淺談初中信息技術(shù)學(xué)科中計(jì)算思維的培養(yǎng)

王鴻

【摘 要】計(jì)算思維是當(dāng)前計(jì)算機(jī)和教育界較為關(guān)注的一個(gè)重要課題。因此，在中學(xué)信息技術(shù)課程的實(shí)施過程中，思考如何在信息技術(shù)課程教學(xué)中有效培養(yǎng)中學(xué)生的計(jì)算思維能力也日益變得尤為重要。為在初中信息技術(shù)課程中有效、全面以及多方位地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，本文首先介紹了計(jì)算思維的概念及其發(fā)展過程，然后結(jié)合初中信息技術(shù)課程的特點(diǎn)，重視加強(qiáng)學(xué)生的算法程序設(shè)計(jì)和編程能力，采用多樣化的課堂教學(xué)，將信息技術(shù)與學(xué)科課程合理整合等方面給出了初中學(xué)習(xí)技術(shù)學(xué)科中計(jì)算思維培養(yǎng)的方法和策略，以期為我國初中信息技術(shù)學(xué)科中計(jì)算思維能力的培養(yǎng)提供相應(yīng)參考。

【關(guān)鍵詞】初中信息技術(shù)課程；計(jì)算思維；程序設(shè)計(jì)；課堂教學(xué)

中圖分類號： TP317.4-4；G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0171-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.077

【Abstract】Computational thinking is an important topic in the field of computer science and education. Therefore， it is increasingly important to think about how to effectively cultivate the middle school students computational thinking ability in the teaching of information technology courses. In order to cultivate students computational thinking in an effective， comprehensive and multi-faceted manner in junior high school information technology courses and provide a reference for the training of computational thinking ability in our country， this paper first introduces the concept of computational thinking and its development process， and then puts forward three methods and strategies for cultivating computational thinking in junior high school learning technology subjects based on the characteristics of junior high school information technology courses. These three methods and strategies mainly include strengthening students ability in algorithm and program design and the programming， adopting diverse classroom teaching and the rationally integration of information technology and other subject courses.

【Key words】Junior high school information technology courses；Computational thinking；Programming；Classroom teaching

0 前言

在當(dāng)今信息時(shí)代，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展。為了全面培養(yǎng)中小學(xué)生的信息素養(yǎng)以及信息技術(shù)的操作能力，從而培養(yǎng)適應(yīng)信息時(shí)代發(fā)展的新型人才，信息技術(shù)課程已被設(shè)置為義務(wù)教育階段的必修課程，其目標(biāo)不僅是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索信息技術(shù)的興趣以及提高信息處理能力，同時(shí)還要強(qiáng)化學(xué)生使用信息技術(shù)解決學(xué)習(xí)和實(shí)際生活中遇到的各種問題的意識和能力。目前，信息意識、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新和信息社會責(zé)任這四個(gè)方面已成為我國信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容。其中，計(jì)算思維作為核心素養(yǎng)培養(yǎng)的核心議題，以其“面向?qū)W科”的特性已受到受到眾多學(xué)者的高度關(guān)注[1]。因此，為更好地幫助人們清晰地認(rèn)識信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)體系，同時(shí)有效培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，需要正確理解與把握計(jì)算思維的內(nèi)涵和本質(zhì)并正確定位計(jì)算思維在核心素養(yǎng)體系中的價(jià)值。對于初中信息技術(shù)學(xué)科教師，思考如何在信息技術(shù)課程教學(xué)中有效培養(yǎng)中學(xué)生的計(jì)算思維能力也日益變得尤為重要。

