计算思维的培养：高中信息技术课程的新选择，本文主要内容关键词为：信息技术论文,思维论文,高中论文,课程论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
信息技术（Information and Communication Technologies，ICT）课程是一门顺应信息社会发展需求而实施的课程，在促进学生掌握信息技术的基本知识和基本操作、加快信息技术应用的普及等方面起了积极的推动作用。然而，随着社会信息化水平的快速提升，《普通高中技术课程标准》（内含信息技术课程标准）所确立的信息技术课程价值与课程内容，在课标实施十年之后已经明显落后于时代发展的步伐。信息技术课程需要确立怎样的课程目标，使其既能有效促进学生知识与能力的发展，又能满足信息社会快速发展的需求，还能促进信息技术课程自身的建设与发展，成为了目前需要深思的一个重要问题。 一、计算思维的概念与特征 1.计算思维的概念 2006年3月，曾任美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任的周以真（Jeannette M.Wing）[1]在美国计算机权威刊物Communications of the ACM上发表Computational Thinking一文，认为计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。 上述定义从思维的视角阐述了计算机科学在问题解决过程中的作用与价值。在寻求问题解决方案以及实现各种问题求解系统的过程中，甚至包括对人类行为的理解，应用计算机科学的基本概念与原理将成为信息时代人们解决问题的一种思维模式或思维习惯。在科学研究领域，计算思维（以抽象化和自动化为特征）已被看成是与理论思维（以观察和归纳包括人类社会活动在内的自然规律为特征）、实验思维（以推理和演绎为特征）并列的三大科学思维方式之一[2]。 2.计算思维的操作定义 计算思维的提出给人们带来了审视计算机科学的新视角，也使人们看到了其中所蕴含的思想与方法，在美国和欧洲引起了极大关注，成为计算机教育和信息技术教育的重要研究课题。然而，周以真对计算思维的阐释脱离不开她的学科背景，在如何从学科教育与课程建设的角度来认识计算思维以方便信息技术教师的实践方面尚存不足。国际教育技术协会（ISTE）、美国计算机科学教师协会（CSTA）[3]与来自高等教育、产业界和中小学教育的专家发展了关于计算思维的操作定义，认为计算思维是一种问题解决的过程，包括（但不限于）以下几点： （1）按照能够方便使用计算机和相关工具解决问题的方式表述问题； （2）按逻辑组织和分析数据； （3）利用抽象的方法表示数据，例如模型和模拟； （4）通过算法的思想（一系列有序的步骤）生成自动化的解决方案； （5）通过识别、分析和实施各种可能的解决方案，以实现最有效的步骤与资源的组合； （6）概括该问题的解决过程，并迁移到其他相关问题中。 可以看出，计算思维的操作定义在表述上更为明晰、直观和具体，更利于信息技术教师的理解。该定义明确了从形式化问题到实现解决方案的过程，包括问题表征、数据分析、数据抽象、形成自动化的解决方案、分析试用各种解决方案、扩大解决方案应用范围的一系列有序步骤。在该过程中，强调问题的表征与处理应适应计算机的运行机制，但并不强调每一步都有计算机的应用，其基本理念是形成适宜计算机处理的问题解决思路，亦可建立模型或模拟解决方案。而且，这是一个具有普适性的问题解决过程，对问题来源没有任何领域限制，人类生产、生活中任何需要大量计算处理的问题都属于计算思维的适用范围。 3.计算思维的特征 （1）计算思维代表着一类普适的技能，每一个人，而不仅仅是计算机科学家，都应学习并应用这种思维所涵盖的问题解决模式与方法。