計算思維培養：來自實踐的觀察與思考

魏小山 等

》 魏小山

廣東省珠海市教育研究院信息技術教研員，中學信息技術高級教師，珠海市名師，廣東省中小學信息技術學科帶頭人，廣東教育學會中小學信息技術教育專業委員會副秘書長，廣東省中小學“百千萬人才培養工程”名教師培養對象，廣東省骨干教師培養對象，珠海市名教師工作室主持人。

》 楊 偉

山東省濱州市第一中學高級教師。山東省初中信息技術新教材分冊主編，國家高中信息技術新教材教參編者，濱州市信息技術兼職教研員，濱州市教學能手。主持國家、省市課題多項，發表教育教研論文三十余篇，出版科創類專著一部，參編科創類教材三部。

》 武 健

北京市和平里第九小學教學主任。北京市、東城區優秀電化教育工作者。曾任教育部全國中小學計算機教育研究中心兼職教研員、中國教育技術協會信息技術教育專業委員會常務理事。個人主要研究方向：綜合課程建設、信息科技教學論等。在《中國電化教育》《人民教育》等核心期刊發表論文五十余篇，主編、參編信息技術教材六套。在國內首先提出“生活算法”、信息工具等研究方向，推動技術課程向信息科學方向發展。

》 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。

實踐中的計算思維—價值認同

主持人：對于信息科技（技術）教師而言，計算思維是學科的核心概念，它反映了計算機科學領域的思想方法，體現了學科本質。在《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中，計算思維都被列為核心素養之一。

在中小學信息科技（技術）教學實踐中，培養學生的計算思維已成為課程的重要任務。面對一個全新的、尚處于發展中的概念，廣大一線教師是否做好了準備？計算思維培養的核心要點是什么？在實踐中有哪些好的經驗？本期對話，我們邀請了三位資深的一線教師和教研員，和大家一起分享對上述問題的思考。

魏寧：這些年，在和一些一線教師的交流中，大家普遍認為，計算思維的提出，讓信息科技（技術）課程找到了學科的核心，也讓教學實踐有了一個支點，幾位老師是如何看待計算思維這一學科核心素養的呢？

武健：計算思維被列為信息科技（技術）學科的核心素養，是學科發展的一個重要進步。通過幾年來的教學實踐，老師們已經意識到了計算思維對于課程的重要性，嘗試在課程中培養學生的計算思維，并且形成了一批有價值的案例，積累了寶貴的經驗。

隨著計算思維的熱度持續升溫，相信未來若干年，計算思維都會是信息科技（技術）課程的核心話題之一。

楊偉：新課標頒布后，老師們普遍的反饋是，高中信息技術課程變得有“魂”了，之所以能夠有這樣的說法，我想是得益于“計算思維”這一核心概念的提出，解決了信息技術學科發展中的一個根本性問題—無法準確錨定學生學科思維的基本起點。具體來說就是，我們的課程究竟要培養什么樣的學生，或者從哪里開始培養學生。從這一點出發，將“計算思維”這一核心概念定位成信息技術學科的核心“靈魂”并不為過。

魏寧：如果從周以真提出計算思維這一概念算起，到現在不過17年的時間。相對于一些經典概念，計算思維只能算是一個新興的概念，它的定義、特征、要素等也還在不斷地討論、完善中。計算思維這一概念的演變、發展，對一線教師的教學實踐是否會產生影響呢？

武健：計算思維是一個發展中的概念，這確實會給一線教師的教學實踐帶來一定的困擾。嚴格來說，想要培養學生的計算思維，首先要明晰計算思維是什么，然后還要了解培養學生的計算思維應該怎么做，我指的是帶有操作程序性質的具體行為描述，能夠體現出實踐的流程性，只有將計算思維這個概念“拆解”到這個維度，才能在課堂上實施。

魏小山：關于計算思維本身的定義、特征、要素，學術界尚未形成共識，依然需要進一步研究與探討。計算思維在學理上未臻完善，反映到教育實踐中，也會給計算思維的培養帶來一些有待深入探究的問題。