1 計(jì)算思維的概念及其發(fā)展

1.1 計(jì)算思維的概念

計(jì)算思維（Computational Thinking）與理論思維和實(shí)驗(yàn)思維并列作為人類三大科學(xué)思維方式[2]，盡管人們對其關(guān)注較晚，但隨著信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，其在當(dāng)今信息社會的發(fā)展中已經(jīng)起著舉足輕重的作用并逐步成為信息教育領(lǐng)域廣泛關(guān)注的一個(gè)重要課題。計(jì)算思維的概念最早于2006年3月由時(shí)任美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette.M.Wing）教授提出。她在著名刊物《Communications of the ACM》上發(fā)表的題為“Computational Thinking”的文章中首次對計(jì)算思維的概念進(jìn)行了界定，她認(rèn)為：計(jì)算思維即是運(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[3]。周教授同時(shí)強(qiáng)調(diào)：計(jì)算思維是每人都應(yīng)掌握的基本技能，而不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。我們在培養(yǎng)孩子的解析能力時(shí)不僅包括閱讀、寫作和算術(shù)（Reading，Writing and Arithmetic—3R），還應(yīng)包括計(jì)算思維。正如印刷出版促進(jìn)了3R的普及一樣，計(jì)算和計(jì)算機(jī)也以類似的正反饋促進(jìn)了計(jì)算思維的傳播。根據(jù)周以真教授的觀點(diǎn)，計(jì)算思維有助于人們加深理解計(jì)算的本質(zhì)以及計(jì)算機(jī)求解問題的原理，同時(shí)可以提供一系列的觀點(diǎn)和方法來幫助人們有效解決問題，因此計(jì)算思維是人們在日常生活和工作學(xué)習(xí)中不可或缺的一種能力。計(jì)算思維的概念一經(jīng)提出，便得到了來自計(jì)算機(jī)科學(xué)、社會學(xué)、哲學(xué)以及教育學(xué)等領(lǐng)域的廣大海內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注。

1.2 計(jì)算思維的發(fā)展

在國外，歐洲工業(yè)界及科學(xué)界的領(lǐng)導(dǎo)者最先于2007年9月在布魯塞爾皇家科學(xué)院召開了名為“思維科學(xué)——?dú)W洲的下一個(gè)政策挑戰(zhàn)”的會議[4]，強(qiáng)調(diào)了計(jì)算思維的重要性；隨后，美國于2011 年將計(jì)算思維納入計(jì)算機(jī)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，即《CSTA K-12 標(biāo)準(zhǔn)（2011 修訂版）》；接著英國和澳大利亞也分別依次于2013年和2015年在其新信息技術(shù)課程中將計(jì)算思維作為重要內(nèi)容[5]。在我國，計(jì)算思維最早受到了高校計(jì)算機(jī)教育學(xué)界學(xué)者的關(guān)注，其最早的相關(guān)的會議是2008年10月在桂林召開的“計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”專題學(xué)術(shù)研討會。其間，有來自全國 80 多所高校的近百名計(jì)算機(jī)教育專家出席會議，會上，學(xué)者們根據(jù)計(jì)算思維的研究及其對科技創(chuàng)新與教育教學(xué)的重要作用為出發(fā)點(diǎn)，探討在計(jì)算機(jī)學(xué)科教學(xué)中如何發(fā)揮科學(xué)思維與科學(xué)方法的重要作用，同時(shí)探討如何在課堂教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的方法[6]。董榮勝教授在此次研討會上作了非常重要的大會報(bào)告，并將報(bào)告內(nèi)容以題為“計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論”的論文發(fā)表在2009年的《計(jì)算機(jī)科學(xué)》雜志上，并成為我國中文核心期刊上最早出現(xiàn)的關(guān)于計(jì)算思維的文獻(xiàn)。隨后，2010年7月，首屆“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會”上發(fā)布的《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，確定了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，其中明確指出此次教學(xué)改革的核心任務(wù)就是“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”。在此背景下，計(jì)算思維的重要性得到越來越多學(xué)者的認(rèn)可，相關(guān)的研究工作如雨后春筍大量涌現(xiàn)，計(jì)算思維的應(yīng)用研究內(nèi)容也由高等教育研究逐漸擴(kuò)展到中小學(xué)教育。特別是在2017新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，已進(jìn)一步明確指出計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科的四個(gè)核心要素之一，由此可見，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)不僅是國內(nèi)普通高校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的核心內(nèi)容，同時(shí)也是高中信息技術(shù)課程的重要內(nèi)容，我們堅(jiān)信，在未來構(gòu)建中小學(xué)的信息技術(shù)課程的教學(xué)體系中，計(jì)算思維的培養(yǎng)也將會被涉及和重視。因此，在初中信息技術(shù)課程教學(xué)過程中，為了進(jìn)一步提高學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)知識分析和解決問題的能力，思考如何有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力是非常值得深入探討的一個(gè)話題。

