計算思維教育的多元理解

》 張進寶

北京師范大學教育學部副教授，教育技術專業、科學與技術教育專業碩士生導師。北京師范大學科學教育研究院院長助理，兼任中國教育學會中小學信息技術教育專業委員會副理事長，國際計算思維挑戰賽中國區主席。曾任教育部教育信息化技術標準委員會委員、教育部教師教育信息化專家委員會秘書、全國科普專門人才培養專家委員會副秘書長、世界銀行學院培訓數字化學習兼職教員，北京師范大學計算思維教育研究中心主任，北京師范大學3D打印與學生創新能力發展研究中心主任。

》 魏 寧

北京市東城區教育科學研究院研修員，《中國信息技術教育》雜志特約撰稿人/專欄作者。

計算思維教育的概念之辨

魏寧：張教授您好，近年來，計算思維已經逐漸被國內外教育界同仁接受與認可，成為面向未來的學生必備素養之一。與此同時我們也看到，在《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中，計算思維都被列為學科核心素養之一。培養學生的計算思維已經成為當前信息科技教育的熱點問題，計算思維教育勢在必行。

開展計算思維教育，首先要明晰計算思維這個概念的本質和內涵。目前我們所熟知的計算思維概念，源自2006年時任美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真發表的文章，通俗地說計算思維就是“像計算機科學家一樣思考”。后來周以真本人又對計算思維的概念進行多次完善，目前引用率最高的定義是她在2010年修訂的表述：計算思維是在表述問題及其解決方案時所涉及的思維過程，確保解決方案的表征形式可被信息處理代理有效執行。

我國頒布的義務教育及高中課程標準，對計算思維的界定是“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”，其中包括了抽象、分解、建模、算法設計等。可以看出，周以真最初對計算思維的界定更多的是從計算機科學的角度出發，提煉和總結出的計算機科學家的思維過程。而在計算思維被引入教育領域后，對其的理解必然要更具普適性。

對計算思維的概念的準確把握是開展計算思維教育的必要前提，您是如何理解計算思維這一概念的演變的？

張進寶：很高興有機會借雜志這個平臺，與廣大中小學信息科技（技術）教師一同探討計算思維教育這個話題，計算思維教育是當下基礎教育的熱點話題，作為一名研究者，我也明顯感受到了這種氛圍，并深感責任重大。

理解計算思維的定義是有效開展計算思維教育、培養學生計算思維的基礎。但人們對這一概念還缺乏系統的梳理、分析，學界對這一概念的關鍵要素也未能達成共識，這都會影響到計算思維教育的實踐。因此，我們還是有必要對計算思維這一概念再做一番解析。

其實，我們可以從不同視角理解計算思維這一概念，先說第一個視角—計算學科視角。計算思維最初的界定就是從計算學科視角出發的，如我們熟知的周以真教授在2006年的界定，認為計算思維是計算機科學家運用的思維方式，包括問題求解、系統設計和理解人類行為等，以及您上面提到的她在2010年給出的經典定義。

不難看出，從計算學科角度出發界定計算思維，包含了諸如抽象、自動化、表征、模型、建模等大概念，更多地屬于計算學科的相關范疇，但卻不能完全涵蓋人們的日常生活經驗。這類從計算機科學角度總結和形成的計算思維核心要素，難以轉化為教育界的實踐行動。

在2006年周以真教授發布計算思維的概念后，多數學者認為，計算思維應該具有廣泛的適用性，也就是每個人都能具備計算思維并從中受益。這就帶來了第二個視角—普適化視角，在教育領域中，當我們從人人都需要的基本技能或者學生的一項關鍵能力出發來界定計算思維的時候，實際上已經從普適化的視角對計算思維進行了解讀。

當然，兩種視角對計算思維的不同理解，也會導致一些爭議。特別是，計算思維越來越被看作每個學生都應掌握的能力，以及技術普及帶來的計算思維教育低齡化、全員參與的特征，也被一些學者所質疑。如有學者認為，計算思維有助于每個人，并不符合事實；而多數學科（如數學、歷史、化學等）在尚未宣稱計算思維是自己學科具備的獨特思維方式時，更加難以認同“人人都應具備計算思維”這一口號；隨著計算思維教育的開展，對于將越來越多的內容“塞入”計算思維中，也被質疑是在背離計算思維的初衷。上述質疑無疑值得每一個從事計算思維教育的人思考。

