基于結(jié)構(gòu)化視野解碼計(jì)算思維的生成與落地

中圖分類號：G434文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674—2117（2025）15—0051—04

美國麻省理工學(xué)院的周以真教授在2006年提出了“計(jì)算思維”理論，指出計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。2011年，計(jì)算思維被進(jìn)一步解釋為是“問題的解決過程”，主要包括問題的提出、問題的拆解和數(shù)據(jù)分析、抽象與建模、算法設(shè)計(jì)與求解、問題的迭代和優(yōu)化、過程與方法的遷移與推廣等。

計(jì)算思維是一種結(jié)構(gòu)化的解決問題方式

計(jì)算思維提出的最初目的是讓學(xué)生學(xué)會像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣思考并解決問題。計(jì)算機(jī)解決問題具有很強(qiáng)的邏輯性和抽象化，人類通過模仿計(jì)算機(jī)工作方式和流程來提高解決問題的效率，這是一種結(jié)構(gòu)化的解決問題的過程。因此，計(jì)算思維被很多人認(rèn)為是一套成熟的思維框架，計(jì)算思維屬于科學(xué)思維方法中的構(gòu)造思維，是一把解決問題的利劍，是學(xué)生面向未來的必備技能。

1.計(jì)算思維的特征

計(jì)算思維并不是計(jì)算機(jī)的思維，而是人的思維方式，即使人像計(jì)算機(jī)那樣思考問題，或者說是人類求解問題的一種思維方法。此外，計(jì)算思維是概念化的，是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法在形成解決問題方案的過程中所包含的一系列思維活動。計(jì)算機(jī)科學(xué)并不是簡單的計(jì)算機(jī)編程，而是人類解決問題的特殊途徑。因此，通過有意識地培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維，可以讓學(xué)生學(xué)會運(yùn)用計(jì)算思維對問題進(jìn)行識別、分析、抽象、建模并設(shè)計(jì)出合理的解決問題方案，從而提高解決問題的效率。

2.計(jì)算思維的優(yōu)勢

思維能力是學(xué)生發(fā)展的第一競爭力，學(xué)生只有具備了良好的思維能力才能進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)活動。當(dāng)學(xué)生面對各種疑難問題時(shí)，需要選擇一種高效的思維方式去解決，那么，計(jì)算思維便是很好的選擇，它可以極大地提高解決問題的效率，但必須強(qiáng)調(diào)的是，計(jì)算思維并不是知識和工具本身，而是結(jié)構(gòu)化、程序化、系統(tǒng)化的問題分析求解方式。因此，計(jì)算思維還應(yīng)包括系統(tǒng)工程思維、編程思維、算法思維、抽象與邏輯思維、遞歸思維、轉(zhuǎn)換與分解思維、迭代思維等。

3.計(jì)算思維的獨(dú)特性

計(jì)算思維具有結(jié)構(gòu)化的問題分析與解決方式的特征。計(jì)算思維是一種問題分析求解的思維方法，它吸取了解決問題所采用的一般的數(shù)學(xué)思維方法、現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜的設(shè)計(jì)與評估的一般工程思維方法以及復(fù)雜性、智能、心理、人類行為理解等一般科學(xué)思維方法。此外，計(jì)算思維是通過約簡、嵌人、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看似困難的問題重新闡釋成一個(gè)“我們已經(jīng)知道怎樣解決的問題”的思維方法。因此，在解決問題的過程中可以通過采用抽象和分解來控制龐雜的任務(wù)或?yàn)辇嫶蟮膹?fù)雜問題設(shè)計(jì)系統(tǒng)性的解決方案。

利用計(jì)算思維實(shí)現(xiàn)問題的求解優(yōu)勢

谷歌公司把“計(jì)算思維”概括成四大步驟，即分解問題、模式識別、抽象思維、算法設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為，可以使用這四個(gè)步驟進(jìn)行思維活動，以更好地解決問題。在計(jì)算思維解決問題的四個(gè)步驟中，分解問題是最為重要的內(nèi)容，也是解決問題的第一步，通過將較為復(fù)雜的難題分解成一個(gè)個(gè)可以根據(jù)已有知識和認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解決的問題。此外，計(jì)算思維本質(zhì)上是一個(gè)思維活動過程，利用計(jì)算思維能夠?qū)栴}清晰、抽象地描述出來，再通過一系列的思維活動將問題一步步解決。

1.“計(jì)算思維”的結(jié)構(gòu)化分析

基于計(jì)算思維解決問題的核心方法是通過結(jié)構(gòu)化的流程控制方式，讓學(xué)生找到解決問題的線索，然后根據(jù)計(jì)算思維所提供的結(jié)構(gòu)化解決問題的方法進(jìn)行系統(tǒng)化解決。但在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)是碎片化的，學(xué)生缺乏結(jié)構(gòu)化的視野，更沒有全局觀，在考慮問題時(shí)視角比較狹窄。因此，可以在課堂教學(xué)中培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的問題分析與抽象、問題建模等計(jì)算思維，以此來提高學(xué)生解決問題的能力。

表1

筆者基于結(jié)構(gòu)化理論，對解決問題過程中的“計(jì)算思維”三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，即分別從操作過程操作要求、操作解析以及對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析（如表1），并使用“計(jì)算思維”的三層結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行歸納總結(jié)（如圖1）。在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，抽象層是最基礎(chǔ)的層次，所要求的基本能力卻是最多、最高的；建模層是在對問題抽象后所形成的概念模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)化模型建構(gòu)，建構(gòu)可計(jì)算的結(jié)構(gòu)模型；最頂層是表征層，是使用自然語言與數(shù)字化方式進(jìn)行形式化的邏輯表達(dá)。

