計算思維的培養國際研究綜述

范紅

尼葛洛龐帝說過：計算機不再只和計算有關，它決定我們的生存。當前，計算機技術發展日新月異，不僅影響著我們的生活、思維方式和思維習慣，而且也將深刻影響我們的思維能力。越來越多的教育者認為計算思維應該和讀、寫、算一起作為兒童教育的一部分，是每人都需要的基本技能，那么教育教學中應該如何教授培養計算思維呢？

青少年的計算思維是怎樣的

1.學生的計算思維

為了更準確、高效地培養學生計算思維技能，我們應該在當前計算思維概念理解的基礎上，歸納、提煉出信息時代青少年應具備的計算思維技能，并培養他們將其運用到學習、生活和實踐中。

美國一位參與“可擴展的游戲設計項目”（Scalable Game Design project）的一線教師對計算思維目前的定義表示仍然不是很了解，但是他認為：計算思維應該使學生有能力使用編程知識來解決真實世界問題。創造性科學模擬的能力應該是計算思維的核心。

基于Dave Moursund的觀點：計算思維的根本的意思是開發一些人們試圖研究和解決的問題的模型和模擬仿真，Walt Allan等人將計算思維的培養分了三個領域：模擬仿真或模型，使用機器人系統，游戲設計與開發。這三個領域關系錯綜復雜、彼此協作，幫助學生更普遍地理解計算思維：①模型和模擬仿真領域，Walt Allan等人列舉了GUTS（growing up thinking scientifically）中學項目，在這個項目中學生們和社區成員協作，積極參與模型化和模擬仿真現實問題來培養計算思維。在該項目中，他們探究社區中存在的問題，發明了基于代理的模型去探究問題的根本推動力，并檢測潛在的緩和策略。②游戲設計和開發領域，Salen（2007）說：組合一個成功的游戲需要基于系統的思考，關鍵問題解決的迭代，藝術和審美，協作和故事講述，交互設計，游戲邏輯和規則以及程序。這些挑戰對學生很有吸引力。Walt Allan等人列舉了校外iGame項目，中學生可以參與使用Storytelling Alice軟件對原作計算機游戲進行編程來培養計算思維。在這個項目中涉及的計算思維的概念有：算法思維（當學生們去解決一些和游戲編程相關的問題時會使用條件語句）、迭代和順序執行。③機器人和機器人系統領域，Walt Allan等人列舉了中學iCODE（Internate community of design engineers）項目，學生需要完成大量的微型控制項目。他們根據在線項目指導提供的設計思想和項目計劃，開始制作一個簡單的含有可編程的閃光器，之后改進為一個音樂記憶游戲，最后改進為一個完全的自我控制的機器人。

從以上學者的研究，我們可以將青少年需要培養的計算思維看做是一種利用計算機解決實際問題的方法：即將實際問題抽象，并對該問題進行建模，之后按計算機語言編程求解，另外在此過程中如必要還可通過計算機的大規模批量處理，從而簡化該問題的求解。在我國已經有許多地區的中小學開展了模擬仿真、游戲設計開發和機器人設計，并取得了一定的成績，如基于納英特3D虛擬仿真機器人、虛擬機器人迷宮和軌跡綜合競技項目以及機器人足球比賽等項目。但是在與一些一線教師的交談中了解到：這些領域的教育由于花費過大，大部分屬于“精英教育”，即被老師們選中的優秀學生才能進入信息技術奧賽班參與項目，因此教學的對象和范圍相當有限。

面對信息時代的要求：計算思維是每人都需要的基本技能，因此我們需要切實地考慮如何在實際的課堂教學中培養每一位學生的計算思維。

2.Walt Allan等人提出的學生培養框架和建議

Walt Allan等人不僅給我們提供了計算思維培養的三個領域，同時他們基于對美國幾個學生項目的研究，提出了一個學生發展計算思維技能的“三部分”框架。①使用：學生們在這個階段需要了解技術的使用操作，包括該技術的操作界面和工具，還有其他人制造的各種產品。“使用”階段可為高度參與計算思維培養奠定基礎。②修改：使用工具越來越熟練時，學生們開始嘗試修改當前的程序或項目，改善原創作。在該階段，學生開始嘗試使用不同的程序操作來實現不同的結果，這些操作嘗試可以為他們日后在進行原創時提供保障。③創作：在該階段，學生們將運用自己在前兩個階段中獲得的計算思維技能去創作一個大型的作品。

