小學(xué)教育中計算思維方式培養(yǎng)

湯希瑋，胡秋玲

（湖南第一師范學(xué)院 a.信息科學(xué)與工程學(xué)院；b.圖書館，湖南 長沙 410205）

小學(xué)教育中計算思維方式培養(yǎng)

湯希瑋a，胡秋玲b

（湖南第一師范學(xué)院 a.信息科學(xué)與工程學(xué)院；b.圖書館，湖南 長沙 410205）

計算思維是信息社會公民需要具備的基本技能。在中小學(xué)教育領(lǐng)域，計算思維能力的培養(yǎng)并沒有引起足夠的重視。小學(xué)教育中計算思維的培養(yǎng)，要從培養(yǎng)學(xué)生的計算思維意識、制定培養(yǎng)計算思維的標準和提高小學(xué)教師信息技術(shù)素養(yǎng)三方面著手。

計算思維；小學(xué)教育；指令化；案例

引言

現(xiàn)代社會，信息技術(shù)對人類的影響無處不在。不斷推陳出新的電子產(chǎn)品，不斷升級換代的計算機網(wǎng)絡(luò)，一方面深刻改變了人們的衣食住行，使生活更加方便和美好，另一方面也對人們的適應(yīng)能力提出了新的要求。信息時代的新公民不僅需要具備閱讀、寫作、算術(shù)等傳統(tǒng)技能，更需要具備一種全新的能力——計算思維。當前，在大學(xué)教育中，計算思維方式的培養(yǎng)已經(jīng)逐步融入大學(xué)計算機基礎(chǔ)課的教學(xué)當中，一些知名高校已經(jīng)取得了長足的進展。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在總結(jié)了多年的計算思維教學(xué)活動之后，在MOOC平臺推出了《計算思維導(dǎo)論》課程。但是，中小學(xué)教育，尤其是小學(xué)教育，人們對小學(xué)生信息素養(yǎng)的期望仍然停留在初步的信息技術(shù)知識的傳授上，忽略了計算思維的培養(yǎng)。本文將從計算思維的概念和特征出發(fā)，探討小學(xué)教育中計算思維方式培養(yǎng)過程，以及面臨的問題和可能的解決措施。

一、計算思維

計算思維（Computational Thinking）是計算機科學(xué)領(lǐng)域的一系列思維活動，它基于計算機科學(xué)的基本概念和基本理論求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為[1]。具體而言，計算思維關(guān)注并行處理，用遞歸的方法解決問題；計算思維通過抽象和分解的方式，應(yīng)對龐雜的任務(wù)或設(shè)計復(fù)雜的系統(tǒng)，它采用簡潔的數(shù)學(xué)模型刻畫系統(tǒng)的行為，并且能保證用戶在不理解任何細節(jié)的情況下，安全地使用、調(diào)整和影響一個大型系統(tǒng)的信息；計算思維基于啟發(fā)式推理求解問題，在不確定的情況下進行規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度，它還利用海量數(shù)據(jù)加快運算進程，能很好權(quán)衡處理能力和存儲空間。

計算思維具有如下特點：

1.概念層面的思維

計算思維并不等同于程序設(shè)計，就像計算機科學(xué)不僅僅是計算機編程一樣，它要求像計算機科學(xué)家一樣，在抽象的多層次多角度上思考問題。

2.本質(zhì)是人的一種思維方式

計算思維是人的一種思維方式，而不是計算機的思維方式。它是人類求解問題的一個重要選擇，但并不是要人類象計算機一樣思考。

3.數(shù)學(xué)思維和工程思維的結(jié)晶

數(shù)學(xué)這種形式化的工具促進了計算機科學(xué)的誕生，解決問題的計算機算法通常脫胎于數(shù)學(xué)思維。另一方面，計算機科學(xué)又與工程思維有密切的聯(lián)系，因為人們設(shè)計和建造的系統(tǒng)必須能夠與現(xiàn)實世界交流，而計算設(shè)備的限制迫使計算機科學(xué)家必須從工程角度看問題并計算性地思考。

4.是一種思想，而不是人工產(chǎn)品

軟件和硬件產(chǎn)品作為計算思維的產(chǎn)物以物理形勢呈現(xiàn)并時刻觸及人類的生活，但更重要的是，它還作為一種求解問題、管理日常生活、與他人交流和互動的計算概念而存在。

總之，計算思維作為一種解決問題的方法，能夠溝通計算機科學(xué)與其他學(xué)科領(lǐng)域，淡化具體專業(yè)，強調(diào)運用計算概念、原理解決問題的過程。