計算思維教育的理念之思

魏寧：剛才我們聊了計算思維概念的演變，我想，計算思維畢竟是一個全新的概念，我們現在也依然處于它的發展初期，對概念本身的討論還將延續下去，但這似乎并不影響計算思維教育實踐的開展。近年來，伴隨著計算思維被列為中小學信息科技（技術）課程的學科核心素養，對學生計算思維的培養受到了廣泛重視。在信息科技（技術）課程，以及學校的其他相關課程、活動中，計算思維教育日漸普及。

在當前中小學計算思維教育如火如荼、蓬勃發展的大背景下，一線教育工作者還存在著若干困惑和迷茫，計算思維教育在基本理念、內容、方法上也還有待建立更廣泛的共識，您如何看待計算思維教育開展過程中的這些現實問題呢？

張進寶：近年來，我們都能明顯感覺到中小學計算思維教育的熱度，有關專家和廣大一線教育工作者對計算思維教育的思考和探索值得肯定，也卓有成效。特別是隨著信息科技（技術）課程標準對計算思維培養的強調，并將其列為學科核心素養，更是推動了計算思維教育的大力開展。

但是，作為一個新興事物，中小學計算思維教育仍處在發展期，在熱潮之中也面臨著不小的挑戰。

首先，計算思維教育有賴于良好的課程與教學體系的構建。理論上，這個體系包含了對各學段學生計算思維發展水平與能力績效、教學內容與教學活動、設備與技術、教學資源與教學工具、教學評價標準、教學支持服務體系等的系統定義，并且要以豐富的研究成果為依托。客觀地說，不只是在國內，就是發達國家要完成這一體系的構建也頗有難度。在現實中，課程與教學體系的缺失，進一步放大了教學時間有限、師資條件不足等困難。

其次，計算思維教育的開展有待于對若干關鍵理念的厘清和形成共識。目前，還有不少一線教師對涉及計算思維教育的一些關鍵理念尚不清晰且認識偏差較大，這也需要時間來推動建立基本共識，如計算思維教育與問題解決能力之間的關系、計算思維教育與編程教育之間的關系等，都需要進一步厘清。從計算學科角度出發界定計算思維，包含了諸如抽象、自動化、表征、模型、建模等大概念，更多地屬于計算學科的相關范疇，但卻不能完全涵蓋人們的日常生活經驗。

魏寧：您如何理解計算思維教育的基本理念？

張進寶：我們剛才提到了周以真提出的計算思維概念，這一概念一經提出，就得到了計算機科學教育工作者的普遍響應，但在計算機科學界以外，卻沒有得到太多的關注。計算機科學界認可的“計算思維”，本質上是一種專業思維，而非通用思維。但隨著科技的發展及其對人類產生生活的巨大影響，人們越來越多地期待能夠更好地理解計算在整個社會中的作用。世界各國的教育管理者逐漸認識到，應該采取及時和靈活的政策，促進計算思維教育的普及，并且越早越好。在此背景下，人們更期待在基礎教育中開展計算思維教育，而不是傳統意義上的計算機科學教育。

計算思維教育有兩種典型的理念。第一種，是將計算思維教育看作“教授思維”的教育。早在半個世紀以前，著名的計算機科學家西蒙·派珀特就提出兒童通過編程控制計算機可以產生應用知識的感覺，并自信地把自己想象成智能代理人。此后，他更是通過自己發明的LOGO語言試圖幫助兒童改變思考方式，構造有意義的產品，從而建構自己的知識。“教授思維”視角下的計算思維教育關注的焦點是“學習的重點是否為引導思維的發展”。今天，隨著技術的不斷進步，“教授思維”理念下的計算思維教育也有了更加多樣化的選擇。但它的一些基本認識仍然不變，如認為計算思維的過程是“像計算機科學家一樣思考，解決現實世界的問題，能夠系統識別現實生活中的問題，并將其表述為計算解決方案”，計算思維的關鍵點至少包括抽象（策略與方法）、算法（思維）等。

第二種，是將計算思維教育看作“增強信息社會公民能力”的教育。正如Peyton-Jones在2014年所說的，“為什么我們要求每個孩子從小學開始學習科學？這是因為科學教會了我們一些關于周圍世界的知識，如果我們對周圍世界的運作方式一無所知，我們就是被剝奪了權利的公民”。而計算思維教育就是一種了解周圍世界知識的教育，它的主要目標應包括：應用計算思維解決現實世界的問題；讓學生成為“有責任心的消費者”，能夠參與圍繞技術展開的倫理道德討論等。