例如，計算思維的過程到底包含哪些要素？這對于計算思維的培養具有指導意義。如果把要素細分下去就會發現，無論是高中階段的信息技術課程標準，還是義務教育階段的信息科技課程標準，在內容要求、學業質量水平、計算思維素養水平、計算思維學段目標、計算思維學段特征等方面，均沒有形成知識與思維內在統一的、能夠體現計算思維本質特征的核心知識集。不同教材對課標的解讀也不盡相同，以至于教師難以對計算思維教學內容進行把握，更難以對計算思維進行評價。

天津師范大學馮友梅團隊提供了一個解決方案，從K-12階段信息技術學科的上游學科—計算機科學與技術學科中尋找要素提取的線索和依據，提煉出體現學科本質特征的計算概念和計算策略，其中，計算策略維度共包含13個核心要素，分別是“分治”“減治”“變治”“封裝”“重用”“可視化”“迭代”“統籌”“折衷”“貪心”“蠻干”“回溯”“動態規劃”，如“信息系統自頂向下的開發過程”“遞歸算法”“網絡體系結構”等都內含分治策略，“折半查找算法”“快速排序算法”等內含減治策略等。

魏寧：在教學實踐中，對于教師而言，對計算思維這一概念的理解以及對如何培養學生計算思維的認識，是否也經歷了一個逐步發展和深入的過程？

楊偉：據我的觀察，在教學實踐中，老師們對計算思維這一概念的理解經歷了一個從“編程為王”到“素養養成”的螺旋式認知發展過程。

在計算思維剛提出的一段時間里，很多教師習慣性地對教學內容附加編程性任務，而不管教學實際需要與否，也不管學生學習能否接受，似乎不這樣做就不是全新意義上的信息技術課堂，就沒有達到培養學生計算思維的應有效果。編程活動普遍化的后果是造成學生在課堂學習中產生一定的挫折感，也容易使學生形成學習編程就是培養計算思維的刻板印象。

從2020年至今，經過新課標的普及式培訓學習之后，老師們漸漸明白了計算思維是一種學生數字化能力和數字化素養的基本養成方式，從哲學上來說屬于方法論的范疇。而之前我們過于關注的編程教學，只是計算思維培養目標下的一種實現方式和手段而已。通過對近一段時間各地賽課活動的案例分析，可以看出，老師們的教學思路已經從“凸顯編程能力”逐漸地向“計算思維素養養成”邁進了，這是一個值得慶幸的改變。

我們還是要牢記《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中有關計算思維的描述，其中反復提及的“思想方法”“思維活動”“形成……方案”“遷移”等關鍵詞匯，是課堂中實踐計算思維的真正落腳點。

魏寧：我想，對于很多信息科技（技術）老師來說，首先需要自己能夠準確地去把握，才能在教學中去培養學生。

楊偉：培養學生的計算思維，教師首先要有計算思維意識，在教學實踐中，可以先從下面兩點做起。

第一，更新教學思維習慣，將信息科技（技術）學科思維變成教師教學邏輯中的底層思維。

面對長期形成的教學思維和教學習慣，教師需要一場“自我革命”，改變自己教學邏輯中最底層的部分，即厘清學科的核心目標是什么、要培養什么樣的學生。

教師需要的是信息時代的底層運作機制和思維方式，計算思維是信息科技（技術）背后的科學邏輯和思維方式，如何利用這種思維方式進行學習、工作和生活？這才是應該真正在課堂中賦予學生的學習財富。

第二，轉變教材使用方式，將教材中以知識為中心的模式變為去知識中心化的模式。

在義務教育階段的新教材出臺之前，教師如何利用現有材料進行課堂重構，實現“去知識中心化”的素養養成模式？這種教學能力目前尚不能為大多數一線教師所掌握。如何形成一種簡潔、明快、可復用的教學實踐模式，提供給老師們做新舊教材之間的教學過渡，進而形成計算思維課堂的雛形，還需要繼續思考和實踐。

