高中信息技术课程蕴含的计算思维分析，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。
一、问题的提出 2006年，美国周以真教授首次提出“计算思维”，是指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。[1]这一概念的提出引起了国际社会的共鸣，同时，也引发了国内学者对信息技术课程重构与改革的思考。 2000年，教育部召开的“全国中小学信息技术教育工作会议”决定：将信息技术教育课程列为中小学的必修课程。2003年，教育部颁布的《普通高中信息技术课程标准（实验）》（以下简称《课程标准》）将提升学生信息素养作为普通高中信息技术课程的总目标，进一步推动信息技术课程的发展。[2]但是，近年来随着信息技术课程实施及技术的发展，信息技术课程在教学内容和具体目标上都呈现出一定的不稳定性，多元化培养趋势日益明显。 计算思维作为与理论思维（以数学学科为代表）、实证思维（以物理学科为代表）并称的三大科学思维之一，[3]逐渐被部分国家定为信息技术课程的核心培养目标。2008年美国计算机协会（ACM）将“计算思维”与“计算机导论”课程绑定在一起，并明确要求讲授计算思维的本质。[4]2011年，美国计算机科学教师协会（CSTA）把计算思维培养作为计算机科学课程的主要课程目标。[5]2013年，英国教育部将原有的国家课程方案中的ICT课程改名为计算课程，并将计算思维作为新课程的核心目标。[6] 2010年，国内首届“九校联盟计算机基础课程研讨会”（C9会议）发表了联合声明，把培养学生的“计算思维”能力作为计算机基础教学的核心任务和目标。[7]近年来，国内一些重点大学也将计算思维的知识作为计算机相关专业或计算机基础课程的重要内容。但这些研究与实践大都是关于高校计算机教育中的计算思维，对中小学信息技术课程中所蕴含的计算思维进行系统研究较少。实际上，计算思维隐藏于现有的高中信息技术课程之中，只是《课程标准》未能聚焦其中。对于由一个必修模块、五个选修模块组成的高中信息技术课程而言，所涵盖的内容涉及大量的“抽象与自动化”的内容，而“抽象”与“自动化”正是周以真教授提出的计算思维的本质所在。挖掘高中信息技术课程所蕴含的计算思维，可以为基于计算思维培养的高中信息技术课程改革提供有力的参考依据。 二、计算思维与信息技术课程的关系 （一）计算思维体现了信息技术课程的一种内在价值 目前，国内对信息技术课程价值的研究表述大都趋于泛化的“信息素养核心价值”论，关于“信息技术课程内在价值”的研究较少。信息技术课程是一门以计算机为核心工具的课程，具有较强的抽象性、逻辑性和思维性，需要学生具备严谨的思维方式来解决问题。《课程标准》中对学生的培养目标，虽然强调了培养学生利用信息技术解决问题的思想方法，但却并没有明确地体现信息技术课程的内在价值。全国中小学计算机教育研究中心李锋博士明确提出，计算思维是信息技术课程的一种内在价值。计算思维作为信息技术课程中集“逻辑能力、算法能力、递归能力、抽象能力”为一体的解决问题的方式，无论从技术方法层面、社会需求层面还是个体心理发展层面，都以一种独特的思维方式引导学生理解信息社会，提高学生信息技术运用的批判能力、自我调节能力。[8]发展学生的计算思维，培养学生运用信息技术解决问题的能力，充分体现了信息技术课程的一种内在价值。[9] （二）计算思维解决了信息技术课程的学科思维问题 学科思维是区分学科边界、表征学科独立以及成熟的重要标志，信息技术想要作为一门学科独立存在，就一定要有自己的学科思维。[10]对此，祝智庭教授也指出：面对不断变化的信息化世界，计算机课程不是要把学生都培养成为程序设计专家，而是希望学生具备信息技术学科的思维方式，正确理解计算机和人与社会的关系。[11]随着数字化社会的不断推进，各类电子产品在日常生活中逐渐普及，小到手机，大到各种生产设备，计算思维已经成为人们理解问题、分析问题、解决问题必需的思维方式。