Walt Allan等人提出的學生計算思維的培養框架，給了我們一個明確的思路，他們將兩種持相悖觀點的教育者們聯系在了一起：一方是關注技術操作的教學者們，另一方是摒棄技術操作而一味創新的教學者們。“修改”這個階段則是連接這兩方面的橋梁。“使用—修改—創作”三步驟，一步一個臺階，扎實穩當。但作者們并沒有拘泥于這個順序的線性排列，在這個框架中，可以從任意階段開展教學，在教學中對某一階段或重點實施或輕描淡寫，完全取決于施教者對課程內容和學生的把握。此三個階段循環往復，彼此相容。

Walt Allan等人提出要通過正式和非正式的學習機會來培養計算思維，他們給出了一些建議：

（1）環境創建。培養計算思維的關鍵是使學生們沉浸在一個豐富的學習環境中，該環境需要有適當的技術工具和協作文化來支撐。該環境的創建取決于以下三因素：①平衡課程的各種需要，提高課程的靈活性，需要學生的深入探究，逐漸將計算思維扎根于教學中；②加強教師能力建設，教師培養學生的計算思維，其自身也應具備該技能，需要為教師提供一些服務培訓，改變教法，加強概念知識和技術以及一些特殊技能，如創建一個豐富、優越的計算思維培養環境；③確保基礎設施的可用性。

（2）建設性的參與及創造性的使用工具。計算思維不僅僅是將計算機應用到現實問題中，它的一個核心操作原則是，學習者需要一些機會去深度參與到再現現象中。

（3）更好地理解學生要學什么以及如何學，應根據學生的年齡和前經驗制定計算思維培養方法和框架。

（4）將計算思維融入到課程教學中，選定的例子需符合課程標準。

Walt Allan等人提出的計算思維“三階段”的培養框架和培養建議希望給教育研究者、特別是一線教師一些啟示，來探究在課堂教學中如何培養學生的計算思維技能。

計算思維培養案例

1.利用Scratch軟件進行音樂編輯

Alex Ruthmann等人介紹了通過Scratch軟件進行音樂現場編碼來教授計算思維，他們認為在通過音樂教授計算思維中，Scratch軟件具有以下優點：在該軟件的聲音模塊中通過使用不同的命令可以實現聲音的生成和播放。并且在播放不同的聲音時，該軟件還可以實現這些聲音的同步，同時還可以通過該軟件教授學生其他的計算思維概念，如回路（遞歸）、初始化、變量使用、改變變量算法（changing variable algorithmically）、模塊化、時間處理。Scratch另外一個功能是可以作為現場的編譯器（a live interpreter /compiler），使創作更加有意思。該功能可以實現通過音樂現場編輯代碼實時控制隨機音符或者連續音符的播放。

2.Photoshop軟件的自動化“批量處理”

從事電影和交互媒體研究的Scott Roberts認為學習基于時間的數字媒體創作（動畫片、數碼視頻、交互媒體等）的大部分學生不重視計算科學。他認為有必要使這些學生接受計算思維。在一些軟件中，如Photoshop、After Effects和Maya等，腳本動畫的不斷使用使得計算思維這些技能在圖像動畫創作中越來越不可缺少。