其實，對這兩個問題稍加思考就會發現，兩者其實是相互依賴的，只有改變自己，才能有動力和能力去有效地用現有教材進行全新的課堂設計，進而才能夠使培養計算思維的教育在課堂中開花結果。

實踐中的計算思維—核心要義

魏寧：各位剛才提到了計算思維本身存在的一些待完善之處，以及教師對計算思維認識上的變化，對于在課堂上培養學生的計算思維，又該抓住哪些核心要點呢？

武健：對于計算思維的培養，我覺得老師們應該抓住“問題解決”這個核心要點。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》在“課程理念”部分，明確提出了“以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用過程、計算思維過程和數字化工具應用過程，建構知識，提升問題解決能力”。在課程標準中，課程理念是先于課程目標提出的，換言之，課程目標要反映課程理念。

由課程理念可知，計算思維能力的培養要依托真實的問題解決過程，并且其最終目標是為了問題的解決。我覺得這是老師們在教學實踐中要始終牢記的。

魏小山：計算思維很抽象，確定計算思維的核心要素可以讓老師們在具體實施的時候有抓手。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》對計算思維的定義有很強的可操作性，把關鍵要素進行提取，能形成以下可操作的計算思維實施過程：抽象、分解、建模、設計算法、模擬、仿真、驗證、反思優化、遷移運用。這與通用問題解決路徑的五個方面高度吻合，即確定問題、設計步驟、實施步驟、評估迭代、泛化推廣。所以，我們說計算思維同時也遵循通用問題解決的一般思路，這也印證了，在眾多的計算思維定義中，為什么“問題解決”都是出現頻率最高的詞匯。確定了核心要素，面向問題解決的“問題鏈”設計就變得尤為重要，它將引導學生一步步深入學科思想方法的邏輯底層，不斷演變、迭代，直至思維形成。

魏寧：問題解決是一個過程，看來在計算思維的培養中，還需要老師們更多地關注過程。

魏小山：在培養學生計算思維的過程中，要特別關注計算思維的加工過程。我到學校聽評課時發現，不少信息科技（技術）課堂上，教師在創設情境引出問題，帶領學生識別與理解問題之后，就馬上進入代碼編寫階段。學生還沒理清解決問題的思路，就被老師拽著往前走，原因是教師過于關注程序運行結果或最終作品的完成度，也就是計算思維的結果，而忽視了計算思維的加工過程。

實際上，學生只有經歷了從物理世界到數字世界的問題解決過程，在試錯的過程中找到解決方案，將結果反饋到物理世界，才能領略利用計算機解決問題的精妙之處，才有可能進一步實現泛化和遷移。有時候，這一切卻被“扼殺”在教師直接給出的所謂“標準答案”（算法和程序代碼）的搖籃里了。教師要記住，讓學生親歷問題解決的過程遠比問題解決的結果更為重要，這一點尤其需要在教學設計的環節給予重點關注。

魏寧：對于關注計算思維的加工過程，大家有什么好的建議嗎？

魏小山：對于計算思維的加工過程，最為關鍵的是讓思維浮現，也就是思維的可視化。以前在教程序設計時常用的流程圖就是很好的思維可視化工具，它在計算思維加工過程中依然可以發揮重要的作用。流程圖將學生從識別問題到形成方案的全過程思維顯性化地呈現出來，可以更好地幫助教師和學生理解學習過程中的信息，進而有針對性地進行評價和調整，流程圖是一種非常重要的思維留痕形式，同時也是對思維發展過程進行評價的重要工具。

說到評價就聯想到一個問題：如何對流程圖進行實時和迅速的評價和檢測？這個問題一直困擾著老師們。一個教師面對那么多學生，學生要想得到教師對自己繪制的流程圖的反饋，往往要等到下一節課，評價非常滯后且低效。其實，可以借助一些工具輔助評價，如“畫程”就可以直接編譯運行流程圖并立即得到結果來檢驗算法正確與否，這樣學生不需要依賴教師或同伴的評價也可以自己反復進行調試和優化，大大提高了思維檢驗的效率，使評價更為迅速有效。畫程還可以根據繪制的流程圖自動生成Python代碼，對于代碼編寫存在障礙的學生，還可以借此學習代碼的編寫。

