計(jì)算思維對(duì)中小學(xué)信息技術(shù)課程的影響初探

王榮良

華東師范大學(xué)中小學(xué)信息技術(shù)教育研究中心 上海 200062

1 計(jì)算思維辨析

2006年3月，曾任美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任，現(xiàn)任美國(guó)基金會(huì)（MSP）計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)與工程部（CISE）主任的周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志ACM會(huì)刊Communications of the ACM雜志上，首次提出計(jì)算思維（Computational Thinking）：計(jì)算思維是運(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(dòng)[1]。

計(jì)算思維這一觀念一經(jīng)提出，立即得到美國(guó)教育界的廣泛支持，并引起歐洲的極大關(guān)注。2007年9月19日，歐洲科學(xué)界、工業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)者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(huì)議[2]。2008年10月31日，我國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)在桂林召開關(guān)于“計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”專題學(xué)術(shù)研討會(huì)，來自全國(guó)80多所高校，包括70多位計(jì)算機(jī)學(xué)院院長(zhǎng)、主管教學(xué)副院長(zhǎng)在內(nèi)的近百名專家出席會(huì)議，根據(jù)“計(jì)算思維”領(lǐng)域的研究以及它在科技創(chuàng)新與教育教學(xué)中的重要作用，探討科學(xué)思維與科學(xué)方法在計(jì)算機(jī)學(xué)科教學(xué)中的作用以及在教學(xué)過程中如何以課程為載體講授面向?qū)W科的思維方法，以共同促進(jìn)國(guó)家科學(xué)與教育事業(yè)的進(jìn)步[3]。

根據(jù)周以真教授的觀點(diǎn)，計(jì)算思維就是通過約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來困難的問題重新闡述成一個(gè)人們知道怎樣解決的問題。計(jì)算思維是一種遞歸思維，它把代碼譯成數(shù)據(jù)，又把數(shù)據(jù)譯成代碼；計(jì)算思維采用抽象和分解來迎接龐雜的任務(wù)或者設(shè)計(jì)巨大復(fù)雜的系統(tǒng)；計(jì)算思維是按照預(yù)防、保護(hù)以及通過冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式從最壞情況恢復(fù)的一種思維；計(jì)算思維利用啟發(fā)式推理來尋求解答，即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)試；計(jì)算思維利用海量數(shù)據(jù)來加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間、在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行權(quán)衡。

計(jì)算思維與生活密切相關(guān)：當(dāng)你早晨上學(xué)時(shí)，把當(dāng)天所需要的東西放進(jìn)背包，這就是“預(yù)置和緩存”；當(dāng)有人丟失自己的物品，你建議他沿著走過的路線去尋找，這就叫“回推”；對(duì)自己租房還是買房作出決策，這就是“在線算法”；在超市付費(fèi)時(shí)，決定排哪個(gè)隊(duì)，這就是“多服務(wù)器系統(tǒng)”的性能模型；此外還有“失敗無關(guān)性”和“設(shè)計(jì)冗余性”。由此可見，計(jì)算思維與人們的工作與生活密切相關(guān)，計(jì)算思維應(yīng)當(dāng)成為人類不可或缺的一種生存能力。

2 信息技術(shù)與計(jì)算思維的關(guān)系

信息技術(shù)是關(guān)于信息的產(chǎn)生、發(fā)送、傳輸、接收、變換、識(shí)別、控制等應(yīng)用技術(shù)的總稱，是在信息科學(xué)的基本原理和方法的指導(dǎo)下擴(kuò)展人類信息處理功能的技術(shù)。作為現(xiàn)代信息技術(shù)，包括通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和遙感技術(shù)等。當(dāng)今社會(huì)，人們已經(jīng)離不開信息技術(shù)。

從表現(xiàn)形式來看，信息技術(shù)可以應(yīng)用在機(jī)械、激光、電子、生物等多個(gè)方面。現(xiàn)代信息技術(shù)的核心技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是隨著普適計(jì)算的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的普及，從本質(zhì)而言，信息的自動(dòng)處理越來越依賴于以CPU為核心的計(jì)算機(jī)，只是計(jì)算機(jī)的物理表現(xiàn)形態(tài)已不是傳統(tǒng)意義的計(jì)算機(jī)機(jī)箱。

