信息技術課程的反思與計算思維教育的必要性

學習怎么樣使用應用軟件并沒有什么錯誤。但是我想我們的學生能夠學習更多和更深的概念。

——周以真

學會像計算機科學家一樣思考有可能成為信息技術課程的目標之一。

——王榮良

中小學信息技術教育的學科價值除了讓學生掌握必要的知識與技能外，更重要的是培養學生運用這些知識和技能解決實際問題的能力。而要做到這一點，就一定要讓學生逐漸地熟悉信息技術學科的思維方式。

——李冬梅

記者：第一個問題提給王榮良老師，您去年曾在我們雜志上刊登了一篇介紹計算思維的文章，請問您當時為什么想要介紹計算思維的？第二個問題提給李冬梅老師，是什么原因促使您提及計算思維呢？

王榮良：很高興有機會通過貴刊交流有關計算思維的話題。上世紀80年代起，我就從事計算機本科專業教育，長期的困惑就是：相對于學生畢業工作，大學課堂教授的永遠是過時的技術，這是計算機技術飛速發展特征所產生的無奈。所以，探尋計算機學科的方法論，以希望實現授之“漁”而非“魚”始終是計算機教育的夢想。

計算思維概念最初是在大學公共計算機教育領域中興起的，是為了闡述學習計算機科學技術與從事計算機專業研發有無必然關系。計算思維努力想表明其普適性，即計算思維是對普通人都有用的，不僅僅是面對計算機專業開發人員，也不僅僅是為了能熟練使用計算機。中小學信息技術課程存在著同樣的困惑。我曾提出信息技術課程的三種思維（算法思維、工程思維、批判性思維）以及基于這三種思維引申的六種能力（形式化、工程化表達與實施能力；全局觀和優化能力；對工具的合理運用、操作能力；限定條件下發揮個性和創造能力；質疑與信息辨別能力；多種思維綜合運用能力），以期能從某一視角表述信息技術課程的學科核心圖譜。在努力推導、實踐和論證這三種思維、六種能力的過程中，我關注到國內外有關計算思維的討論，引入計算思維到中小學，可以讓未來的社會公民具備更強的信息社會適應能力，同時也可解決信息技術課程中存在的一些問題。學會像計算機科學家一樣思考有可能成為信息技術課程的目標之一。

李冬梅：是的，我曾經在談論信息技術學科價值的文章中提到過計算思維。我認為中小學信息技術教育的學科價值除了讓學生掌握必要的知識與技能外，更重要的是培養學生運用這些知識和技能解決實際問題的能力。而要做到這一點，就一定要讓學生逐漸地熟悉信息技術學科的思維方式。這也是信息技術學科的主要價值?！坝嬎闼季S”是計算機科學中討論的一個專業概念。由于要談中小學信息技術學科的價值，我通俗地討論了信息技術學科思維方式的四個特點。

第一是細致的分析性。當學生運用信息知識與技術去解決問題時，首先要理性地分析問題，將一個復雜的問題轉變為若干便于解決的簡單問題。通過細致的分析，可以自上向下，逐步求精，不斷將問題分解，直至計算機可以解決。這有助于培養學生的分析性思維方式。

第二是整體的結構性。通過分析問題，學生可以看到不同的層次和每個層次上不同的單元，這些層次和單元實際上組成了一個相互關聯的整體。只有從整體結構看問題，才能更好地認識不同層次和單元的地位、作用。這有助于培養學生的整體性思維方式。

第三是嚴謹的推理性。了解了問題的整體結構和部分間的關聯，就可以進行嚴謹的推理。從最基礎的問題開始求解，直到問題的整體解決。計算機為學生提供了訓練縝密思維能力的機會；在不斷發現方案中的錯誤問題和不斷地解決問題的人機互動過程中，鍛煉、提高了學生的故障診斷能力和推理能力。這有助于培養學生嚴謹的邏輯推理能力。

第四是精確的計算性。信息技術學科在處理和解決問題的過程中，有著大量精確的計算。借助計算機強大快速的計算功能和海量的存儲功能，能夠對問題進行詳細的數據分析，幫助學生更科學、更準確地表達概念，而不只是給出主觀的、籠統的說法。這有助于培養學生通過精確的計算進行分析性思維的能力。

當然，這些特點不是信息技術學科所獨有的，但它們在信息技術學科中有充分和鮮明的體現，都是信息技術學科思維方式所不可缺少的。也是學生在信息技術學科學習中能夠深刻感受到的特點。我認為用“計算思維”這個概念來概括信息技術學科思維方式的本質特征也是比較恰當的。

記者：你們認為目前中小學信息技術課程教學實踐中存在著哪些問題？

王榮良：關于信息技術課程教什么、怎么教，存在很多問題，這里不再贅述。其問題可能源于教材、教師、環境等，再往上追溯，則是由于信息技術發展過快以及信息技術課程目標不夠明確。如果再往上追溯呢？