在培养学生的问题解析能力时，我们应当使每个学生不仅掌握阅读、写作和算术，还要学会计算思维[4]。 （2）计算思维倡导概念化和抽象化地应用计算机科学进行问题解决，而不是单纯的计算机编程，它要求像计算机科学家一样进行思维，其内涵远比计算机编程更广泛且深刻。 （3）计算思维是人（而不是计算机）求解问题的一种途径和取向，特别是对于需要大量计算的问题，人们在提出问题解决方案时，应该在思维与方法上充分利用计算机的强大计算能力。 （4）计算思维综合了人类进行问题解决的多种思维。周以真[5]认为计算思维是数学思维与工程思维的互补与融合，计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式化基础建构于数学之上；计算机科学又从本质上源自工程思维，因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统。Irene Lee等[6]认为计算思维框架中涵盖了多种其他类型思维的元素，具体包括算法思维、数学思维、设计思维、工程思维和程序思维的相关要素。 （5）计算思维体现为人解决问题的思想，而不是人造物。虽然随处可见的软件和硬件制品在时刻影响着人们的生活，但对人们来讲，用于求解问题、管理日常生活、与他人交流和互动的计算思维更为重要，软件和硬件制品是其表现形式[7]。 （6）计算思维无处不在。信息技术将逐步融入社会生产与生活的方方面面，计算思维是一种信息化的问题解决能力，与信息社会的发展需求相适应，将会融入人类活动的各个环节之中。 二、培养计算思维的价值 计算思维的明确提出，为苦苦寻觅改革思路的高中信息技术课程打开了一扇希望之门，对于学生的培养和信息技术课程自身的发展能形成有效的突破。 1.可提高学生利用信息技术解决问题的能力层次 利用信息技术解决问题的能力从低到高有三个层次：初级层次是简单应用，即利用简单的工具解决一些简单的问题；中级层次是综合应用，即熟练使用各种工具与方法的组合，解决相对复杂的问题；高级层次是创造应用，即创造出新的工具和新的方法以有效解决相关的问题。 目前，高中信息技术课对学生利用信息技术解决问题能力的培养，还游走于“能选择合适信息技术”、“能采用适当的工具和方式”、“能熟练运用信息技术”的中低层次，学生不能深入理解其中的思想与方法，不具备应用信息技术进行创新解决问题的能力。 计算思维从原理和方法层面思考问题的解决方案，已经成功应用于生物、天文、脑科学、数学、化学、地理、经济及社会科学等领域，如将蛋白质动力学建模为计算过程、对地球内核及表层进行计算机模拟、设计电子商务中各种自动化机制等。具有计算思维的创造者、设计师和开发人员，可在技术工具和系统开发方面取得重大进展，做出跨越式的创新，如人类基因组的解码、翻译古代语言、利用天气系统来跟踪危险天气并为人们提供警告等[8]。 在问题解决的过程中，学生不仅仅是技术工具的使用者，还应该是新的问题解决思路的提出者、是新型问题解决方案的设计者、是新型技术工具的开发者。计算思维的培养可有效提高学生利用信息技术解决问题的能力层次，使更多的学生成为未来信息技术的创新者。 2.可确立信息技术课程的核心价值与核心内容 近年来，以技术操作为主要内容的高中信息技术课受到了各方面越来越多的质疑，其中最大的问题在于未能像数学、物理、化学等学科一样确定较为稳固的核心价值与核心内容。信息技术课程不能随着信息技术及其应用工具的变化而失去“自我”，拥有一个相对稳定的课程内涵和核心价值是任何一门年轻课程应有的追求[9]。 计算思维具有一套独特的收集数据、分析数据、抽象事物、构建模型、形成解决方案的思维框架，有效拓展了人类认知世界和解决问题的能力及范围，具有鲜明的不可替代性。