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和存儲(chǔ)空間的不斷增長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)為人們提供了比數(shù)值計(jì)算更多的功能，人們已經(jīng)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了以前只能用紙和筆才能完成的符號(hào)計(jì)算或符號(hào)推理，計(jì)算物理學(xué)、計(jì)算化學(xué)、計(jì)算生物學(xué)等一批計(jì)算性學(xué)科的興起，尤其是相續(xù)興盛的各種非線性科學(xué)、人工智能、人工生命、遺傳算法理論、DNA計(jì)算機(jī)理論等，無不顯示了當(dāng)代科學(xué)數(shù)學(xué)化的一個(gè)新特點(diǎn)：計(jì)算化、算法化[4]。“萬物皆算法”成為科學(xué)數(shù)學(xué)化的當(dāng)代走向。

作為計(jì)算學(xué)科，是對(duì)信息描述和變換的算法過程的系統(tǒng)研究，包括理論、分析、設(shè)計(jì)、效率、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的研究[5]。抽象（Abstraction）和自動(dòng)化（Automation）（“2A”）是計(jì)算思維中兩個(gè)最根本的概念，即反映了計(jì)算學(xué)科的根本問題：什么能被（有效地）自動(dòng)化[6]。由此可見，作為以信息自動(dòng)處理為主要功能的信息技術(shù)，其核心思想是計(jì)算思維。而信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，反映了計(jì)算思維對(duì)現(xiàn)代人類的重要性。

3 計(jì)算思維對(duì)信息技術(shù)課程可能產(chǎn)生的作用

中小學(xué)信息技術(shù)課的前身是計(jì)算機(jī)課。我國(guó)從20世紀(jì)80年代初就開始在中小學(xué)開設(shè)計(jì)算機(jī)課程，教育部于2000年10月25日在北京召開的“全國(guó)中小學(xué)信息技術(shù)教育工作會(huì)議”是中小學(xué)信息技術(shù)教育全面發(fā)展的標(biāo)志性會(huì)議。2004年，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》的制訂進(jìn)一步推動(dòng)了信息技術(shù)課程的發(fā)展。信息技術(shù)課程與計(jì)算機(jī)課程的根本區(qū)別是如何看待計(jì)算機(jī)。課程的目標(biāo)從掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)和技能轉(zhuǎn)變到信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，從培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的興趣，掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)，提高運(yùn)用計(jì)算機(jī)的能力到學(xué)生通過學(xué)習(xí)信息技術(shù)，能有效地利用信息工具和信息資源來改善自己的學(xué)習(xí)方式，樹立利用信息工具解決問題的思想。

從《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》對(duì)提高學(xué)生信息素養(yǎng)的課程目標(biāo)可以看出，學(xué)生的信息素養(yǎng)表現(xiàn)在：對(duì)信息的獲取、加工、管理、表達(dá)與交流的能力；對(duì)信息及信息活動(dòng)的過程、方法、結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)的能力；發(fā)表觀點(diǎn)、交流思想、開展合作并解決學(xué)習(xí)和生活中的實(shí)際問題的能力；遵守相關(guān)的倫理道德與法律法規(guī)，形成與信息社會(huì)相適應(yīng)的價(jià)值觀和責(zé)任感[7]。這樣，從知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀三方面全面描述了信息素養(yǎng)。

然而，信息技術(shù)課程在強(qiáng)調(diào)用信息技術(shù)工具解決實(shí)際問題過程中，一直沒有很好地解決對(duì)信息技術(shù)核心工具即計(jì)算機(jī)的理解。事實(shí)上，計(jì)算機(jī)作為一種信息自動(dòng)處理工具，不僅是工具應(yīng)用，而且工具處理信息的思想都應(yīng)該被現(xiàn)代社會(huì)公民所掌握，并且后者比前者更為重要。文獻(xiàn)[8]在反思中小學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)的基礎(chǔ)上，從問題求解、形式規(guī)整、人機(jī)共存3個(gè)方面闡述了算法思維，并提出目前“算法與程序設(shè)計(jì)”教學(xué)要從重視程序設(shè)計(jì)、重視算法細(xì)節(jié)轉(zhuǎn)移到重視算法思維，如同算法是信息處理的核心技術(shù)一樣，算法思維可以成為信息技術(shù)課程的核心思維。

