計算思維的培養

編者按：21世紀是知識經濟與信息技術高速發展的時代，數字技術無處不在，特別是隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等技術的快速發展和普及，現實世界和虛擬世界不斷滲透融合，數字化和計算化逐漸演變成為現代社會的基本形態特征，對計算思維的應用需求越來越廣泛。信息技術課程已經成為我國K-12基礎教育階段必不可少的組成部分，計算思維不僅是信息技術學科的核心素養之一，也是信息技術學科素養培養的著力點。該文闡述了計算思維的內涵和特征，說明了計算思維在信息技術學科中的重要地位，并且結合當前我國信息技術課程教學現狀，歸納總結了在信息技術課程中培養學生計算思維的方法策略，以期對信息技術課程改革的研究提供一些借鑒。

前言

現代科技的飛速發展不斷改變著人們的生活方式，也逐漸轉變著人們的認知結構和思維特征。隨著社會數字化和計算化程度的日益加深，計算無處不在。利用計算機等數字工具拓展人類思維、處理日常事務是“數字公民”必不可少的一項基本素質。隨著信息技術逐步融入社會生產生活的各個方面，計算思維作為一種信息化的問題解決能力，與人類社會的發展需求相適應，將會融入人類活動的各個環節之中。培養和提升學生的信息素養是目前信息技術課程的目標，計算機教育是高科技時代的必然要求，跟語文、數學、外語一樣，是一種知識性和技能性相結合的基礎教育，現階段信息技術教育在我國中小學已經得到普及，信息技術已經列入中小學生的必修課程。中小學信息技術課程的內容以計算機和網絡技術為主，其核心思想是計算思維，是培養中小學生計算思維最直接的方法之一。

然而在信息技術課程中對中小學生計算思維能力進行培養，目前還處于探索階段，教學設計以及學校軟硬件資源等也都還沒有明確的標準，而且現階段對計算思維培養的研究，大部分還停留在理論階段，有的僅僅是在課堂中引入了計算思維，對計算思維的培養仍然缺乏科學的體系單擊或點擊此處輸入文字。。那么探索在信息技術課程中培養學生計算思維的有效途徑，使其既能有效促進學生知識與能力的發展，又能滿足信息社會快速發展的需求，還能促進信息技術課程自身的建設與發展，成為了目前需要深思的一個重要問題，也是本文研究的核心問題。

計算思維的內涵和特征

計算思維的概念和內涵

在科學研究領域，計算思維（以抽象化和自動化為特征）已被看成是與理論思維（以觀察和歸納包含人類社會活動在內的自然規律為特征）、實驗思維（以推理和演繹為特征）并列的三大科學思維方式之一。為滿足國家信息化建設需求，吸引學科人才，激發人們探索計算領域的興趣，2006年，卡內基梅隆大學周以真教授（JeannetteM.Wing）明確提出計算思維的概念，“計算思維是一種運用計算機科學基本概念求解問題、設計系統和理解人類行為的方式，涵蓋了計算機科學領域廣度的一系列思維工具”，2010年，她再次補充定義計算思維是一種解決問題的思維過程，能夠清晰、抽象地將問題和解決方案用信息處理代理（機器或人）所能有效執行的方式表述出來。

2011年，美國國際教育技術協會（ISTE）聯合計算機科學教師協會（CSTA）基于計算思維的表現性特征，給出了一個操作性定義：“計算思維是一種解決問題的過程，該過程包括明確問題、分析數據、抽象、設計算法、評估最優方案、遷移解決方法六個要素”。2013年，南安普敦大學的CynthiaSelby博士和JohnWoollard博士提出計算思維包括算法思維（AlgorithmicThinking）、評估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalisation）這五個方面的要素。

當前，國內比較權威的當屬“新版普通高中信息技術課程標準”對計算思維的界定：計算思維是以計算機領域的學科方法界定問題、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，并可遷移到與之相關的其他問題解決中的一種學科思維。