Scott Roberts列舉了一個使用Photoshop軟件的案例：手繪動畫的自動化應用。手繪動畫是一種出現于19世紀晚期的藝術形式，技術創新使得手繪動畫的實用性和商業化生產成為現實。手繪動畫自動化應用處理過程：需要清理所有的圖片和改變所有掃描圖的大小，為了簡便該過程可以運用Photoshop的動作和批量處理工具。首先完成60幅圖片，然后學生們用平板掃描儀（支持3-pin注冊，一個可以準確登記連續制圖的方法）將這些圖片掃描到PS里，為了實現自動工作，這些圖片需要嚴格登記而且需要大小一致；將這些掃描的圖片存在一個文件夾里，圖片用數字標上序號。然后學生們按照老師的指導創作，使用PS中的“動作”工具對一幅圖片進行圖片處理，如邊界大小、白平衡、濾鏡等操作，之后使用PS中的“批量處理”（batch prossecing）工具對所有圖片進行批量加工。

Photoshop里的“批量處理”功能可以幫助學生理解計算思維中的“自動化”概念，學生掌握“自動化”技能后，能夠大規模地解決問題，提高效率。

3.呈現界面（embodied interface）

Judith Good等人為了解決如何激勵學生參與計算思維的培養，以及了解計算思維的相關方面，提出一個三步驟的方法來培養計算思維：首先，通過以“魔鏡”的方式給學生提供一個創新的呈現界面，他們的主要目的是發揮學生從事這種新形式的互動的熱情；其次，提供一些新奇的、有魅力的能夠允許學生學習和練習計算思維能力的活動，該階段的目標是維持他們的積極性；最后，將這些活動帶入不同的課程領域，如英語、歷史、戲劇或跳舞，該目標是為了體現一個觀念，即計算思維確實可以跨越課程，并且可以廣泛適用。

為實現以上三步驟的方法，Judith Good等人開發了一個簡便的STAGE模型，該模型包括計算機、電子白板以及一些免費或者低費用的設備，如增強現實標簽、遙控器、傳感器和網絡攝像頭。為了實現與STAGE原型的互動，用戶首先需要穿上增強現實標簽，建立一個攝像頭，然后發射STAGE申請。之后用戶開始選擇一個角色和一個背景，然后點擊合適的按鈕將現實里的動作賦予給角色。一旦動作被記錄，用戶可以插入一個新的背景，或者將該實例化動作賦予一個新的角色，以便支持該動作序列的重新使用。目前對于動作的編輯關注在允許用戶剪切、復制和鏈接場景從而進行創造一個簡單的故事。

Judith Good等人為了進一步說明該原型和呈現界面的功能，他們例舉了一個案例——“跟著跳舞”：舞蹈教師為了將課堂活動和主題聯系起來，給7年級的學生們跳了一種叫“哈卡”的舞蹈。班里有一小群學生（凱特琳、卡米拉和喬恩），他們對ICT里的設計抽象和模塊化特感興趣，于是想要創造出一種方式來幫助其他的孩子學習“哈卡”舞，該方式就像跳舞墊游戲一樣。他們在DANCE ALONG游戲編程環境中創設：首先，他們在STAGE原型里的“呈現界面”前比劃動作，之后系統記錄他們舞蹈動作的基本順序。然后孩子們編輯這些舞蹈動作，每人用一個遙控來創建一個復雜的舞蹈。最后他們調用一個內置程序功能，通過比較跳舞者的軌跡和程序軌跡的相似度給予他人反饋和為跳舞者打分。

該項目實現的基礎是創造一個交互界面和STAGE原型，該原型設計簡便低廉，在學校教學中有一定的實現可能。學生可以通過使用該界面和原型學習動作的過程中體會到計算思維問題分解技能。

培養數字時代新的思考方式——計算思維，已成為各國教育界關注的熱點問題。計算思維的培養是為了滿足學生的創造需要。教師應注重對學生計算思維能力的培養，根據學生個體的差異，促進學生計算思維能力的提高，讓學生在思考中創造新事物。

來源于計算科學的計算思維能力，不再只局限于計算機專業領域，而是與“3R”一起成為信息時代人們的基本技能。它強調讓學生成為問題的解決者而不僅是軟件技術員；要創造知識，而不是使用信息；提供了問題解決新方法，培養學生運用遞歸、抽象、自動化、分解等計算方法處理實際問題；提供了看物理的、社會的或其他現象的新方法；強調增強創造力和創新思維。