對(duì)計(jì)算思維的討論，促進(jìn)了ACM對(duì)CC2001（美國(guó)關(guān)于大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)的教學(xué)大綱）的修改，倡導(dǎo)“計(jì)算思維”與“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計(jì)算思維的本質(zhì)。對(duì)計(jì)算思維的討論，同樣也會(huì)促進(jìn)對(duì)中小學(xué)信息技術(shù)課程價(jià)值的討論。

首先，計(jì)算思維的討論促進(jìn)人們從信息素養(yǎng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)向?qū)π畔⒓夹g(shù)工具本身的關(guān)注，反思計(jì)算機(jī)課程，重視計(jì)算教育。這是一種“基礎(chǔ)的回歸”，把學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)看成學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)或英語一樣的基礎(chǔ)知識(shí)[2]。必須重新審視飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)，挖掘其相對(duì)穩(wěn)定的教育價(jià)值。

其次，計(jì)算思維的討論促進(jìn)改革中小學(xué)現(xiàn)有的程序設(shè)計(jì)教學(xué)，重新探討算法與程序設(shè)計(jì)在信息技術(shù)課程中的地位與作用，優(yōu)選“算法與程序設(shè)計(jì)”的教學(xué)內(nèi)容，改善“算法與程序設(shè)計(jì)”的教學(xué)方法，促進(jìn)算法思維在信息技術(shù)課程中以適切的形式呈現(xiàn)。

第三，計(jì)算思維促進(jìn)人們探討人與信息技術(shù)工具的辯證關(guān)系。計(jì)算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要求人類像計(jì)算機(jī)那樣思考。計(jì)算機(jī)枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力，是人類賦予計(jì)算機(jī)激情。計(jì)算思維極大地豐富了信息技術(shù)課程的情感態(tài)度價(jià)值觀的教學(xué)內(nèi)容與價(jià)值。

計(jì)算思維不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)家的思維，它已不局限于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，應(yīng)該成為每個(gè)人的技能組合成分。理解這一點(diǎn)，就需要重新研究信息技術(shù)課程的教育價(jià)值。

4 結(jié)言

綜上所述，可以這樣認(rèn)識(shí)計(jì)算思維：計(jì)算機(jī)思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念來進(jìn)行問題的求解、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及人類行為的理解，它是一種計(jì)算機(jī)學(xué)科的方法論，也與人們的工作、生活密切相關(guān)。計(jì)算思維是一種本質(zhì)的、所有人都具備的思維方式，就像閱讀、寫字、做算法一樣，成為人們最基礎(chǔ)、最普遍、最適用的和不可缺少的基礎(chǔ)思維方式。

在大學(xué)推進(jìn)計(jì)算思維這一基本理念的教育和傳播工作十分重要，通過計(jì)算思維的教育，讓所有專業(yè)的大學(xué)新生能夠“像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思維”。與此對(duì)應(yīng)，在基礎(chǔ)教育中，讓將來的現(xiàn)代社會(huì)公民掌握計(jì)算思維比學(xué)會(huì)操作計(jì)算機(jī)更為重要。只有當(dāng)計(jì)算思維成為一種本質(zhì)的、所有人都具備的思維方式，使計(jì)算思維成為人類活動(dòng)的整體，才能激發(fā)人們對(duì)科學(xué)探索的興趣，使計(jì)算思維成為一種常識(shí)。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)該承擔(dān)起計(jì)算思維教育的重任。

[1]Wing J M. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM,2006(3):33-35.

[2]袁開榜.二十一世紀(jì)，人們應(yīng)該具有計(jì)算思維能力[J].計(jì)算機(jī)教育,2011(10):30-33.

[3]牟琴,譚良.計(jì)算思維的研究及進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2011(3):10-15.

[4]郝寧汀.從“萬物皆數(shù)”到“萬物皆算法”[J].科學(xué)技術(shù)與辯證法,2002(2):14-17.

[5]董榮勝.計(jì)算教育哲學(xué)初探[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2000(1):93-97.

[6]董榮勝.計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2009(4):50-52.

[7]王吉慶.信息技術(shù)課程論[M].保定:河北大學(xué)出版社,2004:67.

[8]王榮良.信息技術(shù)課程中算法學(xué)習(xí)的價(jià)值探索[J].中國(guó)電化教育,2008(8):79-81.