計算思維的特征

綜合已有的研究成果，我們可以這樣理解：計算思維是一種獨特的解決問題的過程，反映出計算思維的特征與價值。

計算思維實質上是一種可以靈活運用計算工具和方法求解問題的思想方法或思維活動，它的價值不僅體現在能有效地克服知識鴻溝、搭建跨學科的對話橋梁，更為重要的是它對促進人的整體發展和終身發展，具有不可替代的重要作用。計算機科學的基本思想方法。通過計算思維人們可以更好地理解和分析復雜問題，形成具有形式化、模塊化、自動化、系統化等計算特征的問題解決方案。它主要包括以下特征：（1）采用抽象和分解的方法形式化復雜問題，建立結構模型，形成更加高效、可執行的解決方案;（2）運用計算機學科基本概念與工具方法判斷、分析、綜合各種信息資源，強調個體與信息系統的交互思考過程;（3）是一種獨特的問題解決能力組合，融合設計、算法、批判、分析等多種思維工具，綜合運用可以形成系統化的問題解決方案。

基于信息技術學科核心素養培養計算思維的必要性

信息技術（Information and Communication Technologies，ICT）課程是一門順應信息社會發展需求而實施的課程，在促進學生掌握信息技術的基本知識和基本操作、加快信息技術應用的普及等方面起了積極的推動作用。然而，隨著社會信息化水平的快速提升，《普通高中技術課程標準》（內含信息技術課程標準）所確立的信息技術課程價值與課程內容，在課標實施十年之后已經明顯落后于時代發展的步伐。在2017新版《普通高中信息技術課程標準》中，則進一步明確指出：信息技術學科核心素養由信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個核心要素組成，各個部分內容之間既相互聯系，又相互區別，統一于信息技術學科核心素養發展的始終。

信息社會責任是學科素養之上的概念，其強調信息社會中學生品性的培育，使學生在信息道德及責任擔當層面有所發展，是學生發展及其社會化的必然要求，是其他核心要素的歸宿。計算思維將信息社會責任、數字化學習與創新、信息意識牢牢地聯結在一起，形成相互作用的統一整體，構筑信息技術學科核心素養體系，隱含于信息技術學科之中。從以上內容來講，計算思維是信息技術學科核心素養的本質，是信息技術學科核心素養培養的根基。以計算思維為主線進行信息技術學科核心素養的培養，一是凸顯了學科思維，避免多重線索可能引發的混亂;二是運用計算思維解決問題的活動中，其他核心素養也得以滲透其中，并與計算思維一起共同支撐起學科育人價值培養的使命。在這層意義上來講，計算思維是信息技術學科核心素養培養的著力點。

計算思維能夠反映計算機科學的核心概念與思想，但它并不僅僅適用于計算機科學領域。周以真教授認為：培養學生的問題解析能力時，我們應當使每個學生不僅掌握閱讀、寫作和算術，還要學會計算思維。計算思維淡化專業方法實現，強調運用計算概念、方法解決問題的思維過程，面向更廣范圍的需求，是幫助人們理解計算本質和計算機求解問題核心思想的最佳途徑，亦是數字公民的一項核心素養。周以真倡導了類似的觀點：一個人可以主修計算機科學，然后從事任何行業，例如醫學、法律、商業、政治，以及任何類型的科學和工程，甚至藝術工作。通過信息技術課培養學生的計算思維，實現一種思維模式的養成和訓練，這是一種基礎性教育。單擊或點擊此處輸入文字。

在信息技術課程中培養計算思維的可能性分析

信息技術課程發展趨勢方面

計算思維已被納入美國CSTAK12標準（2011修訂版）中，英國2013年的新課程計劃、澳大利亞2015年制定的新課程方案都將計算思維作為其新信息技術課程的重要內容。國內，不僅信息技術課程教學理論研究者在強烈呼吁高中信息技術課的教學應超越技術操作，而且處于教學一線的大多數信息技術教師與教研員也表達了類似的觀點與愿望。計算思維理論已經成為信息技術課程變革的理論支點，培養學生的計算思維已經成為世界各國基礎教育階段信息技術課程發展的趨勢之一。

環境建設方面

自2004年《普通高中技術課程標準》實施以來，各地學校想方設法加大了信息技術環境的建設力度，為信息技術課程的實施創造條件。根據教育部2013年新春新聞發布會發布的數據，我國高中100%開設了信息技術課程，且信息技術課的實施環境得以持續改善。

師資建設方面

高中信息技術課教師的規模和專業知識技能都有了大幅提升。截至2010年底，全國共有高中信息技術課專任教師3.8萬人。2012年教育部普通高中信息技術課程標準實施情況調查結果顯示，絕大多數高中信息技術課教師具有相關的專業背景，大學所學專業為計算機、教育技術和數學的比例達到了90.9%。