对于信息技术课程而言，计算思维就像人们阅读、写字、做算法一样，是信息技术学科最基础、最适用、不可缺少的基础思维方式。[12] （三）计算思维是信息技术课程改革的助推剂 从国内外的研究现状可以看出，在国外的信息技术课程改革过程中，英国以培养计算思维为主，美国倾向于多元化目标。在国内，张丽霞等研究了基于数字化生存能力的信息技术课程目标的重构，[13]吴向东等提出了“技术—文化”—体的新型信息技术课程框架并在小学进行了实践，[14]李艺等提出应着眼于学科思想投射视角来重构信息技术课程。[15]考察国内外信息技术课程的发展历程，它大体经历了“面向学科知识”、“面向学科工具”和“面向学科思维”的课程开发取向。[16]计算思维作为面向信息技术课程的学科思维，可以让学生从一个多元化的视角，用信息技术学科思维方式理解信息世界，解决目前信息技术课程发展所面临的学生学习积极性不足等突出问题，从而进一步推动信息技术课程的改革与重构。 三、计算思维的分析视角 （一）基于“伟大的计算原理”的计算思维概念框架 “伟大的计算原理”的提出者——美国ACM前主席Peter J.Denning认为，计算原理可以被归为七个类别。美国Settle和Perkovic基于Denning的七个伟大计算原理，提出了一个计算思维的概念框架，内容包括计算、通信、协作、记忆、自动化、评估和设计。[17]计算思维的概念框架，可以帮助人们进一步认识和运用计算思维，它包含计算思维的组成元素以及组成元素间的相互关系。后来，陈国良院士和董荣胜教授在此基础上增加了抽象，提出了一个包含八个概念、三个层次的体系。[18]拓展后的计算思维概念框架包含八个概念及对应的关注点和详细的核心概念，其中涉及计算思维八个基本概念的层次关系如图1所示。[19]
（二）计算思维操作性定义 2011年，国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会（CSTA）对计算思维给出了一个操作性的定义，[20][21]即计算思维实质上是问题解决过程，包括（但不限于）以下步骤：（1）制定问题，并能够利用计算机和其他工具来帮助解决该问题；（2）逻辑化地组织和分析数据；（3）通过抽象（例如模型、仿真等）再现数据；（4）通过算法思想（一系列有序的步骤）来支持自动化解决方案；（5）识别、分析、实施可能的解决方案，同时结合上述步骤和资源，找到最有效的解决方案；（6）将该问题的解决过程推广并迁移到更广泛的问题中。[22] 四、高中信息技术课程蕴含的计算思维分析 美国计算机科学技术教师协会认为，计算思维教育应当存在于每个学校的每堂课程教学中。[23]对于高中信息技术课程而言，能够充分挖掘出各个模块内容中所蕴含的计算思维，是有效实施计算思维教育的关键和前提。下面，分别从计算思维概念框架和计算思维操作性定义两个视角分析高中信息技术课程蕴含的计算思维。 （一）基于“伟大的计算原理”的计算思维概念框架视角 在基于“伟大的计算原理”的计算思维概念层次中，计算（Computation）处于核心层（第一层次）。计算是执行算法的过程，从一个包含算法本身的初始状态开始，输入数据，然后经过一系列中间级状态，直到达到最终也即目标状态。[24]课程标准中所包含的必修模块“信息技术基础”课程主题二“信息的加工表达”和选修模块“算法与程序设计”课程能很好地体现计算的思想和方法，下面通过案例加以说明。 （1）汉诺塔（Hanoi）问题 汉诺塔（又称河内塔）问题是指有三根柱子，其中一根柱子上按大小顺序放着64片圆盘。要求把圆盘按大小顺序移动到另一根柱子上。规则要求小圆盘上不能放大圆盘，一次只能移动一个圆盘。 汉诺塔问题，是通过递归与非递归方法来对圆盘进行移动的，蕴含递归关系，所以采用递归算法往往比较自然、简单、易于理解。汉诺塔问题计算量很大，当圆盘数为n时，需要移动
次，所以，假设圆盘数很多，那么即使是用一台功能超强的计算机来解决它，也需要很多年。鉴于