我們不妨橫向對比一下這兩種計算思維教育理念的異同。“教授思維”理念下的計算思維教育體現了一類計算機軟件涉及的心智習慣與準則，更強調通過廣泛的編程實踐來培養計算思維，關注設計與制作軟件的技巧，如分解、抽象等。而“增強信息公民能力”理念下的計算思維教育針對形式化的問題，使其解決方案可以被表示為可計算的步驟，更強調計算思維是一個概念框架，有助于編程，關注的是一整套問題解決的概念，如表征、分治、驗證、邏輯推理等。

進一步分析這兩種理念，我們可以看到，當周以真提出計算思維概念時，Facebook和Twitter才剛剛推出，而智能手機的出現則要等到一年后，當時人們還將計算思維教育的目標定位在“為計算機科學與技術領域輸送更多人才”上，這種專業性的目標定位有著鮮明的時代特征。

但隨著時間的推移，情況發生了很大的變化。計算思維教育依然保持著專業思維的特色，發揮著專業思維的作用，但與此同時，越來越多的學生需要擁有計算思維，通過一種思維方式的力量，加深我們對周圍世界、對社會、對日常生活的理解。“教授思維”理念下的計算思維教育體現了一類計算機軟件涉及的心智習慣與準則，而“增強信息公民能力”理念下的計算思維教育針對形式化的問題，使其解決方案可以被表示為可計算的步驟。

魏寧：剛才張教授您為我們介紹了兩種理解計算思維教育的不同理念，在我看來，“教授思維”理念更像一種專業化的視角，而“增強信息公民能力”理念則更加大眾化。當然，隨著時代的發展，特別是技術的突飛猛進，我想，在現實的教育實踐中，并不是簡單的“兩分”的，不同的理念往往會交織在一起，并不斷發展和突破。

張進寶：計算思維教育發展到今天，對于上述兩種典型的教育理念而言，其實已經實現了某種意義上的超越。

比如，計算思維教育的目標已不再是單純地培養計算的消費者，而是培養計算的創造者，相應地，教學目標正在由“工具論”轉向“創造論”。

計算思維教育的途徑也不再只有編程學習，而是針對綜合性的問題解決能力的培養，相應地，教學重點從語法學習與運用，轉向了算法的理解與構造。

計算思維教育的評價從對作品的追求，轉而更看重方案構造，因為作品不是計算思維教育的最終形態，對有邏輯性的方案的探索才是第一位的。

計算思維教育的涵蓋領域已經超越了傳統的計算機科學范疇，進入到了全部學科，正在拓展到數學、科學、工程、語言、藝術等學科領域。

計算思維教育的形態已經超越了實質教育，進入形式教育，這意味著計算思維教育正從知識本位，轉向學生思維本位。

魏寧：從超越的視角出發，您如何理解計算思維這一能力的關鍵點？

張進寶：站在今天，以我自己的理解，如果我們把計算思維看作一種學生的能力，那么，這種能力一定是分析性思維、系統性思維和設計思維的綜合。它表現出的是一種以問題為導向、以數據為基礎、以邏輯為指令的多種思維綜合運用的過程。

計算思維一定要基于真實的問題世界，同時，問題解決的過程不僅要依靠知識，還有賴于上面提到的多種思維的綜合。

對于計算思維的培養，在宏觀上，需要在對學科相關科學思維與方法進一步邏輯化的過程中，滲透計算模型、計算過程思想；在微觀上，需要養成良好的思維習慣—對象、指令、規則、流程、模塊、系統等。計算思維的培養并不是信息科技（技術）學科所獨有的，它應是各學科協力完成的。

計算思維教育的實踐之問

魏寧：實踐中的計算思維教育呈現出豐富的樣態，不論教學內容還是方式都是多樣化的。首先，從思維培養的角度來看，計算思維既然是一種思維，就應注重思想方法的培養，在這個過程中，各種信息技術充當了助力思維形成的工具。其次，對于思維培養來說，信息技術工具，特別是先進的技術工具也并非不可或缺。