2.“計(jì)算思維”三層結(jié)構(gòu)課例分析

計(jì)算思維的培養(yǎng)與發(fā)展可以從多個(gè)方面著手，中小學(xué)信息科技課程主要是在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中逐步滲透計(jì)算思維教育。除此之外，計(jì)算思維還可以在表格處理、圖文處理等模塊教學(xué)中進(jìn)行逐步滲透。下頁表2所示是中小學(xué)信息科技的主要模塊教學(xué)中可以運(yùn)用計(jì)算思維來解決問題的案例。下面，以蘇教版小學(xué)信息科技三年級“圖文處理”模塊中的《復(fù)制與粘貼圖形》一課為例進(jìn)行具體分析，本課主要的教學(xué)知識點(diǎn)是圖形的復(fù)制與粘貼、圖形的翻轉(zhuǎn)/旋轉(zhuǎn)以及拉伸/扭曲。

圖1

片段1：“復(fù)制”與“粘貼”中的構(gòu)造思維

圖2所示是經(jīng)典游戲《俄羅斯方塊》中的7種基本圖形，筆者利用基于解決問題模式的計(jì)算思維的結(jié)構(gòu)化操作方法對圖形進(jìn)行分析。編號為3、4、5的形狀可歸納為一類圖，將編號為3的圖形進(jìn)行“翻轉(zhuǎn)就與編號為4和5的圖形形成同類型的圖形，上面是三個(gè)方格，下面是一個(gè)方格，只是方格所處位置不一樣。將編號為6和7的形狀歸納為一類圖形，上下各兩個(gè)方格疊加。

片段2：“旋轉(zhuǎn)”與“翻轉(zhuǎn)”中的設(shè)計(jì)思維

《俄羅斯方塊》游戲中的7種基本圖形可以通過變換、組合、拼湊，形成編號為1和2的結(jié)構(gòu)圖。將編號為3、6、7的結(jié)構(gòu)圖通過旋轉(zhuǎn)的方式拼湊起來形成如圖3所示的旋轉(zhuǎn)組合圖效果，將編號為4和5的結(jié)構(gòu)圖通過翻轉(zhuǎn)的方式拼湊起來形成如圖4所示的翻轉(zhuǎn)組合圖效果。

圖2

計(jì)算思維是學(xué)生學(xué)習(xí)力發(fā)展的表現(xiàn)

具有良好計(jì)算思維素養(yǎng)的學(xué)生解決問題的效率往往較高。從解決問題模式下的“計(jì)算思維”三層結(jié)構(gòu)中可以看出，作為三層結(jié)構(gòu)最高層的表征層是計(jì)算思維的高層次要求，而良好的問題表征能力是學(xué)生學(xué)習(xí)力的重要表現(xiàn)。

圖3

計(jì)算思維不等同于編程思維，算法思維是計(jì)算思維的核心，通常在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中可以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，其本質(zhì)在于通過邏輯思維與演繹推理的抽象過程實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。此外，算法思維作為計(jì)算思維的核心部分，也成為解決問題的關(guān)鍵。何為算法？簡單來說就是解決問題時(shí)所需要的步驟和安排都是算法的組成部分，從解決問題模式下的“計(jì)算思維”三層結(jié)構(gòu)來說，對問題的抽象是算法思維的基礎(chǔ)。抽象思維是解決問題過程中的重要的思維組成部分，抽象思維就是將重要的關(guān)鍵信息提煉出來，形成解決問題的概念模型。因此，要想高效地將疑難問題通過分解、抽象、建模等形式化地表征出來，需要學(xué)生具有良好的計(jì)算思維素養(yǎng)。

圖4

下頁圖5所示是計(jì)算思維指導(dǎo)下的解決問題的一般過程。“問題求解”三層結(jié)構(gòu)圖是根據(jù)建構(gòu)主義

認(rèn)識論形成的。認(rèn)識層主要是對問題進(jìn)行分解和提煉，從而抓住問題的本質(zhì)特征；操作層主要是進(jìn)行邏輯推理、優(yōu)化分析，并對抽象問題特征建立結(jié)構(gòu)模型；最頂層則是思維層，該層主要培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)化的邏輯思維、迭代思維、系統(tǒng)工程思維等。

計(jì)算思維是核心素養(yǎng)發(fā)展的有效表達(dá)

表2

圖5

學(xué)生經(jīng)過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，能夠構(gòu)建起自己解決問題的流程，能夠深刻理解并掌握基于解決問題模式下的計(jì)算思維實(shí)踐三層操作，進(jìn)而形成解決問題過程中所需要的技能與素養(yǎng)。值得注意的是，在日常教學(xué)實(shí)踐中，系統(tǒng)化地開展計(jì)算思維培養(yǎng)訓(xùn)練，能夠促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的發(fā)展，進(jìn)而有效提升其核心素養(yǎng)水平。此外，筆者認(rèn)為，針對學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)還需從方法和意識維度切入，基于解決問題模式的計(jì)算思維實(shí)踐三層操作讓廣大教師有了具體的操作方法，而學(xué)生計(jì)算意識的培育，則需通過日常教學(xué)的持續(xù)滲透，讓學(xué)生逐步養(yǎng)成用“計(jì)算”的方法來解決問題的意識。

由此可見，形成良好的意識、具體的操作流程和思維方法，有利于學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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