在適宜課堂上學生使用的開源軟硬件方面

各種資源與產品日漸豐富，甚至有的是專門為提升學校信息技術課程教學而開發。在硬件方面有樹莓派、SwiftBoard等，軟件方面有Scratch、Python等適合學生易學易用的編程工具和語言。這些軟硬件產品的特點是使用者不必關注各種技術細節，而是集中精力進行問題解決方案的分析、設計與邏輯驗證，為實現計算思維的培養奠定了良好基礎。

在信息技術課程中培養學生計算思維的策略

充分利用計算環境，構建注重“能力”的課程評價體系

設計與課程內容相適應、可操作性良好、有效的能力評估方法，是實現課程目標的重要保障。目前，我國中小學階段普遍使用的學業評價方式是標準化測試，如多選題、簡答題測試等。結合計算思維能力培養的特點，課程考核方式應以“能力”為主，建議從項目實踐和原理理解兩方面構建評價體系，綜合評估學生的思維水平，開發更多“非傳統”的測量。如績效任務和學生小組任務，可利用具有豐富性和創造性的計算環境，在課程配套實驗方案中提出技能方面的要求，適當安排設計項目，提升學習者的興趣和成就感。如學生可以在平臺中創建游戲、應用程序和模擬程序，這些環境可以收集數據、分析成果，并向學生和教師傳達進度。除了重視編程能力的評估，也需注意學生對計算機科學其它方面的原理理解，評估的時候需要同時兼顧多個概念。

探索多種信息技術課程實施途徑

我國大部分地區中小學的信息技術課程實施途徑單一，因此，在一些條件允許的地區開展信息技術教學時要探索多種課程實施途徑。小學、初中、高中分別對計算機科學進行基本接觸、適當接觸和深入接觸。具體來說，小學計算機科學可以融入一般的學科課堂，如當學生制作數字音樂、動畫等藝術作品時，可融入計算系統的概念和框架，也可將其作為一個特殊的學科（類似于音樂、藝術和體育），學生通過專門的課程學習計算機科學;在初中，可將計算機科學納入數學和科學課堂，使用視頻游戲編程的方法講授諸如畢達哥拉斯定理、距離公式等主題，也可作為特定年級一學期或一年的課程;在高中，計算機科學可以作為大學入門課程、AP計算機科學課程（提供給高中生獲得大學計算機課程的大學學分）、特定課程、網絡安全、游戲設計或智能技術等專業課程，也可以在不影響其他科目教學時間的情況下獨立設置計算機科學課程。

增強教學工具軟件的趣味性

國內傳統的計算機學科教育在追求嚴謹、科學等目標的時候，忽略了對初學者非常重要的詼諧有趣、直觀明了、可操作性良好的實踐活動和教學工具的設計。如我國信息技術教學長期使用Logo、Java、VisualBasic等程序設計軟件工具，對低齡學童而言不僅難度較大、趣味性不足，而且理論知識抽象難懂，很難引起學生學習的興趣。近幾年來，Scratch、Audrino等工具開始出現在江蘇等省市小學信息技術教材中，但就全國而言，普及面尚不廣泛。我國信息技術教育應該通過課堂實踐驅動編程工具的使用，培養學生的計算思維，豐富中小學信息社會學課程資源與工具，改善學習方式。在實踐中，注重培養學生解決基礎問題的能力，幫助其更好地理解計算思維在生活中的作用，同時也能應用到其它學科和興趣課程中。

結束語

計算思維如同閱讀、寫作和算術一樣，是信息社會學生解析問題的一種普適的基本能力。培養學生的計算思維，有助于學生養成以信息技術的視角思考問題解決方案的思維模式。面向學科思維的信息技術課程教學中要避免信息技術學習的重復記憶和機械應用，要在學生掌握信息知識與技能的基礎上，引導學生用信息技術學科思維全面認識和思考這個復雜的信息化社會，作出科學、專業的信息化判斷，讓學生更好地在信息化社會中生存、創新與發展。

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作者簡介：吳貝嘉（1995—），女，漢族，河南南陽人，研究生，云南大學，研究方向：教育大數據。