張進寶：是這樣的。不論是“插電”的方式，或者“不插電”的方式，都可以學習并掌握計算機科學的核心概念與方法，培養抽象與邏輯思考、系統化思考等計算思維的核心品質。

例如，誕生于歐洲的國際計算思維挑戰賽（Bebras），就將抽象的信息科學題目具體化，以日常生活中遇到的情境作為背景，呈現家庭生活、團體合作、工作領域的具體任務，使那些沒有受過計算機教育的學生也能利用已有知識，通過邏輯、歸納、推理、運算的運用解答題目，在不知不覺中發展自己的計算思維。這很類似解謎推理的方式，更能激發學生的興趣，減少學生對計算機科學的畏懼感。

另外，如果我們了解幾十年來編程語言的演變，就會發現，早期枯燥難學的編程語言，正在逐漸被圖形化、低門檻的編程語言替代。相對于早期的編程語言，現在的很多針對低年級學生的編程語言，已經非常接近自然語言了。這體現了計算思維教育淡化技術難度、聚焦思維發展的大趨勢。

魏寧：從更加廣義的角度來看，計算思維的培養并不是信息科技（技術）學科所獨有的，它應是各學科協力完成的。在各學科教學中，我們如何融入計算思維教育呢？

張進寶：計算思維教育并不只是通過信息科技（技術）學科來實現的，各學科都肩負著這一使命。在每個學科的教學中，當我們從知識傳授的過程轉向問題解決的過程時，實際上就是在向學生滲透計算思維。這里面，問題的情境可以是日常生活類的情境，也可以是學科應用類的情境，還可以是科學探索類的情境。問題的任務類型可以是分析與建模類、構造解決方案類或者探索性實踐類。

在具體學科中開展計算思維教育，還要注意學科方法的形式化與計算化。在科學類學科中，注重實驗仿真，探索多因素下的動態變化；在社會科學學科中，注重虛擬社會性實驗。總的來說，需要體現一般的問題解決要素：抽象、分解、建模、模式識別、自動化、模塊化、例外處理、排錯、通用化等。

魏寧：自計算思維教育開展以來，編程始終扮演著重要的角色。您如何看待編程對計算思維教育的價值與作用？

張進寶：在實踐中，提到計算思維教育，總是離不開編程。特別是，在過去十多年中，基于塊的編程語言（如APP Inventor等）的出現，為學生創造了使用圖形拖放界面原創應用程序的機會，這些界面對于那些幾乎沒有編程背景的人來說也很容易操作。即使在小學階段，學生也有機會通過計算來鍛煉創造力和個人表達能力，編程在計算思維教育中所處的中心地位正是老師們熱衷于討論的。

在專家們看來，編程對于計算思維具有重要意義。研究表明，編程作品實現了思維外化，提供了檢查、測試、反思與回顧思維的機會。

從面向未來職業的角度看，編程已經成為一種必要的計算與技術素養，專注于編程學習，將有助于學生未來的工作，對于定位自己、塑造未來具有重要意義。

從提升能力、素養的角度看，編程活動給學生帶來了創造力、自我表達、自我成就、身份認同等，同時讓學生感受到成就感、獨立性等。從面向未來職業的角度看，編程已經成為一種必要的計算與技術素養。所有這些，對計算思維的培養都具有重要意義。

魏寧：在教學實踐中，雖然老師們普遍認為編程有助于學生計算思維的培養，但對編程與計算思維之間的內在關聯似乎并沒有過多的思考。一般來說，人們總是覺得編程與計算思維存在著天然的聯系，但編程究竟是如何影響計算思維的呢？

張進寶：我對這個問題的理解大概有以下幾點：

編程學習可以培養邏輯思維和解決問題的能力，如早期進行的LOGO語言學習。編程學習還給學生帶來了“復雜的、循環的、模棱兩可的、多元的、社會的、生長型的”思維方式，主要依賴于想象力和創造力，從而發展計算思維。

編程學習有助于對過程的理解，任何對理解過程有需求的人，都需要理解編程。善于編程的學生往往數學學習也較好，因為編程為理解數學思想提供了一種不同的、動態的符號，而這些都是計算思維的基礎。

編程可以提供一種表達想法、與他人交流、探索想法的新方式，它可以成為一種日常技能，從而影響人們的思考和交流方式，通過編程，培養的是一種全新的素養。在素養這個層面上，它與計算思維是相通的。