魏寧：“讓思維浮現”是一個很形象的提法，老師們還是需要轉變觀念，計算思維的培養畢竟是學生思維層面的活動。長期以來，信息科技（技術）教師更習慣于操作技能的傳授，而容易忽視思維的養成，如在編程中，大多數教師還是非常在意代碼的編寫，因為這是編程最直觀的體現，但是隨著人工智能時代的到來，人們的觀念似乎也在發生轉變……

魏小山：在教學中，老師們一直有一個困惑，就是是否需要在代碼編寫的規范性上花費過多的時間？編程是把算法翻譯成編程語言的過程，也就是將人類的想法交付給計算機自動執行的一個環節。隨著人工智能自動生成代碼技術的發展，尤其是在生成式人工智能熱潮之下，動動嘴皮子就能讓人工智能進行代碼編寫，只要我們擁有計算思維，即便我們不懂得如何編寫代碼，一樣可以進行軟件開發。在這種情況下，代碼編寫的過程會逐漸被弱化，不會成為計算思維培養的關鍵，培養的重心在抽象、建模和算法設計上。但是，弱化代碼編寫并不等于丟棄編程，畢竟沒有編程就無法進行模擬仿真驗證，沒辦法實現計算機的自動化，無法驗證解決方案是否正確，也無法對解決方案進行優化，更無法實現計算機的規模化效應。因此，編寫程序環節的簡化，是為了減少學生的挫敗感，使其將注意力更多地放在算法設計上。在教學中，可以嘗試采用代碼半成品形式，讓學生完成關鍵代碼的編寫即可。

魏寧：剛才兩位老師都提到了“問題解決”，提到了對計算思維過程的關注。對于計算思維的培養，還要關注什么核心要點呢？

楊偉：如果對比義務教育階段和高中階段的課程標準，就會發現，兩者在“計算思維”概念的描述上大同小異，并且落腳點都放到了“遷移”這個關鍵詞上。

為什么要強調這種能力上的“遷移”？這是因為能力或素養的遷移在很多人身上是存在著障礙的，而且這種遷移上的障礙有的時候純粹是慣性思維造成的。以搜索引擎為例，今天的人們都能熟練使用搜索引擎，對感興趣的問題，可以通過搜索引擎檢索各種專業數據，但是在實際工作中，我周邊的很多人，遇到哪怕是一丁點的計算機故障，第一反應就是給我打電話尋求幫助，其實問題的詳細解決方案在網上比比皆是。這就是沒能夠形成解決問題能力的遷移。

技術學習的目的并非全然是學習技術實踐，更多的部分是學習解決問題的方法，并將其應用到更新的技術學習過程中去。在計算思維的培養中，一定要重視學生學習中的遷移應用，只有這樣，我們才能無懼10年后或者20年后世界的更迭。

實踐中的計算思維—經驗分享

魏寧：剛才我們談到了關于理念的轉變、教學實踐中的核心要素，我想問一下，對于計算思維的培養，各位有沒有好的經驗、做法可以和大家分享？

楊偉：我可以和大家分享一個發生在我身邊的真實事例。

我的孩子最近非常喜歡波蘭球動漫，看得多了總想自己設計劇情，做一個動漫作品，于是就問我實現的方法，但我想動畫設計軟件不是一時半會兒就能學會的，也就沒有特別回應。突然有一天晚上，孩子拉我去看他的一個作品。我驚訝地發現，孩子居然用很久之前學過一點的一款少兒編程軟件制作了一分鐘的動漫作品，并且利用其中的錄音模式和翻譯軟件錄制了多種語言之間的對話，讓整個影片變得生動有趣，最后還用EV錄屏轉變成MP4格式的視頻文件，興沖沖地把視頻上傳到了B站上。

