計(jì)算思維培養(yǎng)在K-12階段的應(yīng)用研究

牟亞 周雄俊

摘 ?要 為了全面地了解計(jì)算思維在基礎(chǔ)教育階段的應(yīng)用情況，閱讀與分析相關(guān)文獻(xiàn)，研究可知，當(dāng)前國內(nèi)計(jì)算思維培養(yǎng)研究正逐漸將關(guān)注的重心從大學(xué)轉(zhuǎn)向K-12階段，主要討論計(jì)算思維的內(nèi)涵與應(yīng)用方面;國外計(jì)算思維培養(yǎng)的研究主要關(guān)注K-12階段，側(cè)重于計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐和評估。在對計(jì)算思維培養(yǎng)在中小學(xué)階段的應(yīng)用情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合思維培養(yǎng)提出計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)策略，以期為教師進(jìn)行計(jì)算思維培養(yǎng)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞 計(jì)算思維;K-12;信息技術(shù);核心素養(yǎng);Scratch;App

Inventor

中圖分類號：G652 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）13-0077-03

1 引言

計(jì)算思維不是一個(gè)新的概念，從早期的計(jì)算到現(xiàn)代的算法思維、程序思維，都蘊(yùn)含計(jì)算思維的概念。1980年，麻省理工學(xué)院的西摩派伯特·帕爾特教授在《頭腦風(fēng)暴：兒童、計(jì)算機(jī)及充滿活力的創(chuàng)意》中首次提出計(jì)算思維一詞。1996年，派伯特首次對計(jì)算思維進(jìn)行了簡單的定義，認(rèn)為計(jì)算思維是使用計(jì)算的特點(diǎn)來清晰地表達(dá)觀點(diǎn)和想法的過程。在此之前，計(jì)算思維不被研究者關(guān)注與重視，直到2006年，周以真教授在計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《美國計(jì)算機(jī)協(xié)會通訊》中第一次明確定義了計(jì)算思維，認(rèn)為計(jì)算思維是使用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想和方法思考問題、解決問題等一系列的思維過程[1]。自此之后，計(jì)算思維受到國際計(jì)算機(jī)界和教育界的廣泛關(guān)注。

在中國知網(wǎng)搜索題名為“計(jì)算思維”的核心期刊文獻(xiàn)和博士、碩士學(xué)位論文，檢索截至2018年12月31日，共檢索出150篇核心文獻(xiàn)，59篇博士、碩士學(xué)位論文。經(jīng)過整理去除無關(guān)文獻(xiàn)后，將剩余的203篇作為本研究的有效期刊文獻(xiàn)樣本。國外文獻(xiàn)的收集，通過挖掘文獻(xiàn)的參考文獻(xiàn)的方式獲得。

分析得知，國內(nèi)計(jì)算思維培養(yǎng)的研究還較淺顯，理論方面，主要探討了計(jì)算思維的理解、特點(diǎn)與應(yīng)用價(jià)值等;實(shí)踐方面，是在高校中以編程類課程為主進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，中小學(xué)涉及相對較少。另外，計(jì)算思維概念提出以后，并沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，也沒有系統(tǒng)的理論體系。研究者在對計(jì)算思維理論方面的研究不夠深入的情況下，已經(jīng)轉(zhuǎn)向計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐研究。面對這種情況，其教學(xué)實(shí)踐研究可能受到阻礙。

而國外計(jì)算思維的研究相對成熟，理論方面，主要是對計(jì)算思維概念進(jìn)行理解;實(shí)踐方面，是在K-12段以“計(jì)算機(jī)技術(shù)”為主進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐研究，重視計(jì)算思維評價(jià)框架的建立，以分析教學(xué)實(shí)踐的效果。

2 計(jì)算思維的理解

隨著信息時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步，利用計(jì)算工具的普適性和豐富性，人們的思維方式和生活方式正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，而計(jì)算思維適應(yīng)時(shí)代和社會的需求，被國際計(jì)算機(jī)界和計(jì)算機(jī)教育界作為重要的關(guān)注內(nèi)容。計(jì)算思維是一項(xiàng)基本能力，是每個(gè)人必須具備的基本技能，應(yīng)該從小培養(yǎng)以適應(yīng)人的終身發(fā)展和全面發(fā)展。但是由于學(xué)者的文化背景不同，所處學(xué)習(xí)領(lǐng)域不同，對計(jì)算思維的理解也不盡相同。

2006年，周以真教授提出計(jì)算思維是像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣去分析問題、解決問題[1]，是一種遞歸思維、分析思維，影響著幾乎所有學(xué)科的研究，是每一個(gè)人的思維[2]。2011年，美國國際教育技術(shù)協(xié)會與美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會定義計(jì)算思維是數(shù)據(jù)收集、分析和表示，利用算法思維制訂解決方案，并將問題解決過程中的思維與方法應(yīng)用到其他領(lǐng)域[3]。

