计算思维的培养及学习者内在品质的达成

计算思维的培养及学习者内在品质的达成

为了说明如何从基础教育课程思维的意义上认识计算 思维，并考虑到计算思维的基本内涵与表达、基础教育信息 技术课程的内容覆盖、成组概念间力求对等且正交完备关系 等因素，笔者选择了一种五单元十概念的方式来进行表征。

这组概念是“问题与计算”“数据与存储”“信息与搜索” “交往与交互”“协同与协作”，其合理性主要体现在结构 的对称性及覆盖面的完整性两个方面，它是本文尝试关于走 向方法论的学习者的内在品质进行刻画的一种线索。在下面 的描述中，笔者以问题为中心，以问题解决为主要途径，将技术（基本知识和技能）、行为（解决问题）、思维（学科 思维）有机结合，互相融合，具体讨论关于计算思维内容、 教学处理方法、计算思维的方法及方法论的内在品质三个方 面。

● 问题与计算 1.计算思维所指内容 “计算”是大家熟悉的一个概念，人类使用计算解决了 很多问题，也是每个人幼儿时期便接触到的基本技能。环顾 现在的生活，微信、网购、在线教育……我们身处在以计算 机为主要计算工具的信息时代，计算被赋予了新的内涵。著 名的计算机科学家、1972年图灵奖得主艾兹格·迪杰斯特拉 （Edsger Dijkstra）说过一句话：“我们所使用的工具影 响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响着我 们的思维能力。”[3]问题源自物理世界，而物理世界/语义 信息可以抽象化、符号化，再通过进位制和编码转成0和1进 行计算，这就是问题与计算的基础含义。本单元所指的计算 思维，包含0和1的思维、抽象思维、算法思维、问题求解思 维等计算及其自动化的基本思维。

2.教学处理方法本单元主要选取模型比较简单的算法类问题，案例的设 计要方便学生借助经验迁移来解决此类问题。例如，小明家 的商店出售牛奶，妈妈告诉小明，牛奶如果卖价高了，售出 的量就小，卖价低一些，售出量就会增加，但也不能一味降 低价格。怎样定价才能保证一天的盈利达到100元呢？学生 思考并得出解决问题的一般过程，即发现问题、明确问题、 提出解决方法、检验解决方法。在此过程中，学生确立问题 解决中的难点和要素，并初步了解抽象的概念和学习抽象的 方法。在对数据进行加工的环节引入自动计算的概念，归纳 运用自动计算工具（计算机）解决问题的一般过程：分析现 实问题、搜集问题的数据、建立数学模型、设计算法并自动 计算。通过问题解决的过程，教师先阐述并讲解计算机科学 基础概念及知识，如数据抽象、数学建模、选择算法、设计 程序等，传授计算机科学中的原理和方法；
再在知识“贯通” 的过程中渗透0和1的思维、抽象思维、算法思维、问题求解 思维等计算思维，使学生巩固理解相关知识和原理；
最后让 学生通过运用相关的计算思维解决新环境下的问题或新问 题，加深对计算思维的理解，并提升其解决问题的能力。

3.方法及方法论内在品质 学生通过建立基础知识、问题解决方法及计算思维的联系，可以得知现实中的问题可以重新阐述成可以解决的问 题；
对于待解的问题，可以选择一个合适的方式去陈述和建 模，使其易于进行规范化处理；
了解计算方法的特定性及优 势，自觉形成借助技术方法高效解决问题的习惯；
熟悉计算 方法的多样性，养成多角度、多维度思考问题和分析问题的 态度和习惯。

● 数据与存储 1.计算思维所指内容 随着大数据时代的到来，利用信息化工具存储数据和发 现数据的价值日趋重要，大数据正在改变着我们的生活、工 作和思维。在以计算机为主的信息化工具中，数据是指描述 客观事物的符号，是计算机中可以操作的对象，是能被计算 机识别、存储并能被计算机程序所处理的符号集合。在上一 单元中，已经阐述了数据抽象、自动计算等思维和方法。本 单元重点是自动计算解决问题中的数据抽象与存储原理及 方法，数据聚集成库、抽象、关联等计算思维。这些思维既 为自动化解决问题奠定了基础，也帮助学习者建立了“放弃 对因果关系的渴求，转而关注相关关系”等在数据时代重新 浮现的思维方式。2.教学处理方法 数据抽象和选择合适的方式存储，是为了便于后期的运 算及价值挖掘，因此多种环境下的数据加工方式的学习和了 解也是本模块需要阐述的内容。本单元选择的问题应兼顾问 题中的数据量能否调节，数据间的关系复杂度能否拓展等因 素，便于对比。例如，要调查当前学生数字阅读的状况，可 以先从了解一个班级的阅读情况入手，相关数据可以直接搜 集并填到设计好的表格中。拓展之后，调查范围可扩展到一 所学校甚至更大的范围，数据的来源也更丰富和复杂，可以 是问卷调查，也可以是一堆有关数字阅读的信息。将搜集到 的信息分离、提纯和简略之后抽象为待加工的数据，稍复杂 的问题还需要将信息分类、分层抽象。学生可以认识和把握 数据间的关系，选择不同功能的加工工具辅助加工，如表格 数据可以借助Excel、Access等工具软件加工处理；
计算机 抽象的数据可以用更丰富的结构存储信息，从而实现更多的 加工需求，如用链式结构存储数字阅读的信息来源，用表存 储阅读量和阅读周期，用集合存储阅读内容与关注群体的关 联等，借助程序设计方法实现更智能化的加工。学生通过解 决简单问题，理解数据、数据抽象方法、数据存储结构等概 念，建立基础知识学习与问题解决的联系；
教师通过问题的 拓展，促使学生将所学方法运用于大量数据的抽象、存储和 加工，体验大数据技术，并理解相关计算思维。这样，以“问题”为中心，形成了以知识、能力和思维相辅相成、互相促 进的稳定的三角结构。