在這個過程中，孩子沒有接受任何人的指導和幫助，這給了我一個很大的啟示：對于學生來說，高品質的課堂設計應該是無形的，有著更多的學習機會和學習方式，更豐富、主動的學習體驗，更確切的學習目標和持續學習的可能性。對教師來說，要從既定的教學經驗和角色中走出來，跳出課堂看課堂，跳出教學看教學。在這個無形的學習過程中，孩子完成了一個任務的階段性分解，分析了每個階段性任務之間的聯系與區別，分別用不同的處理工具和方法逐一進行解決，綜合起來形成較為完善的整體解決方案，最后形成了學習成果的輸出。這個過程不就是計算思維的體現嗎？同時，大家是否感覺到，它在形式上是不是與“項目式學習”高度契合？

魏寧：楊老師分享的是身邊的一個生動例子—孩子自動完成了一個“項目式學習”，同時，這個過程本身也體現出了計算思維的鮮明特征。

楊偉：是的，“將問題分解成大小不同的部分，并逐一處理解決，最終進行歸納總結，以解決整體問題”，這真的是一種讓人受益匪淺的技能。從這個觀點來看，計算思維的理論內核和項目學習策略（PBL）有著天然的近親關系。我們能否利用這種“關聯”合理地設計課堂，讓“計算思維”的培養過程更好地契合孩子們的學習感受呢？

我認為，將“項目式學習”和“計算思維培養”結合在一起，一個作為課堂模型，一個作為課堂目標，能夠真實地解決“課程偏重解決末端知識，而漠視前端學習過程培養”的問題。例如，在傳統教學方式中，孩子們要學動畫，我們總是習慣性地直接教授動畫實現的操作點和知識點，而忽視了學生在學習動畫設計這一學習活動中的學習增量部分。而這個所謂的學習增量，就是基于“學習動畫設計”這一學習活動給學生帶來的可以拓展、可以遷移的知識能力體系，也是計算思維的體現。

魏寧：有沒有一節課，是您心目中計算思維培養的理想課堂的樣子？

楊偉：我曾經聽過一節高中信息技術全國優質課，這節課的主題是“利用計算機解決問題”。傳統的教學思路大體是講述利用計算機解決問題的一般過程，然后將授課重點放到“算法設計”和“編程實現”上，但這節課授課教師卻別出心裁地將課題定為《文學作品中的人物影響力計算—運用計算思維解決問題》，僅從題目中，就可以看出課堂設計中的項目化元素和計算思維元素之間的相互交融。

在授課過程中，教師并沒有執著于“編程實現”，而是將編程置于計算思維培養總目標下，將教學設計的指導思想從“編程主導”轉換到“思維主導”的軌道上來。

在這節課的聽課筆記中，我總結了如下要點：①跨學科的學習主題設計，凸顯人文領域的數字化邏輯特征；②數據—模型—算法—自動化的學科邏輯，完美且真實地體現了計算思維的核心過程；③教評一體的整體設計，成為對課堂進程的一種總結和遞進；④學生在潛移默化中完成了計算思維的滲透式培養，進而有了創新意識以及創新能力的培養；⑤通過引領性的學習主題、挑戰性的學習活動任務、持續性的學習評價和素養導向的學習目標，實現情境任務上的遷移應用。

如果用幾個關鍵詞來貫穿以上的聽課總結，應該是“項目情境”“模型與算法”“評價初識方案優化”“數字化工具實現工程思維”以及“深度學習促進能力遷移”。這些關鍵詞所描述的不正是“計算思維”在課堂中的完美表現形式嗎？

魏寧：計算思維終究是一種思維活動，對于思維的培養，技術只是外顯的工具，邏輯、思想方法才是本質。在義務教育課程標準中，就提出了“身邊的算法”這一學習內容。如何看待“身邊的算法”的價值？

武健：計算思維是一種思維方式，也就是計算機科學家的思維方式，針對程序設計，就是程序員的思維方式，包括對問題的解析、構建解決方案及代碼實現，這些都是最基本的，也是不會改變的。