2012年，英國學(xué)校計(jì)算機(jī)課程工作小組將計(jì)算思維定義為使用計(jì)算方法來理解人工信息系統(tǒng)和自然信息系統(tǒng)的過程，是遞歸能力、抽象能力、邏輯能力和算法能力的綜合體現(xiàn)[4]。2016年，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會在《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》中定義計(jì)算思維是一種解決問題的方法論[5]。

以周以真教授定義的計(jì)算思維觀點(diǎn)為參照，陳國良、董榮勝認(rèn)為，計(jì)算思維是以設(shè)計(jì)、抽象、自動化等計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本方法，計(jì)算、解決問題的思維活動[6];王飛躍認(rèn)為，計(jì)算思維是利用計(jì)算手段解決問題的思維過程[7];陳國良認(rèn)為，計(jì)算思維是利用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的基本方法，把一個(gè)復(fù)雜、困難的問題抽象轉(zhuǎn)化成人們能夠理解的形式并解決問題[8];《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出，計(jì)算思維是抽象思維、算法思維、總結(jié)思維和遷移思維[9]。

綜上所述，計(jì)算思維自2006年周以真教授提出以后，引起國際計(jì)算機(jī)界、教育界的廣泛關(guān)注，各國教育部門、學(xué)者對計(jì)算思維進(jìn)行了分析與應(yīng)用研究，不同的國家、組織和部門對計(jì)算思維的理解主要是從理論方面、實(shí)踐操作、計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域、思維培養(yǎng)角度四個(gè)方面來定義。不論從何種角度定義計(jì)算思維，都可以看出計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象問題并找到最合適的解決方法的思維活動。

3 計(jì)算思維培養(yǎng)在K-12階段的情況

自從2006年周以真教授對計(jì)算思維進(jìn)行系統(tǒng)化定義后，隨著國內(nèi)外組織和學(xué)者對計(jì)算思維進(jìn)行的理論與實(shí)踐研究，使計(jì)算思維的概念逐漸清晰和明確，如何培養(yǎng)計(jì)算思維成為計(jì)算機(jī)界、教育界重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

計(jì)算思維應(yīng)用 ?2011年，美國將計(jì)算思維內(nèi)容納入基礎(chǔ)教育課程中。2012年，新西蘭將計(jì)算機(jī)科學(xué)課程確定為高中學(xué)段的必修內(nèi)容。2013年，英國實(shí)施“新課程計(jì)劃”，將中小學(xué)“信息通信技術(shù)”改成“計(jì)算課程”。2015年，澳大利亞實(shí)施“新課程方案”。2016年，芬蘭在開設(shè)的新課程中強(qiáng)調(diào)學(xué)生數(shù)字能力的培養(yǎng)。我國C9高校聯(lián)盟發(fā)布的聲明、教育部教高司函〔2012〕188號文件、教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會發(fā)布的《計(jì)算思維教學(xué)改革宣言》都強(qiáng)調(diào)了計(jì)算思維培養(yǎng)的重要性，并進(jìn)行了相關(guān)的理論研究與教學(xué)實(shí)踐。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》根據(jù)信息技術(shù)學(xué)科的大概念提出學(xué)科核心素養(yǎng)，明確了計(jì)算思維的核心價(jià)值地位。由此可見計(jì)算思維培養(yǎng)在K-12階段的重要作用，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要著力點(diǎn)。

綜上所述，可以看出，國外計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐研究主要開始于K-12階段，國內(nèi)對計(jì)算思維培養(yǎng)的研究始于普通高等教育階段，也側(cè)重于普通高等教育階段。隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算在社會、工作、學(xué)習(xí)等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，計(jì)算思維的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐由較多地關(guān)注高等教育領(lǐng)域開始轉(zhuǎn)向K-12階段，讓計(jì)算思維同閱讀、寫作、算法一樣，從小培養(yǎng)，全面培養(yǎng)。計(jì)算思維能夠使人們以一種全新的視角去觀察和理解周圍的世界，是人們不斷學(xué)習(xí)和發(fā)展過程中必須具備的一種思維能力。因此，計(jì)算思維培養(yǎng)在中小學(xué)階段占據(jù)重要地位。

計(jì)算思維在K-12階段的培養(yǎng)情況 ?2017年，地平線報(bào)告（基礎(chǔ)教育版）指出，計(jì)算思維是一項(xiàng)基本技能，具有使用計(jì)算工具形成問題解決方案的能力，同閱讀、寫作、算術(shù)一樣需要熟練掌握。這就進(jìn)一步明確了計(jì)算思維培養(yǎng)在K-12階段的重要地位。筆者從課程、培養(yǎng)工具等方面總結(jié)國內(nèi)外計(jì)算思維在K-12階段的培養(yǎng)實(shí)踐概況，如表1、表2所示。