这个数字太大，先考虑3个圆盘的情况，假设三根柱子分别为A、B、C，则计算机模拟执行时就会按A→C、A→B、C→B、A→C、B→A、B→C、A→C的顺序依次显示圆盘移动的起始、中间和最终状态。随着圆盘数的逐渐增大，计算机计算及显示圆盘移动的状态所花费的时间也会越来越长，学生此时便能很好地体验汉诺塔问题的计算复杂度。 （2）计算机抽奖 很多综艺类电视节目都设有抽奖活动：主持人先喊：开始！大屏幕上便不断滚动显示随机的手机号码；主持人喊：停！大屏幕上最后显示的手机号码就成为中奖号码。 类似上述的抽奖活动，实质上属于计算机抽奖，抽奖程序可支持手机号码、身份证号码、姓名、图片等多种中奖方式。计算机抽奖程序一般涉及用随机函数计算并选择手机号码的顺序问题，计算量的大小与候选手机号码的总数有很大关系。尽管涉及的算法不算复杂，但是不断滚动显示随机的手机号码也能让学生感受计算的快慢和状态的变化。 抽象（Abstraction）是指从众多事物中抽取出共同的、本质性的特征。[25]计算思维的抽象包含的核心概念有：概念模型与形式模型、抽象层次；约简、嵌入、转化、分解、数据结构、虚拟机等[26]。课程标准中包含的必修模块“信息技术基础”主题三“信息资源管理”和选修模块“数据管理技术”、“算法与程序设计”能很好地体现抽象的思想和方法。 （1）图书借阅系统概念结构、逻辑结构设计 图书借阅系统可作为“信息技术基础”主题三“信息资源管理”或“数据管理技术”中的具体案例，主要功能是完成图书的借阅，其数据库设计分为需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计等阶段。概念结构设计、逻辑结构设计属于典型的数据抽象。 图书借阅系统概念结构设计阶段，就是在图书借阅系统需求分析的基础上，将现实世界中图书借阅涉及的数据用概念模型来表示（抽象）。建立概念模型常用的方法是实体—联系方法（E-R方法），该方法直接从现实世界中抽象出实体和实体间的关系，然后用E-R图来表示概念模型。设计E-R图的基本步骤是：首先，用方框表示实体（如图书馆、图书管理人员、图书、读者等）；其次，用椭圆表示各实体的属性（如图书的属性主要包括图书编号、名称、作者等）；再次，用菱形表示实体之间的联系（实体之间的联系有一对一、一对多和多对多等三种，如读者和图书两个实体之间为多对多即m:n的借阅联系）。图书借阅系统的概念结构设计的E-R图，如图2所示。
图书借阅系统逻辑结构设计阶段，就是将图书借阅系统的概念模型即E-R图转换为数据库管理系统支持的数据模型（再次抽象）。如果是关系型数据库管理系统，则转换后对应的数据模型为关系模型。构成关系模型的关系模式的格式为：关系名（属性1，属性2…）。图书借阅系统概念模型即E-R图，通过正确的转换规则和方法，转换成的关系模型如下：
说明：加下划线部分为该关系模式的主码——即能唯一确定该关系模式对应的二维表中每一行的属性或属性的组合，如借阅关系对应的主码为图书编号和借书证号的组合。 （2）面向对象程序设计语言中核心概念的理解 课程标准中的选修模块“算法与程序设计”主题二“程序设计语言初步”中的内容标准，涉及“掌握面向对象程序设计语言的基本思想与方法，熟悉对象、属性、事件、事件驱动等概念并学会运用”。面向对象程序设计力图使计算机程序设计语言对事物（类、对象）的描述和现实世界中的真实情境尽可能地一致。VB、Java等许多程序设计语言就属于面向对象程序设计语言。 面向对象程序设计语言涉及大量的核心概念，如对象、属性、方法、事件、类等，对这些核心概念的理解是掌握面向对象程序设计语言并进一步运用的前提条件。对象是现实世界中事物（包括自然物体如汽车、房子等，或逻辑物体如长方形、地图等）的抽象。每一个事物包含两个共同特征：状态和行为。现实中汽车有自己的状态（如名字、车型、轮子等）和行为（如刹车等），抽象而成的汽车对象也有自己的属性和方法，这里的属性和方法概念则分别由现实中汽车的状态和行为抽象而来。