2 初中信息技術(shù)課程計(jì)算思維培養(yǎng)的方法和策略

計(jì)算思維能力包括算法化思維、分解問題、對信息與數(shù)據(jù)的抽象化、數(shù)學(xué)建模、可視化表達(dá)、邏輯化推理以及模塊化規(guī)劃等諸多方面。在信息技術(shù)課程中加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，就是要讓學(xué)生不僅掌握基本的信息技術(shù)操作能力，還要能夠理解由人、計(jì)算設(shè)備和信息構(gòu)成的信息系統(tǒng)的工作原理；通過多種不同方式來學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心概念與方法，同時(shí)培養(yǎng)他們的抽象與邏輯思考、系統(tǒng)化思考等計(jì)算思維，并借助信息技術(shù)作品的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，增進(jìn)計(jì)算思維的應(yīng)用能力和解決問題能力，加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作以及創(chuàng)新思考[1]。筆者認(rèn)為，為了在初中信息技術(shù)課程中有效地、全面地以及多方位地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，可以從以下三方面著手：一是加強(qiáng)學(xué)生的算法程序設(shè)計(jì)和編程能力；二是采用多樣化的課堂教學(xué)；三是將信息技術(shù)與學(xué)科課程合理整合。

2.1 加強(qiáng)算法程序設(shè)計(jì)和編程能力

算法與程序設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生體驗(yàn)算法思想，但編程教育在大部分中小學(xué)校通常也只為特長生提供而無法大規(guī)模開展。長期以來，由于不少學(xué)校教師和家長過分強(qiáng)調(diào)學(xué)生基礎(chǔ)學(xué)科的學(xué)習(xí)而忽略了信息技術(shù)課程的重要性，覺得信息技術(shù)課程可由可無，只要可以掌握基本的計(jì)算機(jī)操作能力即可，從而對信息技術(shù)課程的關(guān)注不夠，同時(shí)更是忽略了計(jì)算思維的培養(yǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在信息時(shí)代的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對人類社會的經(jīng)濟(jì)、文化和生活等各個(gè)方面的控制日益明顯，我們的世界也日益朝著程序化、數(shù)據(jù)化和智能化方向發(fā)展，如人臉識別、智能家居、智能機(jī)器人等無不給人們的生活帶來諸多便利。另外，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和人工智能等一系列深刻影響社會的“互聯(lián)網(wǎng)+”關(guān)鍵技術(shù)的迅速發(fā)展，使得越來越多的人渴求學(xué)習(xí)并利用這些技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，從而需要人們對計(jì)算機(jī)邏輯有更深入和直觀的理解，即要具備與計(jì)算機(jī)相近的計(jì)算思維及其與之關(guān)聯(lián)的能力。于是，“從小就編程”逐漸得到越來越多人的共識。作為信息技術(shù)學(xué)科的教師更應(yīng)該對初中生加強(qiáng)這方面的培養(yǎng)，并積極開展相關(guān)的競賽活動來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣。例如，在信息技術(shù)課堂開展機(jī)器人教學(xué)并鼓勵(lì)學(xué)生積極參加機(jī)器人競賽就會對培養(yǎng)學(xué)生的編程能力起到非常重要的作用。在我國，自從2001年以來，一年一屆的“中國青少年機(jī)器人競賽”的成功召開，有力激發(fā)了我國中小學(xué)生對機(jī)器人技術(shù)的興趣，培養(yǎng)了他們動手、動腦的能力。參賽過程中，需要參賽隊(duì)員通過在現(xiàn)場自行拼裝機(jī)器人、編制機(jī)器人運(yùn)行程序、然后調(diào)試和操作機(jī)器人解決預(yù)先設(shè)置的任務(wù)，這充分培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力以及團(tuán)隊(duì)合作，有力加強(qiáng)了學(xué)生計(jì)算思維能力的發(fā)展。另外，將機(jī)器人和游戲的設(shè)計(jì)與開發(fā)等課程中所利用的高級計(jì)算機(jī)編程語言引入信息技術(shù)課堂，也是培養(yǎng)中小學(xué)生計(jì)算思維的有效途徑。目前，為了更好地對高中生實(shí)施并落實(shí)計(jì)算思維的培養(yǎng)，Python語言編程基礎(chǔ)已被納入部分省份的信息技術(shù)課程與高考的內(nèi)容體系，可以預(yù)見，Python語言也將會迅速進(jìn)入我國中小學(xué)課堂。因此，利用Python等編程語言進(jìn)入課堂為契機(jī)，深入探索培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的有效模式和方法，也將具有非常重要的作用。