3.方法及方法论的内在品质 学生经过训练可以认识到：数据抽象和存储是问题解决 过程中非常重要的环节；
面对内容复杂、繁多的问题，可以 将问题中的要素通过分离、分解，进一步分层抽象为可求解 问题中的数据；
根据解决问题的需要，数据可以选择合适的 方式组织存储，便于关联并产生新的价值；
对于大量的信息 和资源，需要化简分解、甄别筛选、合理组织，多维度、多 角度地进行关联与分析，分层管理信息和解决问题。

● 信息与搜索 1.计算思维所指内容 掌握信息检索的方法已变成每个人必须具备的基本能 力，而有效的搜索与查找才能保证获取和搜集信息的效率和 质量，它是解决问题过程中的重要环节。前面单元涉及抽象、 存储等计算思维，本单元重点呈现以搜索行为为主的问题， 阐述与自动查找和信息搜索相关的重要概念，如信息（数据） 聚集与分类、信息（数据）预处理、信息（数据）组织（存 储）结构、搜索（查找）方式、信息（数据）关联等，并渗 透数据存贮与聚集成库的思维、排序的思维、关联的思维等 计算思维。这样，本单元既是对前面单元的相关思维内容的 延续和补充，也为计算思维的运用提供了新的问题情境。

2.教学处理方法本单元主要凸显以查找和搜索为重点的问题解决。学生 可以从身边的问题入手，梳理生活中查找对象的方法。例如， 从一份名单中找到某位同学的信息，教师先将问题中的要素 抽象为符号，再运用不同的信息工具（软件），特别是运用 程序设计软件进行查找的过程，讲解自动查找过程中的存储、 排序等基础概念，促使学生用掌握的基础知识去支持问题解 决的行为；
在此基础上，再引导学生探索搜索引擎的奥秘， 将问题延伸至复杂的情境中，帮助学生建立化简、分层、网 页排序、关联等思维方式，更灵活地运用搜索技术。面向问 题解决时，教师通过同类数据的搜集了解数据分类、聚集成 库的重要性；
通过查找不同的需求，分析数据存储结构对查 找行为的影响；
通过搜索中的关联现象理解关联思维及运 用；
通过了解搜索引擎的技术原理，理解搜索行为引起的相 关现象，正确评价搜索结果，增强搜索行为的有效性。

3.方法及方法论内在品质 学生经过训练可以认识到：利用信息的相关性质进行充 分的准备工作（如分类、排序），有助于提高搜索行为的有 效性和搜索结果的正确性，达到事半功倍的效果；
排序是一 件非常有意义的准备工作；
了解搜索技术的发展，学会搜索 信息、合理利用信息和资源，能够提高解决问题的效率。

● 交互与交往 1.计算思维所指内容 交互与交往是社会生活最重要的内容之一，在信息技术的视野下，可分为人机交互、机机交互、人人交互、网络化 社会交互与交往等多种内容，涉及的计算机技术思想也相当 丰富。随着信息技术和网络技术的发展，信息的传递和交互 变得非常简单快捷，交互与交往的内涵也越来越丰富，新的 交互与交往规范也随之建立。本单元的核心点是信息输入和 输出的基本原理、协议、编码器和解码器等概念，基于计算 机技术之交互原理和方法的交互模型，以及复杂的网络化社 会中的交互与交往的特点等。