现实中如果发生了汽车被撞的事情，则需要专门来处理，同样汽车对象可以通过相应的事件监听和驱动机制来处理汽车被撞事件。类是对一类事物的描述，是对同类对象的抽象。例如，对汽车对象的抽象会形成汽车类，汽车类具有所有汽车的属性（如名字、车型、轮子等）和方法（如刹车等）。但是，每辆不同的汽车对象的具体属性、方法都是独立的且跟其他汽车不同。由于上述概念本身较为抽象，建议学生通过贴近生活的、计算机能模拟运行的典型案例来学习。 3.自动化 自动化（Automation）是指机器设备、系统在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，进行自动检测、信息处理、分析判断、操作控制，以实现预期目标的过程。[27]计算思维可以在不同层次上对机器计算的自动化进行抽象。在高中信息技术课程中，就有不少内容涉及自动化。其实，只要能将具体的问题转化为算法并且用计算机来编程实现，就可以体会其中自动化的思想和方法。上面提到的案例如汉诺塔问题、计算机抽奖就属于这样的例子。再例如必修模块“信息技术基础”中，教师在讲述“信息的加工与表达”这一主题时，可以让学生完成这样一个活动：使用在线翻译软件，先将给定的中文翻译成英文，然后将给定的英文翻译成中文。在这个活动中，进行中英文互译的过程正是一个计算机对数据进行自动化处理的过程，学生通过两次数据输入，最终得到所需的语种。 设计（Design）与抽象、自动化位于计算思维概念层次的第二层。陈国良院士和董荣胜教授认为，计算思维中的设计是利用学科中的抽象、模块化、聚合和分解等方法对一个系统、程序或者对象等进行组织，并以软件开发为例解释为体系结构和处理过程的设计。[28]下面以选修模块“数据管理技术”中“学生成绩管理系统”为例来分析。 “学生成绩管理系统”从体系结构上可分为学生数据管理、教师数据管理、课程数据管理、成绩数据管理等模块。学生数据管理模块、教师数据管理和课程数据管理模块进一步分解为相应的数据编辑和数据查询子模块；成绩数据管理模块进一步分解为成绩数据编辑、查询某课程成绩数据、查询某学生成绩数据、通用成绩查询子模块。以上模块及其划分充分体现了设计中的分解、模块化等方法。 “学生成绩管理系统”从处理过程上可分为系统需求分析、数据库设计、公共模块设计及程序实现、系统整体界面设计、各模块界面设计和程序实现、程序调试等。系统需求分析后会产生上述系统结构中的各个模块和子模块。数据库设计又分解为数据库概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计等各个具体的设计，其中数据库概念结构、逻辑结构设计体现了抽象的思想和方法（可参见上述“图书借阅系统”的例子）。公共模块用于在各个不同功能模块之间传递数据，实现各个模块之间的数据聚合。 在计算思维中，通信（Communication）是指信息从一个过程或者对象传输到另一个过程或者对象。通信包含的核心概念有信息及其表示、信息压缩、信息加密、编码与解码等。[29]课程标准中包含的必修模块“信息技术基础”和选修模块“多媒体技术应用”能很好地体现计算思维中通信的思想和方法。下面通过案例加以说明。 （1）信息加密与解密 课程标准中的必修模块“信息技术基础”主题三“信息技术与社会”的内容标准涉及信息安全知识。考虑到信息安全，重要信息在传输之前需要将原本的信息（明文）通过某种加密算法（附带密钥作为加密参数）加密，加密后的信息称为密文。密文通过网络传输到目的地后，再通过相应的解密算法（附带密钥作为解密参数）对密文进行解密，解密后的明文即为传输前原本的信息。一个简单的信息加密与解密的通信模型如图3所示。在实际教学过程中，为了让学生深刻体会信息是如何被加密与解密的，可通过网上已有的典型加密与解密算法如RSA或AES进行模拟演示。