自图灵的计算理论提出以来，科学家们已经研究了众多应用信息技术解决问题的概念、方法与原理，形成了具有丰富知识内容且行之有效的分析问题与解决问题的典型手段与途径，这些内容具有经典性与稳定性。信息技术课程可从中选择出恰当的内容体系，并以适宜高中学生认知水平的表现形式，构建出信息技术课程的核心内容，进而造就信息技术课程的核心价值，形成像数学、物理、化学等课程那样不可替代的课程地位。 3.可使信息技术课程从实用性教育转变为基础性教育 在现有的信息技术课学习中，学生通常能利用一些常用的工具软件做一些简单的事情，学生的角色主要是信息技术的消费者，信息技术课的价值体现为一种实用性教育。随着信息技术的发展，学生从小就能接触到很多信息技术设备，他们从同学、父母与亲朋等处就可获得信息技术日常操作的能力，践行实用性教育的信息技术课程价值已经越来越小。 利用计算思维思考问题的解决方案具有普适的价值。图灵奖获得者Karp[10]认为自然问题和社会问题内部蕴含丰富的属于计算的演化规律，通过恰当的方式表达出来，使之成为能够利用计算机处理的形式，这就是基于计算思维概念的解决自然问题和社会问题的基本原理和方法论。计算思维不仅是计算机专业人员应该具备的能力，而且也是所有受教育者应该具备的能力[11]，与使学生掌握数学、物理、化学的知识与能力一样重要。周以真[12]倡导了类似的观点：一个人可以主修计算机科学，然后从事任何行业，例如医学、法律、商业、政治，以及任何类型的科学和工程，甚至艺术工作。通过信息技术课培养学生的计算思维，实现一种思维模式的养成和训练，这是一种基础性教育。 三、培养计算思维的需求与条件 当前，在高中阶段的信息技术课程中培养学生的计算思维，提升学生应用信息技术解决问题的能力，既有坚实而广泛的社会需求，也是信息技术课程进一步发展的趋势，所需要的条件已基本成熟。 1.快速发展的信息社会强烈需要培养学生的计算思维 国家统计局信息化发展指数（Ⅱ）指标体系[13]的监测结果显示：2000年中国信息化发展总指数仅为0.494。此时，实施信息技术课程的目的之一在于推动信息技术应用的普及。而当前的社会信息化水平已大幅提升，据2013年工业和信息化部印发的《信息化发展规划》，可知到2015年，我国信息化发展指数将达到0.79。社会信息化水平的提升，需要大量懂原理、能创新的高端信息科技人才，也需要大量懂知识、能应用的信息技术应用人才，还需要每一个国民具有基本的信息技术知识与技能，能将信息技术应用于日常的生产、生活和学习之中。根据社会的需求，信息技术的课程目标呈现出多样化的倾向，从基本知识与基本能力的培养到面向专业人才的培养，都将成为信息技术课程的目标。从基础教育阶段的特点来看，培养学生的基本知识与基本能力将主要是小学和初中的任务；高中作为与高等教育相衔接的学段，培养学生掌握信息技术的基本原理与方法，以及创造性地应用信息技术解决问题的能力，是社会发展对高中信息技术课程提出的新任务，而培养学生的计算思维恰好满足了这一需求。 2.高中信息技术课程自身发展需要培养学生的计算思维 纵观2003年信息技术课程标准确立的课程内容，不难发现信息技术课程是以技术的类别为标准来构建内容框架，每个模块的课程内容主要代表着该类技术的软件操作。这为信息技术课程的自身发展带来了三个隐患：一是将信息技术的课程价值局限在软件操作层面，使学生虽然认识到了信息技术的工具特性，但不能理解信息技术的科学特性；二是课程内容需跟随软件的升级而频繁更新，不利于信息技术课发展成为一门稳定的课程；三是课程不同内容模块之间的技术鸿沟，使学生无法对信息技术形成全面的认识。 高中学生若能获得技术背后的思想、方法，将更有利于提升他们利用信息技术解决问题的能力，也更有利于他们的长远发展，这是信息技术课程自身发展的内在需求，钟柏昌等[14]也认为信息技术课程内容组织三层架构中最高的一层是技术思想。