二、基于計算思維培養(yǎng)的小學(xué)語文課教學(xué)設(shè)計

早在 2006年，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的周以真教授就提出要在學(xué)校開展計算思維教育[2]。五年之后，國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）和計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）在美國國家科學(xué)基金會（NFS）的支持下，研發(fā)出了一套計算思維教師資源[3]，該資源給出了K-12教育（指美國從幼兒園到12年級的教育）中計算思維的操作定義、詞匯、進階圖標、學(xué)習(xí)經(jīng)驗和使用場景。該資源指出，從小培養(yǎng)學(xué)生的計算思維技能，對他們將來從事醫(yī)學(xué)、歷史、法律、教育或其他專業(yè)性工作具有深遠的影響，能開拓他們解決問題的新視野。同時，解決問題的技能會隨著學(xué)生年齡的增長變得越來越復(fù)雜，因此，在小學(xué)教育中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維方式，實際上奠定了貫穿于他們的學(xué)術(shù)生涯和職業(yè)生涯中技能發(fā)展的基礎(chǔ)[4]。本部分將通過設(shè)計一個具體的案例闡明計算思維如何貫穿到小學(xué)教育活動中。

（一）案例過程

案例名稱：一年級語文課計算思維方式培養(yǎng)。

以湖南第一師范學(xué)院第一附屬小學(xué)一年級的語文課為例，這次課要求學(xué)生說出一組連續(xù)的指令完成一個任務(wù)，即告訴老師如何從當前的教室走到毛主席曾經(jīng)坐過的八班教室的座位。課堂活動側(cè)重于使用向前、向后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、距離、步驟等詞匯。

開始環(huán)節(jié)：場景引入

教學(xué)活動始于教師描述一個場景：“大家都去過毛主席曾上課的八班教室，假設(shè)我們就在八班教室，班長坐的就是毛主席坐過的位子，我現(xiàn)在看不見，誰能指揮我到達毛主席的座位？”。教師可以進一步將問題分解，比喻“我要怎么做呢？”“我要選哪個方向？”“在哪里轉(zhuǎn)彎？”等。這一課堂熱身活動是口頭語言發(fā)展的一部分，關(guān)注前、后、左、右、距離、步驟等詞匯。

第二環(huán)節(jié)：訓(xùn)練學(xué)生

教師提出一個問題后，隨機挑選一個學(xué)生，讓他給教師一些具體的指令到達目的地。具體步驟如下：

1.請求指令。教師對指定的學(xué)生說：“請給我指令，讓我到達毛主席的座位。我只會告訴你我現(xiàn)在的位置是講臺后面，請告訴我第一個方向好嗎？”這時，教師不要修正學(xué)生給出的每一條指令，而是明確表示將按照學(xué)生給出的指令移動，同時允許學(xué)生可以根據(jù)教師的行動過程修改自己的指令。

2.教師嚴格依據(jù)學(xué)生的指令移動。如果學(xué)生說“左轉(zhuǎn)”，教師左轉(zhuǎn)之后一動不動，等待學(xué)生的下一步指令。如果學(xué)生接下來說“走”，教師隨機行走，不要停止。同時要求學(xué)生給出更詳細的指令，比如要走多少步，下一步哪里轉(zhuǎn)等。

3.最后到達目的地。要求學(xué)生重復(fù)剛剛下達的指令和步驟。如果學(xué)生復(fù)述不了，請全班同學(xué)幫忙補充。

第三環(huán)節(jié)：強化指令

1.要學(xué)生寫指令，每兩個孩子一組，按照剛寫的指令付諸行動。一個孩子發(fā)指令，一個孩子移動。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)經(jīng)驗修正指令。

2.阻塞路徑，讓學(xué)生找到一種替代的方法到達座位。

3.讓學(xué)生給出至少三條到達目的地的路徑。然后，要學(xué)生評估哪條路徑最近或最快，這組學(xué)生應(yīng)該能夠解釋為什么一條路徑比其它路徑更快到達。

4.再給學(xué)生一些其他的任務(wù)，要求學(xué)生給出一系列明確的指令。

這些活動強化了排列順序和不正確步驟的影響，能讓學(xué)生列出每步的步驟，明了事情發(fā)生的過程，從而學(xué)會邏輯地思考問題，這對完成任務(wù)至關(guān)重要。而讓學(xué)生尋找替代方法，則進一步培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力。

第四環(huán)節(jié)：指令應(yīng)用

這一環(huán)節(jié)主要引導(dǎo)學(xué)生將本課程學(xué)到的指令化方法應(yīng)用到實際的生活和相關(guān)的職業(yè)活動中，思考相關(guān)的問題。例如：

1.科學(xué)研究中，經(jīng)常需要用到指令化方法。科研人員通常需要再現(xiàn)前人的實驗，這時，實驗的步驟和順序?qū)λ头浅Ｖ匾?/p>

2.每天起床到上學(xué)的過程中，用到指令來完成相關(guān)的任務(wù)。比如，起床，去衛(wèi)生間，穿衣，刷牙，洗臉，喝水，早餐等序列化動作。

3.陶藝學(xué)習(xí)中，用到指令來做成一件陶器。

（二）案例分析

本部分需要分析以上的教學(xué)活動從哪些方面體現(xiàn)了計算思維的培養(yǎng)。

1.訓(xùn)練學(xué)生環(huán)節(jié)

要求學(xué)生提供準確的實際的路徑指令。這里培養(yǎng)了學(xué)生的算法思維即用一系列確定的步驟解決問題或完成任務(wù)。

2.指令強化環(huán)節(jié)