而算法，字面意思就是計算的方法，算法思維與計算思維是相通的。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中明確提出，“算法是計算思維的核心要素之一”。從算法的角度來看，至少應該有兩類“算法”：一類是程序設計中的算法，即計算機科學中的抽象的算法；還有一類就是生活中的“算法”，也就是問題解決的步驟。這兩類“算法”的共同點，即本質都是一種思想方法。

只不過，對于程序設計中的算法，我們會更加直接地通過命令（語言）的方式操作計算機完成任務，而“身邊的算法”是通過一系列步驟來解決問題。

通過“身邊的算法”，可以從貼近學生的生活實例入手，面對更廣泛的問題，讓學生理解算法的含義，通過采用自然語言、流程圖等方式，也就是通常說的“不插電”的方式來描述算法，對學生計算思維的培養具有重要的作用。

魏寧：理想中的計算思維培養的課堂是什么樣的？

武健：理想中的計算思維培養的課堂，一定是將技術與思維統一起來的課堂。一方面，教學沒有離開計算機工具；另一方面，算法思維、計算思維在課堂中充分滲入，教學自然地連結自然語言和人工語言。

我們一定要牢記，計算思維是人的思維，雖然在培養過程中會深入研究、理解計算機的工作原理，但歸根結底是在培養人的思維。

與此同時，計算思維的培養一定也會體現四大學科核心素養的交叉與融合，計算思維不是孤立存在的。

魏寧：是這樣的，計算思維是信息科技（技術）課程提出的四個核心素養之一，它與其他幾個核心素養的關系是怎樣的？當我們談到培養學生的計算思維時，是否也應該關照到其他核心素養，從整體上進行思考和設計？

魏小山：在計算思維的培養上，信息科技（技術）課程的四大核心素養不能割裂開來。在四大核心素養中，信息意識是客觀信息活動在人腦中的反映，是學生解決問題的初始層；數字化學習與創新強調人與技術的關系，學生個體通過評估并選用常見的數字化資源與工具，有效地管理學習過程與學習資源，創造性地解決問題，它是其他三個核心素養在學習中的具體體現；信息社會責任是學生發展及其社會化的必然要求，強調信息社會中學生品性的培育，使學生在信息道德和責任擔當層面有所發展，因而信息社會責任是其他三個核心要素的歸宿；而計算思維是基礎教育階段信息技術學科的本質體現，是信息技術學科核心素養培養的根基。信息意識、數字化學習與創新以及信息社會責任都有一個共同點，就是無法直接培養，都必須依托特定學科活動來開展。而計算思維是在問題解決的活動中進行培養的，所以，以計算思維為主線進行信息技術學科核心素養的培養，可以使核心素養的落地具有更好的操作性，在培養計算思維的同時，其他核心素養可以滲透其中，與計算思維一起，支撐起學科育人的使命。

魏寧：說到學科育人價值，在計算思維的培養過程中，應該怎樣體現育人價值呢？

魏小山：在計算思維的培養過程中要有意識地對學生進行使命擔當的滲透。特別是在當前面臨的國際形勢下，激發青少年創新的動力，不能單純只靠興趣、好奇心，更要讓其有使命感。熊璋教授在義教信息科技課標解讀會上強調，站在國家發展的高度定位基礎教育，培養有理想、有本領、有擔當的能擔起民族復興大任的時代新人，貫徹落實青少年的國家觀、國家發展觀和國家安全觀，將自主可控、原始創新、國家安全的理念從小扎根在青少年心中。信息技術學科強調計算思維的培養，但最終的歸宿和落腳點則是在信息社會責任目標的達成上，我們需要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。

魏寧：今天我們暢談了在信息科技（技術）課程中培養學生計算思維的方方面面，感謝三位老師參與討論。讓我們共同預祝，計算思維作為學科核心素養，能夠在未來的課程發展中起到越來越重要的作用，同時，通過課程的有效實施，學生的計算思維都能得到真正的發展。