泛“計算思維”時代的深思考

潘思闊

隨著信息化的發(fā)展，全球化的盛行，教育漸漸走上流行化的趨勢，信息技術(shù)自然也不例外。翻轉(zhuǎn)課堂熱度不減，微視頻風靡一時，計算思維方興未艾，成為學科的熱詞。每一個熱詞的提出，似乎都宣示著一種創(chuàng)新與變革。其實，仔細想來，哪有那么多新概念？又怎會一直在變革？不過是我們越來越接近學習的真實目標和規(guī)律。今天，我想在信息技術(shù)學科課程改革熱的大背景下，以一名普通教師的視角，談一下對計算思維的認識。

尋根溯源：計算思維是什么？要培養(yǎng)什么？

計算思維是什么？新課標給出了一個完整的闡釋：計算思維是指個體運用計算機科學領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產(chǎn)生的一系列思維活動。其實，何止計算機領(lǐng)域，每個學科的學習都在塑造一種思維：文史科目塑造人文主義情懷，數(shù)理化培養(yǎng)扎實嚴謹?shù)膽B(tài)度。但能將問題抽象化、模型化之后，給出一種高效、可行、便捷的解決方案的，恐怕還真是非我們學科莫屬了。

為了搞清楚什么是計算思維，我特地檢索了其提出者美籍華人周以真博士。作為卡梅隆大學的教授，她最早提出的計算思維的概念，其實是基于大學的課程體系。比如操作系統(tǒng)課上，我們會學習“時間片輪轉(zhuǎn)”，我們會學習“加鎖與解鎖”。這些東西，具體到生活中，就是周博士提出的“既要把菜燒熟，又不能把粥放涼”的問題：其實在做飯的時候，是存在一個“調(diào)度”問題的。什么時間洗菜、切菜，什么時間鍋里熱油，什么時間另一個灶上煮粥，怎么拿捏家人回來時飯菜的熱度與口感……我們期望的是，學過操作系統(tǒng)調(diào)度的人，可以更好的做好統(tǒng)籌調(diào)度，可以下意識地運用這種思維來提高效率、兼顧效果，這就是計算思維最早提出來的要義所在。

在理解了計算思維的起源之后，我們就更能體會到其重要性，更能體會到我們學科訓練思維、指導生活的優(yōu)勢所在。正如華東師范大學李鋒博士所總結(jié)的，我們的培養(yǎng)目標，既有形象化到模型化的問題建構(gòu)，更有從自動化到系統(tǒng)化的具體實現(xiàn)與延拓。所以，計算思維作為學科的核心素養(yǎng)之一，當之無愧。

典型案例：二分查找算法（折半查找）。

我們會在課上學習其原理并用一門語言來實現(xiàn)它，但重點還真不是寫代碼的過程，甚至于課上小部分學生沒寫出其實現(xiàn)代碼也無傷大雅，重要的是二分思維。例如，查找4可以用“折中偏左”的定位法，如下圖所示。

以上二分思維的理解與運用遷移到生活中有什么實際效用嗎？當然有。試想一下，學生的水杯丟了，我們拿到了整個監(jiān)控視頻，如何最快地找出拿杯子的人呢？答案就是先把進度條拖到中間，看看杯子還在不：如果不在了，再拖動進度條到前面一半中間；如果還在，就拖動到后面這一半中間……如此循環(huán)反復。這是我們的課堂中要傳達出來的東西，也是學以致用最典型的體現(xiàn)。這種思維對生活實踐的指導，是我們最需要的。畢竟我們高中信息技術(shù)課，并不是直接培養(yǎng)程序員、工程師。我們只是在透過技術(shù)啟發(fā)思維，指導實踐。學生將來可能是從事各行各業(yè)的獨立個體，但這種思維卻是可以讓他們受益終生的。

高屋建瓴：計算思維就是算法嗎？就是編程嗎？

所謂高屋建瓴，就是別把格局定小了。把計算思維等同于算法，等同于程序設(shè)計顯然是偏頗的，盡管編程解決現(xiàn)實問題是一種非常典型的計算思維的運用。其實，計算思維作為一種思維，如果把問題的解決認為是一種泛義上的“計算”的話，那么“怎么算”，其實是比“算出來”要重要的多。怎么算，是一個大概念，涉及計算機各個領(lǐng)域，乃至生活各個領(lǐng)域。