編程能夠讓人們就技術對生活的影響不停地進行追問，因為算法并非天然客觀，程序員的偏見可能會影響他們的判斷，了解到這些，將豐富對計算思維的理解。

此外，編程可以為學生提供表達興趣、鍛煉能動性的契機，可以讓學生將編程與感興趣的事物聯系起來，分享自己的作品并且關注他人的作品，所有這些，都有助于計算思維的培養。

魏寧：剛才我們提到了編程對計算思維教育的重要性和它的意義，對于編程，我們是否也有應該反思和進一步探索的地方？

張進寶：編程被廣大教師所認可，它對計算思維教育的意義不言而喻。但與此同時，我認為，對于編程，我們必須始終持有理性的態度。大體上，我們可以從幾個角度對編程展開反思。

從社會視角來看，我們有責任要為學生考慮，如何為未來世界做好準備。但是，我們能否依據現在還不存在的技術設計學習體驗？如果未來編程變得不重要了，怎么辦？同時，我們的教育也有責任讓學生做好準備，為改變今天的世界做出貢獻。例如，讓學生避免重蹈當今各類技術應用中出現種種問題的覆轍，實現多樣性、公平與包容，特別是在關乎科技倫理的問題上，為此，我們做好準備了嗎？

從學校視角來看，編程所培養起來的能力，是否可以遷移到其他學科？由于缺少嚴格意義上的證據，目前對這一問題的回答尚未取得共識。此外，對于整合模式的探索，更多還是因為信息技術課時不足所導致的，而學科整合對任何教師來說都是一項具有挑戰性的任務。

站在現實角度，由于課時的限制、教師的專業準備、評價目標的模糊等都會影響到編程教學的開展，編程教學的良性發展依然需要我們的不斷努力。在人工智能時代，我們更需要的是，提升每個學生個體的智能，它的本質是提升人解決問題的思維品質與實踐能力，終極目標是發展人的智慧，以更好地應對人工智能時代的到來。

魏寧：近年來，人們已經越來越感受到了人工智能帶來的沖擊，改變了人們的生活、工作，也改變了教育。我們無疑正在進入人工智能時代，這樣一個時代的教育具有鮮明的智能教育特征，在人工智能時代乃至智能教育的大背景下，我們是否應該重新審視計算思維教育？

張進寶：在人工智能時代，狹義地講，我們要大力開展人工智能教育，傳授人工智能技術，提升學生的人工智能素養。但從更廣義的視角來講，我們更需要的是，提升每個學生個體的智能，它的本質是提升人解決問題的思維品質與實踐能力，終極目標是發展人的智慧，以更好地應對人工智能時代的到來。這樣的智能教育堅守了以人為本的核心理念，體現出了教育的人文關懷。

如果我們認同這一理念，認同人工智能時代的教育指向的是人的智慧發展，那么，計算思維對于人工智能時代的教育就具有重要的意義。首先，高質量、高效率的思維能力培養是智能教育的核心靈魂。因為思維是智能的核心成分，人工智能時代的教育除了積極運用數字技術支持個體的智能發展外，還要引導學生有意識地理解蘊藏于計算機科學中閃光的思維方法，如計算思維，從而實現一般思維教育與智能教育的有效銜接。

我對人工智能時代的教育給出了一個界定，即“培養學習者系統掌握和運用各種思維與技術工具，通過人人或人機合作模式，實現對外部世界（實體的或虛構的）與問題情境的形式化表征，在符合價值觀與倫理道德的前提下，實現智能信息處理、構造智能解決方案和開發系統，是個體智能發展與智能技術實踐相融合的跨學科開展的創新教育過程”。

在這樣一個界定下，重新審視計算思維教育，我們就會發現，當今人們越來越多地依賴以人工智能技術為代表的新一代信息技術工具作為分析和解決問題的主要手段，在此過程中，最重要的不是如何解決問題的具體技術或技巧，而是把問題轉化為能夠用人工智能解決的形式，而后才是有效運用各種技術構造解決方案。這一素質正是計算思維所強調的內容，因此，在人工智能時代，學會使用計算思維的基本方法來解決問題，遠比學會某項解決具體問題的技能更為重要。

當然，廣義的智能教育不僅包括計算思維教育，還應整合設計思維、工程思維、數學思維等其他領域的思維。

魏寧：最后，關于計算思維，您還有什么想要表達的？