綜上所述，通過對國內(nèi)外計(jì)算思維培養(yǎng)在K-12階段的實(shí)踐情況分析可知，幾乎都是在計(jì)算課程和信息技術(shù)課程中開展的教學(xué)實(shí)踐活動，大多數(shù)是采用可視化編程或編程工具對學(xué)生的計(jì)算思維能力進(jìn)行培養(yǎng)。進(jìn)一步，對國內(nèi)計(jì)算思維培養(yǎng)文獻(xiàn)分析可知，小學(xué)階段主要是采用Scratch和App Inventor等進(jìn)行計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，高中階段主要是采用編程等進(jìn)行計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，初中的計(jì)算思維培養(yǎng)研究很少;研究主要關(guān)注計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)活動、教學(xué)方式等，探討計(jì)算思維培養(yǎng)在中小學(xué)課程教學(xué)中的教學(xué)實(shí)踐不足;計(jì)算思維評價(jià)方式單一，大多數(shù)采用問卷、觀察和訪談等方式，沒有成熟、系統(tǒng)的計(jì)算思維評價(jià)體系。

4 結(jié)語

通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)分析可知，計(jì)算思維在K-12階段的應(yīng)用研究初有成效，如提出計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)模式、計(jì)算思維評價(jià)框架等。但是，計(jì)算思維培養(yǎng)的研究還有很多不足，還需要完善，如計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)策略、計(jì)算思維培養(yǎng)工具、計(jì)算思維培養(yǎng)效果檢驗(yàn)等方面。本文根據(jù)計(jì)算思維培養(yǎng)的相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)出計(jì)算思維培養(yǎng)在K-12階段教學(xué)過程中應(yīng)采取的教學(xué)策略。

營造良好的課堂環(huán)境，注重對話式討論 ?傳統(tǒng)的課堂是以教師為中心的教學(xué)過程，學(xué)生被動、被迫地學(xué)習(xí)，對學(xué)生的主動性、積極性等造成影響，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效率較低。因此，需要營造一種能夠讓學(xué)生暢所欲言、自由發(fā)揮的課堂環(huán)境，建立一種新型的師生關(guān)系，讓師生之間能夠平等、自由地交流。再者，促進(jìn)思維教學(xué)的策略有三種，分別是照本宣科策略、問題策略以及對話策略，這三種教學(xué)策略都可以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。但是對話策略最適合思維的培養(yǎng)，因?yàn)檫@種策略鼓勵(lì)學(xué)生與教師進(jìn)行交流，教師通過提問引導(dǎo)學(xué)生，刺激學(xué)生去思考;學(xué)生根據(jù)教師的問題，通過分析、討論等一步一步地深入。

個(gè)人探究與小組討論相結(jié)合 ?社會生活中出現(xiàn)過這種情況，在學(xué)校各方面都表現(xiàn)優(yōu)異的學(xué)生，到了社會上卻在工作中、生活中屢屢碰壁。當(dāng)然，這樣的情況只是少數(shù)。為什么會出現(xiàn)這樣的情況？傳統(tǒng)教學(xué)強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生的個(gè)人學(xué)習(xí)情況，而社會中不再是一個(gè)人的事情，且一個(gè)人的能力也有限，大多數(shù)是幾個(gè)人、幾十個(gè)人等合作完成一個(gè)項(xiàng)目。傳統(tǒng)課堂忽視小組合作學(xué)習(xí)的方式，而真實(shí)世界重視和需要這種方式。因此，學(xué)生既需要具備獨(dú)立學(xué)習(xí)、探究的能力，也應(yīng)該可以在團(tuán)體學(xué)習(xí)中貢獻(xiàn)自己的智慧。

注重元認(rèn)知學(xué)習(xí)的過程 ?元認(rèn)知是指學(xué)生能夠進(jìn)行認(rèn)知活動并能夠?qū)φJ(rèn)知過程進(jìn)行積極的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。計(jì)算思維培養(yǎng)的最終目的是讓學(xué)生具有分析問題、解決問題的思維與方法。這種思維與方法是在學(xué)習(xí)過程中慢慢形成的，高中生應(yīng)該意識到自己思考了什么，解決了什么問題，怎么解決的，等等，以便對自己的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行反思、調(diào)整，提升學(xué)習(xí)效率;能夠?qū)ψ约旱膶W(xué)習(xí)過程產(chǎn)生的思維與方法進(jìn)行整理、綜合，形成系統(tǒng)化的計(jì)算思維，解決其他類似的問題。

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