大家都知道，新課改后我們有兩個必修模塊，分別是數(shù)據(jù)與計算、信息系統(tǒng)與社會。數(shù)據(jù)與計算模塊包含最典型的蘊含計算思維的算法與程序設(shè)計部分。不管是經(jīng)典的“雞兔同籠”“韓信點兵”問題，還是“石頭剪刀布”游戲設(shè)計、“繪制屏保圖像”探索過程，其實都是在宏觀上設(shè)計方法，微觀上具象到步驟的過程。這就好比，從圖紙到建筑，從草圖到機械：思維絕對是不可或缺的，而且很多時候是要經(jīng)過系統(tǒng)的學習、縝密的分析以及深度思考，才可以完成這種思維過程。這就是我們常說的算法設(shè)計，也是計算思維中“算”最直接的體現(xiàn)。

但是，如果僅僅把計算思維屈從在以上模塊，就太淺顯了。

第一，在信息系統(tǒng)與社會中同樣可以培養(yǎng)計算思維。譬如，新課標要求理解“信息系統(tǒng)”，具體一點就是B/S、C/S結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。表面上我們學的是后臺數(shù)據(jù)庫怎么運作，前臺數(shù)據(jù)怎么拉取與提交，登錄認證如何實現(xiàn)本機與服務(wù)器的交互，從而理解網(wǎng)站、App的運行原理。但除了技術(shù)之外，還應該傳達出來的是一種“前后端分離”的思想，一種“表現(xiàn)層”“業(yè)務(wù)層”“數(shù)據(jù)層”分離的思想，也就是分層邏輯。這種分層邏輯，會讓你做事更有條理，更有大局觀，說得再夸張一點，這甚至是一種領(lǐng)導力。OSI七層模型的學習，其實也是在訓練這種思維。他讓你不至于在打不開網(wǎng)頁的時候，重裝瀏覽器、重裝網(wǎng)卡驅(qū)動、重做系統(tǒng)之后，發(fā)現(xiàn)是網(wǎng)線沒插。延拓到生活中，利用這種思維，我們不至于處理問題時，老鼠啃天——無從下口，而是可以“統(tǒng)籌全局，循序漸進”，迅速進入角色，切入重點。

第二，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)選修里面的網(wǎng)絡(luò)安全部分也可以深入培養(yǎng)計算思維。我曾經(jīng)上過一堂公開課，以病毒、木馬、破解、攻擊等諸多專業(yè)術(shù)語為主線串接起幾個體驗案例。其中，包括自我復制病毒、QQ盜號木馬、壓縮包破解、抓包模擬微博登錄等，取得了不錯的課堂效果。這里具體來說說壓縮包破解，就是讓學生運行一段Python代碼，來模擬生日密碼的破解過程（雖然密碼破解用Python實現(xiàn)效率略低，但由于代碼的易讀性，更有利于學生理解“暴力破解”背后“字典窮舉”的本質(zhì)）。那各位來看，其實學生不用自己寫代碼，也是可以訓練計算思維的。這里的計算，就是“窮舉”。其實如果要深入一點，可以引導學生理解“字典”中決定破解效率的密碼排布概率學原理。緊接著，我們把密碼的概念擴大化，在本部分又簡要補充了一點加密原理。雖然只是淺顯的普及，但我相信，今后當學生看到電視中摩斯電碼之類的劇情時，腦海中應該會浮現(xiàn)出類似于明密文映射的“密碼本”。那大家看這是不是一種高級思維？這種思維往往可以使我們在生活中能透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質(zhì)。

這里我想要表達一下個人的一種觀點，我們以前很多類似課程設(shè)計上往往太“泛泛”了，泛泛到學生可以不動腦子就對問題脫口而出，泛泛到這節(jié)課學完只是學會了幾個電腦操作。這種看似熱鬧非凡實則人工造勢的“優(yōu)質(zhì)課”，其實是低級的、乏力的、經(jīng)不起考驗的，因為缺少了思維培養(yǎng)，特別是計算思維適當而必要的融入。那么如何把握這個度呢？這正是我接下來要說的問題。

本次新課標，是一次新的開局，是我們學科華麗逆襲、證明自己的一次機會，是信息技術(shù)課從漸漸庸俗化、套路化、乏味化，重回精致化、高端化、趣味化的一場翻身仗。計算思維作為一項核心素養(yǎng)，應該起到指引方向、貫穿始終的核心作用。我想，這對我們信息技術(shù)教師，特別是一線教師，提出了更高的要求。如果我們沒有深度思維，如果我們沒有算法思想，那怎么去啟迪思想，振刷精神？勢必很難適應新時代的課堂。

所以，當下機遇與挑戰(zhàn)共存，我們需要加強學習、深入思考，早做儲備。這樣，才能在愈多紛繁的新概念中保持清醒，才能在課程改革新高度下游刃有余，也才能在科技創(chuàng)新、立德樹人的大環(huán)境背景下貢獻自己的力量。