（2）多媒体信息的编码与解码 课程标准中的选修模块“多媒体技术应用”主题二“多媒体信息采集与加工”的内容标准涉及多媒体信息采集知识。多媒体信息采集涉及的多媒体信息数据量大，保存、传输不太方便，数据压缩技术可以解决这个问题。数据压缩处理一般由两个过程组成：一是编码过程，即对原始数据进行压缩编码，以便于储存和传输；二是解码过程，即对压缩的数据进行解压，恢复成原来的数据。声音、图像、视频等不同多媒体信息都有各自的编码与解码算法，一个针对图像信息的编码与解码过程如图4所示。在实际教学过程中，为了让学生体会多媒体信息是如何被编码与解码的，可通过网上已有的典型的编码与解码算法进行模拟演示。
陈国良院士指出：协作（Coordination）是为确保多方参与的计算过程（如多人会话）最终能够得到确切的结论，而对整个过程中各步骤序列先后顺序进行的时序控制。协作包含的核心概念有同步、并发、死锁、仲裁以及网络协议、人机交互等。[30]课程标准中包含的选修模块“网络技术应用”和“人工智能初步”能很好地体现计算思维中协作的思想和方法。 （1）网络协议 课程标准中的选修模块“网络技术应用”主题二“网络技术基础”的内容标准涉及网络协议、网络分层模型等知识。网络协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。为了减少网络所涉及问题的复杂性，采用分层思想，OSI国际标准从体系结构上将网络分为七层，TCP/IP非国际标准将互联网分为四层，OSI七层网络模型和TCP/IP四层模型及对应的网络协议如表1所示。在实际教学过程中，为了让学生深刻体会网络协议的结构和工作原理，可通过相应的软件进行演示。例如通过IE或Google浏览器可以深入体会HTTP协议的结构和运行机制。
（2）人机交互 人机交互作为协作的核心概念之一，在高中信息技术课程中有很多的应用。例如，在学习选修模块“人工智能初步”时，会涉及这样一个例子：通过观摩或实际操作，体验人工智能在模式识别等方面的典型应用，如指纹识别。在指纹识别过程中，学生通过指纹识别器，获得指纹识别信息，这个过程便是一个人机交互的过程。在这个过程中，为确保识别结果的准确性，人机接口与知识库、数据库之间存在一定的协作，如图5所示。
记忆（Recollection）是指通过实现有效搜索数据的方法或者执行其他操作，对数据进行编码和组织。记忆包含的核心概念有存储体系、动态绑定、命名、检索等。[31]高中信息技术课程中包含很多记忆的例子。例如选修模块“网络技术应用”中涉及IP地址与域名的概念，实际上域名与IP地址是绑定在一起的，如通过ping命令或相关软件可以得到域名www.baidu.com（百度）对应的一个IP地址是61.135.169.125。Internet互联网中域名是按层次命名的，如域名lib.bnu.edu.cn中cn表示中国，层次最高；edu表示教育网，属于第二层；bnu表示北京师范大学，属于第三层；lib表示图书馆，属于第四层。必修模块“信息技术基础”中涉及“信息获取”主题，其中检索是实现信息获取的一个重要手段，例如，可以通过百度等搜索引擎按名字检索需要的信息。浏览器打开过的网站一般在本地有缓存，再次访问时先直接访问缓存中的内容，因而页面打开速度较快。 评估（Evaluation）与通信、协作、记忆位于计算思维概念层次的第三层。计算思维中的评估是指对数据进行统计分析、数值分析或者实验分析。评估包含的核心概念有：可视化建模与仿真、数据分析、统计；模型和模拟方法、benchmark；预测与评价等[32]。高中信息技术课程中包含很多评估的例子。例如必修模块“信息技术基础”中涉及“信息加工与表达”主题，可通过Excel等软件对学生成绩、体育比赛、天气变化等大量数据进行统计分析，以揭示其发展趋势；可通过金华科等虚拟实验室软件做物理、化学等学科的仿真实验，模拟其实验现象；可通过benchmark等测试软件测试、评估计算机各个硬件的性能指标。