2.教学处理方法 交互与交往的对象无论是人、机器还是其他，其要素主 要涉及表达方式、接收方式和传输方式等。例如，人机交互 主要指的是人、计算机以及其他技术之间各种符号输入/接 收、信息判断以及信息传输、交互的过程。网络中的机机交 互主要实现不同地理位置的两台或多台计算机相互连接，并 实现信息的发送、接收与转换。本单元从基本的人机交互问 题入手，从简单直观的人机交互界面开始，借助计算机语言 和编译器等基础概念帮助学生理解交互的机理，可以适当拓 展到机机交互中的协议与编码器/解码器等概念，帮助学生 理解交互的原理并形成系统的自觉思维。显而易见，作品是 有效的交流媒介，在本单元中，教师可以借助作品加工和制 作的活动，促进学生思维方法的形成。例如，作品加工的分 层，实际上是人机交互的典型应用，而这种人机交互方式， 既符合人的特点，又可以借助计算机来实现。教师利用网络应用功能和当前网络中的热点问题，可以促使学生迁移运用 已有思维认识社会网络的复杂性，挖掘行为背后的规则和原 理，提高行为能力和自觉性。

3.方法及方法论内在品质 学生经过训练可以认识到：信息社会交往具有复杂性， 交互和交往应有明确目标的指引，应遵守规则、约定和协 议；
两个看似不能交往的对象可以通过分解分层的方式，在 合适的层次上交往；
人不是孤立存在的，在与他人、物、环 境等各种对象的交互交往中，应树立自我保护意识，确立良 好的交往有助于提升生活品质的信念。

● 协同与协作 1.计算思维所指内容 人类处在复杂的大环境中，必须要具有面对复杂问题的 信心，具备解决复杂问题的能力。这里的问题复杂性主要是 指问题涉及的数据规模大、包含的对象多、解决的步骤繁琐 等，待解决问题循序渐进地增加复杂度是课程设计中的特点。

本单元的核心问题是复杂性的相关概念，解决复杂的算法类 问题和系统类问题的过程与一般方法。教师通过解决复杂问 题、分析合作与竞争等社会现象的过程，将化整为零、分层 抽象与化简复杂问题、不同性能资源的组合优化、分工合作 与协同求解复杂系统问题等计算思维贯穿其中，为学生有效 运用方法解决复杂问题提供支撑。

2.教学处理方法教学中，教师可以选择典型的可优化方案来解决复杂问 题，如数据规模较大的穷举算法优化问题、计算机系统的设 备管理问题等，都为计算思维的展现提供了合适的平台。教 师通过阐述计算机系统的工作原理，剖析分工合作、优化组 合、协同求解复杂问题的思维；
通过展示优化算法的过程， 讲解时空转换与折衷的思维。例如，在存储器管理中，教师 可以根据内存和外存各自的优势，运用缓冲、并行等技术解 决相互之间工作效率匹配与协同的问题，从而提高整个系统 的工作效率。教师还可以将这些方法和模型迁移到日常学习 生活之中，如文字处理软件中的修订与批注工具，实质上也 是一种人际协作工具，它可以打破时间、空间的限制，帮助 学生实现更加广泛的人际协作，提高学习和工作的效率，从 而加深其对协同与协作的认识。

3.方法及方法论内在品质 学生经过训练，可以认识到协作是将复杂问题分解化简、 合理分工，利于集聚众力，优势互补，协同求解；
有些看起 来不能协作的问题，经过分解之后，也能在部分合适的层次 开展协作；
能够正确理解竞争与合作的关系；
能明确面对复 杂情况要理性分析，有效运用资源高效解决问题；
能树立面 对复杂问题运用科学方法解决的勇气与信念，以及人、技术、 社会和谐共存的信心。

计算思维独特的抽象事物、存储数据、构建模型、形成 解决方案的框架，有效拓展了人类认知世界和解决问题的能力及范围，不可替代。从中选择出恰当的内容，将其转换为 更具基础性的信息技术课程学科思维，并以适合基础教育阶 段学生认知水平的形式呈现，构建出信息技术课程的核心内 容，信息技术课程便不会随着信息技术及其应用工具的变化 而失去“自我”。[4]教师通过学科思维的培养，让学生能 够学习开放、系统的学科知识体系，充满理智与创造性地解 决问题，有意义、负责任地运用技术，形成符合预期的方法 及方法论意识与自觉性，会挖掘和享受技术背后的生命意义、 创造乐趣、审美情感和伦理精神[5]，这是信息技术课程追 求的至高境界。这条路虽然较漫长，但随着社会的发展、技 术的更新和人才培养的需要，相信它必将越走越宽。

参考文献：
[1]任友群，隋丰蔚，李锋.数字土著何以可能？——也 谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性[J]. 中国电化教育，2016（1）：2-7. [2]战德臣，聂兰顺.大学计算机：计算思维导论[M].北 京：电子工业出版社，2013. [3]王飞跃.从计算思维到计算文化[J].中国计算机学 会通讯，2007（11）：81-82. [4]李艺，钟柏昌.基础教育信息技术课程标准：起点、 内容与实施[J].中国电化教育，2012（10）：23-27. [5]陈向阳.走向澄明之境：技术教育的哲学视域[M].北 京：高等教育出版社，2015.中国信息技术教育