開發、計算思維的評價等環節也應該是研究的重要內容。

美國國際教育技術協會頒布的《能力標準》中除了關注學科融合以外，對跨學科的課堂實踐也進行了重點討論，提出了整合計算思維的跨學科課堂教學實踐。英國愛丁堡大學和曼徹斯特大學等高度重視學科之間的融合，提出了人工智能與計算思維的交叉學科課程，幫助學生養成適應人工智能時代的計算思維。[18]作為當今數字公民的必備素養，計算思維是國際計算機領域重點關注的概念，但在其他教育領域也應引起足夠重視，可以通過推進STEM課程等，促進計算思維在學科間的融合。計算思維中所需要的多種能力與數學學科是融會貫通的，比如抽象聚焦、算法、邏輯完備性、模式識別等，并不是編程人員獨有的，而是一種高效解決問題的思維方式，需引起數學教育研究人員的重視。邦迪（Bundy）認為，計算思維幾乎影響所有學科的研究，往后的研究應該更加多樣化，眼光與視角還可覆蓋至人文社會領域、基礎教育領域，甚至學前教育領域，使計算思維的研究形成貫通完整的系統。[19]

（三）明確計算思維的實施路徑，培養創新型教師

在我國，計算思維教學的廣泛開展是在2012年之后，因此教學實施時間不長，并且首先在高等教育領域展開，在基礎教育領域仍處于啟動階段。計算思維的實施路徑應根據不同學段的不同學情分別引入，如在小學與初中階段可在通用技術與藝體類課中穿插計算思維內容來融合，高中階段可在計算機課程或數學建模課程中按不同單元有梯度地分層次引入，而大學階段則可以采取開放型問題的研究或數學教育講座類活動來引導學生深入探究。

在人工智能推動“未來智慧國家”的新浪潮之下，教師的數字素養亦不可忽視。創新型教師是學生計算思維潛能挖掘與轉化的催化劑，具有良好計算思維素養的教師可以借助計算思維資源和工具來解釋學習者的學習過程，采用多樣化的教學方法幫助學生強化算法思維、對計算思維概念及實踐形成合乎年齡的理解。如果教師本身對計算思維的認知不足或有偏差，對學生計算思維的發展可能產生很大的阻礙。全球學習檢測聯盟（GAML）等機構聯合推出包含人工智能、計算思維等在內的數字素養框架。[20]教師應具有終身學習的理念，從以往關注基礎數字素養到高階的計算思維的轉變是必要且迫切的。因此計算思維也應成為數字時代教師終身學習的核心內容。“AR計算思維體驗平臺”“AI虛擬導師”等個性化實施路徑都值得教師們嘗試探索，在長期的實踐中進一步檢驗。另外，一線教師還可以聯合研究專家、軟件產品開發機構形成實踐共同體，凝聚研究合力，來推進計算思維實施的高效性與科學性。

（四）厘清計算思維的評價導向，關注外顯型測評

計算思維已成為人工智能時代不可或缺的新素養，對學生已達到的水平進行準確測評和全面認知尤為重要。設計和開發科學有效的計算思維評價工具是計算思維嵌入學科教學的關鍵。[21]現階段我國計算思維的評價研究大部分是針對教育實施過程的評價，鮮有測試平臺開發與評價量表開發的研究，而教育實施過程的評價多集中于對基本概念的知識方面的評價，對技能與方法、信念與態度方面的評價關注度不高。總體來說，評價研究集中在認知層面的測評，缺乏關于能力或技能的外顯型測評，尚未形成完整的評價體系。因此，在今后的研究中，一方面需要研究者更加重視技能方面的評價，進一步開發外顯型測評，使得評價更有利于監測教學目標達成效果。評價內容應趨于多元化，增加對信念與態度方面的關注。另一方面，可以從計算思維的測量量表和測試平臺的研究上尋求突破，開發可靠嚴密的測評工具，或者針對具體學科開發計算思維的測評量表，使評價更具有針對性。