选修模块“数据管理技术”中涉及“数据库的建立、使用与维护”、数据库应用系统等主题，可对图书馆图书查询系统、学生成绩管理系统、医院管理系统等大量数据库应用系统中的相关数据库用E-R方法建立其概念模型，并用概念模型到关系模型的转换规则及方法建立相应的关系模型。 （二）计算思维操作性定义视角 计算思维操作性定义将计算思维看作是一个问题解决的过程，在这个定义中，详细描述了运用计算思维解决问题的整个过程（如图6所示），这对计算思维在高中信息技术课程中的应用尤为重要。从计算思维操作性定义来看，高中信息技术课程中运用计算思维解决问题的过程包括制定问题、组织分析数据、再现数据、支持自动化解决方案、找到最有效方案、应用于更广泛问题等六个步骤，涉及的知识包括必修和选修的多个模块，属于融入计算思维的知识与技能的综合性应用。下面以“网上考试系统”为例来加以分析。 1.制定问题 “网上考试系统”的目标是学生通过网络（局域网或互联网）实现网上考试。要完成这个目标，需要解决的问题较多，例如：试卷如何生成、学生如何答题、如何阅卷等。不但要制定这些问题，还要明确能够利用计算机和其他工具来帮助解决这些问题。 2.组织分析数据 “网上考试系统”涉及的数据种类多、数据量大。首先，要对数据进行分类，如数据分为人员数据、试题数据、答卷数据等。其中人员数据可分为管理员数据、教师数据、学生数据，试题数据可分为主观题（如问答题）和客观题（如选择题、填空题），答卷数据同样可分为主观题答卷和客观题答卷。其次，要运用思维导图等工具符合逻辑地组织和分析数据，形成可以利用的更加详细的数据。 3.再现数据 在组织分析数据的基础上，首先通过E-R方法对得到的数据进行概念模型构建，然后再利用概念模型到关系模型的转换规则和方法得到关系模型的数据，最终以关系数据库表的形式再现各种数据，如管理员表、教师表、学生表、单项选择题表、多项选择题表、填空题表、问答题表、单项选择题答题表、多项选择题答题表、填空题答题表、问答题答题表等。 4.支持自动化解决方案 对步骤1中制定的问题，通过算法思维（一系列有序的步骤），支持自动化的解决方案。如解决试卷如何生成问题可利用试题库构建算法与自动抽题算法来完成，解决学生如何答题问题可利用答题界面生成、答题控制（包括时间控制、答卷生成等）算法来完成，解决如何阅卷问题可利用客观题计算机自动阅卷算法、主观题教师网络交互式操作阅卷算法来完成。考虑到要兼顾局域网或互联网两种方式，所以实现上述算法时要采用不同的计算机程序设计语言。如局域网可采用VB等高级语言，互联网可采用ASP.NET等动态网站开发工具来实现。 5.找到最有效的方案 首先，有效结合上述步骤和资源，运用发散思维识别、发现、分析和实施可能的解决方案。如尽可能寻找、分析和实施题库构建算法、自动抽题算法、答题界面生成、答题控制算法、客观题计算机自动阅卷算法、主观题教师网络交互式操作阅卷算法。其次，运用聚合思维，对上述找到的各种自动化解决方案进行优化、整合，找到最有效的方案。
6.应用于更广泛问题 将“网上考试系统”所涉及问题的求解过程进行推广并移植到更广泛的问题中。首先，总结“网上考试系统”所涉及问题的自动抽题算法、自动阅卷算法等算法，然后进行推广、迁移，应用到更广泛的问题中。例如，可以将自动抽题算法、自动阅卷算法等算法应用到各种层次（大中小学校）、各个学科（语文、数学、外语等）的考试和竞赛活动中。 五、结束语 计算思维体现了信息技术课程的一种内在价值，一定程度上可以解决信息技术课程的学科思维问题，是信息技术课程改革的助推剂。实际上，现有的高中信息技术课程蕴含了丰富的计算思维，只是现有的课程标准未能聚焦到它身上。本研究从基于“伟大的计算原理”的计算思维概念框架、计算思维操作性定义两个视角来分析高中信息技术课程蕴含的计算思维。虽然在计算思维的分析中案例涉及高中信息技术课程一个必修模块、五个选修模块的很多知识，但是难免挂一漏万。计算思维的充分挖掘是有效实施计算思维教育的关键和前提，希望更多的研究者能给予关注。
标签：计算思维论文; 课程标准论文; 系统思维论文; 信息技术论文; 课程论文;