培养学生的计算思维恰是实现这一需求的最佳途径，可使信息技术课程突破原来以技术类别设置的课程内容框架。 3.培养学生计算思维的条件已经基本成熟 在信息技术课程发展的趋势上，计算思维已被纳入美国CSTAK-12标准（2011修订版）中，英国2013年的新课程计划、澳大利亚2015年正在制定的新课程方案都将计算思维作为其新信息技术课程的重要内容。在国内，不仅信息技术课程教学理论研究者在强烈呼吁高中信息技术课的教学应超越技术操作，而且处于教学一线的大多数信息技术教师与教研员也表达了类似的观点与愿望[15]。计算思维理论已经成为信息技术课程变革的理论支点[16]，培养学生的计算思维已经成为世界各国基础教育阶段信息技术课程发展的趋势之一。 在环境建设上，自2004年《普通高中技术课程标准》实施以来，各地学校想方设法加大了信息技术环境的建设力度，为信息技术课程的实施创造条件。根据教育部2013年新春新闻发布会发布的数据，我国高中100%开设了信息技术课程，且信息技术课的实施环境得以持续改善。 在师资上，高中信息技术课教师的规模和专业知识技能都有了大幅提升。截至2010年底，全国共有高中信息技术课专任教师3.8万人。2012年教育部普通高中信息技术课程标准实施情况调查结果显示，绝大多数高中信息技术课教师具有相关的专业背景，大学所学专业为计算机、教育技术和数学的比例达到了90.9%。 在适宜课堂上学生使用的开源软硬件上，各种资源与产品日渐丰富，甚至有的是专门为提升学校信息技术课程教学而开发。在硬件方面有树莓派、Swift Board等，软件方面有Scratch、Python等适合学生易学易用的编程工具和语言。这些软硬件产品的特点是使用者不必关注各种技术细节，而是集中精力进行问题解决方案的分析、设计与逻辑验证，为实现计算思维的培养奠定了良好基础。 四、培养计算思维的注意事项 在我国高中信息技术课程中培养学生的计算思维，还有如下事项需要引起信息技术教育工作者与研究者的注意： 其一，ISTE与CSTA所倡导的计算思维培养模式具有跨学科的特点，这与计算思维面向问题解决的本质紧密相关。无论在哪个学科，着眼于培养突出的计算思维能力都将成为创新人才不可或缺的素质。跨学科培养学生的计算思维，无疑对学生的发展将有更多的好处。但就我国基础教育的特点与师资队伍的水平来讲，推行跨学科的计算思维培养模式似乎还为时尚早。 其二，计算思维的培养不等同于程序设计教学。正如周以真[17]强调的计算思维特征之一是概念化，而不是程序化，这意味计算思维关注于问题解决方案的形成过程。培养学生像计算机科学家那样去思考问题，是计算思维培养的宗旨。 其三，自从周以真的文章被翻译成中文以来，国内的许多大学计算机教育专家都在积极关注并大力倡导培养大学生的计算思维，九校联盟（C9）正积极推进以计算思维能力培养为核心的大学计算机基础教学课程改革[18]。但是，他们所强调的计算思维培养的内容具有较强的计算机专业特征，并不适用于高中阶段的学生，高中学生的计算思维培养与大学计算机基础教育的计算思维培养应该属于不同的层次。 计算思维如同阅读、写作和算术一样，是信息社会学生解析问题的一种普适的基本能力。培养学生的计算思维，有助于学生养成以信息技术的视角思考问题解决方案的思维模式。在高中信息技术课程中培养学生的计算思维，是信息技术课程改革的一条崭新思路，有利于信息技术课程形成稳固的核心价值，确立以信息技术解决问题的概念、方法与原理为主的稳定的课程内容，真正摆脱软件操作的局限。随着社会信息化程度的提高，计算思维将渗透到各种应用信息技术的问题解决方案之中，培养学生的计算思维对促进信息社会的发展将产生深远的影响。