作為圖書情報信息領域的信息素養，到信息技術課程領域發生水土不服是正常的。由于學界對信息素養內涵理解存在差異，也導致信息技術課程目標不斷搖擺。信息技術課程的不穩定，表面原因是信息技術的飛速發展，其本質是信息科學學科的不成熟，以及信息技術課程教學的理論在信息科學本質方面研究的缺乏。分析信息技術課程，目前人們對其工具性沒有異議，人文性也逐漸被接受，但其上位的信息科學學科體系的本身是什么還缺乏研究。

用信息科學的基本方法觀察目前的信息技術課程，課程主要是圍繞人、信息、工具（技術）三者的關系展開，信息是研究的對象，人是主體，可以處理信息，工具位于人與信息之間，在一定程度和范圍內幫助和替代人處理信息。信息技術課程圍繞以下三種關系展開教學：

第一種關系，“人是如何處理信息的”反映了人與信息的最基本關系，即信息在人類社會成員之間傳遞、傳播和交流規律，該關系屬于人類信息學范疇。信息技術課程努力想以此作為課程的核心內容，但實際上課程只能涉及其中一小部分。由于人信息處理的一般知識與技能的習得是漸進的、多渠道的，信息技術課程對這部分內容并不具有獨占性，也很難像數學、物理課程一樣系統論述。

我們處于信息社會龐雜的信息包圍之中，信息技術課程要求學生掌握信息處理的一般方法以后，更主要的是解決第二種關系“人是如何運用工具處理信息的”，以提高信息處理的效率和效果。第二種關系反映了人用工具高效處理信息的基本技能以及有效使用工具的意識。目前，國內以信息素養培養為課程目標的信息技術課程主要就是反映了第二種關系的學習要求。這是信息技術課程的主體學習內容，也是信息社會的公民應該具備的基本技能。由于信息技術的飛速發展，這部分學習內容最不穩定，這也是信息技術課程的困惑所在。

第三種關系，“工具是如何處理信息的”反映了工具信息學的學科思想和方法論。在信息技術課程中體現第三種關系的教學要求有三方面的好處：其一，其學科思想可以遷移至其他應用；其二，有利于應對信息技術的飛速發展；其三，為將來從事信息技術專業發展的學生提供基礎。我認為計算思維就是源于這一種關系，引入基礎教育，具有引領中小學信息技術課程可持續發展的作用。

李冬梅：目前中小學信息技術課程教學實踐（包括教材）中存在的主要問題是：

第一，對信息技術學科課程目標和價值，特別是對學科的思維方式缺乏深入的理解，因此，教學實踐中也就難以體現學科的深層次價值。

第二，缺少實現學科目標和價值的合理的教學評價體系，有些學校的教學實踐中根本就沒有教學評價。這種狀況嚴重影響了學科目標和價值的落實和實現，也降低了教學實踐的效果。

第三，課程設置不合理，導致教學實踐效率低下。目前，全國各地大多數初中，部分高中學校信息技術課程的設置為每周一節，即使一些高中學校每周設置兩節信息技術課，也是單節分開兩次上。

由于學科的特殊性，信息技術課程必須有特殊的教學環境，這一方面使得學生上信息技術課必須“跑”教室，另一方面也使得信息技術課堂教學的鞏固環節必須在學校完成。這樣一來，單節的信息技術課除了“跑”教室帶來時間上的損耗外，還要肩負著“學習新內容”和“鞏固所學”雙重任務，對于實踐性很強的教學內容，在短短的一節課里學生既要學習新內容，又要鞏固它，結果是學不透也鞏固不牢。一周后所學已基本忘記。因此，比較合理的課程設置是，每周至少兩課時，每兩節課連上。

記者：你們認為計算思維在中小學普及的必要性是什么？

周以真：我相信計算機科學教育，包括教授計算思維對于中學是有必要的。我相信不管學生從事什么樣的領域或者在最終從事的工作和職業中面對問題時，理解和應用計算機科學的概念的重要性。

美國和英國正在開發中學計算機科學課程。英國走得更為靠前——他們也正在開發小學計算機科學課程。

學習如何應用軟件的核心是計算機素養的核心。計算思維比計算機素養走得更遠，甚至計算機編程比計算機素養走得更遠。我想我們低估了我們的孩子學習怎么樣編程和學習計算機科學更為抽象和復雜的概念的能力。

學習怎么樣使用應用軟件并沒有什么錯誤。但是我想我們的學生能夠學習更多和更深的概念。

王榮良：計算（computing）是人類最基本的能力，目前計算存在的兩大形態就是人腦計算和機械計算。隨著大數據時代的到來，機械計算的普及要求越來越高。計算思維就是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為。計算思維就是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋成一個我們知道怎樣解決的問題。盡管學界對計算思維這一概念還有很多爭議，包括是computing thinking還是computational thinking，但計算思維很好地從思維的角度把人是如何處理信息和工具是如何處理信息有機地結合起來了。

從學生與社會的角度而言，如今所有的學生都生活于計算環境之中，現實的社會生活越來越離不開計算機系統和大量的計算機應用人員。計算機科學教育不僅可以幫助學生成為熟練的技術用戶，也可以使他們成為技術革新創造者，提高全人類的生活質量。