總之，加強(qiáng)學(xué)生編程能力，在信息技術(shù)課程中積極開展相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，可以促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展，同時(shí)將會為學(xué)生日后從事現(xiàn)代科學(xué)研究與工程實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 多樣化的課堂教學(xué)

教師在設(shè)計(jì)信息技術(shù)課程的教學(xué)活動時(shí)，可針對培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力中的算法化思維、分解問題、對信息與數(shù)據(jù)的抽象化、數(shù)學(xué)建模、可視化表達(dá)、邏輯化推理以及模塊化規(guī)劃中的一個(gè)或者多個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，在初中信息技術(shù)課程的“計(jì)算機(jī)硬件組成”的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師可以直接將電腦現(xiàn)場拆開，并向?qū)W生展示和介紹計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各個(gè)組成部分的名稱、功能及簡單的工作原理，讓學(xué)生親歷其分解的整個(gè)過程，以培養(yǎng)其分解問題的能力。

2.3 信息技術(shù)與學(xué)科課程合理整合

將信息技術(shù)與其它學(xué)科合理整合，同樣可以加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。在國外計(jì)算思維培養(yǎng)的課程中，不僅涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算機(jī)編程的相關(guān)課程，還有諸多成功將計(jì)算思維與語言藝術(shù)、數(shù)學(xué)等課程等相結(jié)合的優(yōu)秀案例。例如，Paul Miller[8]的案例研究報(bào)告了一個(gè)耳聾的13歲男孩Navon，在接觸了三個(gè)月的計(jì)算機(jī)程序語言Logo后，盡管幾乎Navon完全缺乏說話技能，但他還是在編程技能方面還是取得了較大的進(jìn)步。Ken Kahn等人[9]研究了在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中教學(xué)活動的設(shè)計(jì)與實(shí)施情況，這項(xiàng)研究的是WebLabs項(xiàng)目的一部分。該項(xiàng)目由來自一些歐洲國家的學(xué)生通過建立計(jì)算模型和程序來探索數(shù)學(xué)和科學(xué)中的話題。Ken Kahn等人專注于通過解釋并構(gòu)造ToonTalk語言以使學(xué)生探索無限集中基數(shù)的概念。實(shí)踐表明，這樣的方式能讓學(xué)生理解相關(guān)的數(shù)學(xué)概念。因此，信息技術(shù)與學(xué)科課程的合理整合，不僅能在程序設(shè)計(jì)等“專門”的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，還可以在應(yīng)用計(jì)算機(jī)語言及相關(guān)課程的教學(xué)中，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展。

3 總結(jié)

創(chuàng)新型人才是當(dāng)今世界的核心競爭力。計(jì)算思維是創(chuàng)新性人才的基本素質(zhì)和要求之一，新思想、新方法以及新研究成果的出現(xiàn)，會促進(jìn)人們思維模式朝著“計(jì)算思維”轉(zhuǎn)變，同時(shí)也會帶來自然科學(xué)與工程、社會經(jīng)濟(jì)與技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展。要想在自然科學(xué)與工程等領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，對計(jì)算思維的研究和培養(yǎng)必不可少。近十年來，計(jì)算思維的理念已在我國高校得到了大力推廣。作為提升學(xué)生信息素養(yǎng)的中小學(xué)信息技術(shù)課程，也應(yīng)承擔(dān)起培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的重任。這就要求我們中小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科教師在開展教學(xué)的活動中，要重視學(xué)生計(jì)算思維的有效培養(yǎng)，同時(shí)還要在教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中不斷探索挖掘?qū)W科教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)的計(jì)算思維并設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)課程，為培養(yǎng)“像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思維”的創(chuàng)新型人才奉獻(xiàn)一份力量。

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