事實上，一般學生都熱愛計算，無論是計算機程序給他們提供的魔力般的感覺，還是喜歡藝術組合、描述、設計、規劃并促進個人視覺世界中的創造。計算思維可以為學生提供更多的學習機會，當計算思維的思想與方法幫助我們解決實際問題變得更加容易時，它就會產生飛躍，拓展我們對周圍世界的理解。

從信息技術課程存在與發展的需要來看，也需要學科思維。計算思維具備了一般學科思維的三個特征：核心性、穩定性、排他性。在信息科學技術體系中，計算機技術、網絡技術隸屬于工具信息學范疇，反映了智能化信息處理的一般方法；從計算機的發展歷史來看，盡管其制造工藝和實現技術有很大變化，但其以馮·諾依曼體結構為核心體系的基本思想變化不大；由計算機學科思維引申的反映人與機械計算關系的計算思維，具有排他性，在目前的基礎教育課程體系中，還沒有其他課程能夠承載這種思維。

有一種能力說，將培養學生使用信息技術解決實際問題的能力作為信息技術課程的核心價值是目前流行的一種說法，課程實施中也有這樣的做法。在信息技術課程中重視培養這樣的能力有其積極作用，但這項能力與信息技術課程的技能高度重合，存在的缺陷也是明顯的：能力說有一定的排他性，但隨著信息技術在操作友好性方面不斷改善，排他性會不斷削弱；因解決問題能力與使用信息技術的技能緊密相關性，使得能力說會隨著技術的發展與更替而出現一定的不穩定性；我們分析與信息技術相關能力結構就會發現，在使用信息技術解決問題能力的上位應該是學生在信息社會中的適應能力，與其同一層次的還有學習新技術的能力，而解決問題能力只是從信息技術應用角度來反映，而沒有從人、信息（物）、工具（技術）三者關系的高度來闡述。

李冬梅：我認為在中小學信息技術教育中開始培養學生的計算思維能力是非常必要的。理由有三。

第一，計算思維能力是信息化社會學生綜合素質中一個重要的方面，是必須具備的素質。生活在今天的信息化社會中，男女老少都很容易感受到信息技術在人類生活的各個方面引起的重要變化和重要作用。不僅如周以真教授所說，計算思維已經，并且在更大的程度上改變著不同學科科學家的思維方式，而且也改變著普通人思維問題和解決問題的方式，改變著人們的生活方式?？梢哉f，一個高度信息化社會中的合格公民必須具備一定的計算思維能力，才能更好地認識和適應這個社會，解決這個社會中衣食住行方面的許多問題，更好地生活在社會中。由此來看，中小學教育應該培養學生的計算思維。

第二，“九校聯盟聲明”中指出：“將計算思維能力培養作為計算機基礎教育的核心任務，是一個較為長期的過程，也是需要我們不斷探索、努力實踐的過程?！背浞终f明了“培養學生計算思維能力”這個任務的艱巨性。

我認為中小學的信息技術教育和大學的計算機基礎教學是一個有機聯系的整體。要完成在大學中普及學生計算思維的任務，就必須從中小學開始培養學生的計算思維能力。

第三，從中小學信息技術學科本身的價值來看，就是要把培養學生運用信息技術知識和技能解決實際問題的能力放在首位，只有這樣學生才能真正掌握學到的信息技術知識和技能。而培養學生的計算思維能力是信息技術能力教育所必須的。

從我多年的實踐來看，完全可以完成培養學生的計算思維能力，提高學生運用信息技術解決實際問題的能力這個任務。當然，我國各地經濟和教育發展程度不同，有些地區師資和設備嚴重不足，這是我們應該不斷解決的問題。

記者：你們認為計算思維對于學生的綜合素質提高方面有哪些幫助呢？它是新時代人才必須具備的素質嗎？

王榮良：我認為，20世紀計算機的發明之所以偉大，是因為它直接豐富了人們的思維技能，而不是簡單的肌肉和感覺技能，這是它截然不同于其他技術的發展。能夠在一定程度上反映機械計算本質的計算思維，應該成為生活在一個數字化、計算化、程序化世界里的我們用以認識世界、改造世界的一種思維方式。

計算思維的培養對學生綜合素質的提高需要開展系統而又深入的研究。但從以往計算機科學學習的經驗中，我認為計算思維的引入將有助于學生理解與掌握邏輯推理、算法思維、問題解決的設計和結構，所有這些知識和技能都是非常有用的。學生可以清楚地明白資源獲取、實施、測試和布局的方案，理解處理過程中真實世界的各種條件限制。從科學工程到人文商業，這些技能都能適用于各種情境中，幫助人們對這些領域深入地理解。例如，計算機模擬對于發現和理解各種系統中的基本規律是非常重要的；計算機科學還可以幫助人們理解人類的心理工作。我們應該有這樣的認識，學習計算機科學可以為學生進入很多領域做好準備，包括計算機領域和非計算機領域。在基礎教育階段，滲透計算思維教育不失為一種為彌補因多種原因無法開展計算機科學教育造成缺陷的措施。