（1）寫指令。它實際上是通過要學(xué)生對路徑進行分段，達到培養(yǎng)學(xué)生將復(fù)雜問題分解成眾多簡單問題的能力。這是計算思維中的核心能力即問題分解。

（2）尋找替代方法。它培養(yǎng)學(xué)生處理算法中的不確定性和模糊事物的能力。

（3）評估路徑。它培養(yǎng)了學(xué)生有關(guān)計算思維中最優(yōu)化問題求解的能力。

（4）完成不同的任務(wù)。它培養(yǎng)學(xué)生將指令化思想遷移到其他需要這種能力的場景中。

三、計算思維培養(yǎng)的對策

（一）培養(yǎng)計算思維的意識

我們國家在上世紀80年代就開始在部分中小學(xué)開設(shè)計算機課程，本世紀初在北京召開的“全國中小學(xué)信息技術(shù)教育工作會議”標志著中小學(xué)信息技術(shù)教育全面發(fā)展。后來，《普通高中信息技術(shù)課程標準（實驗）》的制定進一步推動了信息技術(shù)課程的發(fā)展。但是，信息技術(shù)課程中有關(guān)信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，一直沒有觸及一個深層次的問題即計算機到底是工具還是一種思想。在實際的教學(xué)當中，人們相信計算思維的培養(yǎng)就是教小學(xué)生編程序。教學(xué)中非常重視編程語言的傳授和算法細節(jié)的描述，強調(diào)用程序設(shè)計語言解決實際問題的能力。這實際上是一個誤區(qū)，很多時候不過是將大學(xué)新生計算機基礎(chǔ)課的部分內(nèi)容下放到小學(xué)，且不說有多少小學(xué)生能聽懂學(xué)會，權(quán)想想小學(xué)生的語文、數(shù)學(xué)、英語等課程的學(xué)習(xí)所花費的時間，就能明白將大學(xué)計算機基礎(chǔ)課的相關(guān)內(nèi)容下放對小學(xué)生是一個多么大的學(xué)業(yè)負擔(dān)。其效果必然大打折扣，導(dǎo)致在小學(xué)教育中培養(yǎng)計算思維成為一句空話。

真正的計算思維培養(yǎng)，不是教小學(xué)生編好程序，而是引導(dǎo)他們像計算機科學(xué)家一樣思考問題，將計算思維中的分解、遞歸、建模等思想貫徹到語文、數(shù)學(xué)等課程的教學(xué)中去，培養(yǎng)學(xué)生在日常的學(xué)習(xí)和生活中有意識地將復(fù)雜問題分解為若干易于管理的簡單問題并分步驟有次序解決的能力。

（二）制定培養(yǎng)計算思維的標準

目前在小學(xué)教育中，既沒有統(tǒng)一的教學(xué)標準也沒有操作性強的教學(xué)大綱來指導(dǎo)小學(xué)教師應(yīng)該如何培養(yǎng)小學(xué)生的計算思維。而在信息技術(shù)發(fā)達的國家，如美國2011年就出現(xiàn)了“CSTAK-12計算機科學(xué)標準（2011）”，該標準系統(tǒng)地描述了小學(xué)（K1-6）、初中（K6-9）、高中（K9-12）三個不同水平階段的具體要求。2016年9月，該標準的修訂版正式發(fā)布，新版本進一步強調(diào)了計算思維在小學(xué)教育和中學(xué)教育中的地位和具體的實施方式。

我們國家應(yīng)該借鑒信息技術(shù)發(fā)達國家的先進經(jīng)驗，因地制宜，由教育主管部門組織相關(guān)的教育機構(gòu)和知名學(xué)校中的專家在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，制定小學(xué)教育中培養(yǎng)計算思維的行動綱領(lǐng)。該行動綱領(lǐng)應(yīng)該體現(xiàn)從“具體標準”向“素養(yǎng)標準”轉(zhuǎn)變，不僅要將計算思維貫徹到科學(xué)課中，還要更加寬泛地將計算思維的培養(yǎng)貫穿到語文、數(shù)學(xué)、音樂、社會實踐等課程中去，使學(xué)生通過在多學(xué)科領(lǐng)域中的學(xué)習(xí)實現(xiàn)該標準。

（三）提高小學(xué)教師信息技術(shù)素養(yǎng)

從前述案例可以看出，培養(yǎng)小學(xué)生的計算思維，不僅僅是信息技術(shù)老師的責(zé)任，其他非信息技術(shù)課程的老師也一樣責(zé)無旁貸，即需要各學(xué)科的老師共同承擔(dān)計算思維的教學(xué)任務(wù)。但是，目前的實際情況是，一方面信息技術(shù)專任老師短缺，另一方面是非信息技術(shù)教師的信息技術(shù)素養(yǎng)偏低。因此，一方面，國家要在師范院校繼續(xù)大力培養(yǎng)信息技術(shù)教師；另一方面，教育主管部門需要制定政策，將計算思維的學(xué)習(xí)作為教師職業(yè)發(fā)展的一部分，有計劃分批次培訓(xùn)現(xiàn)有小學(xué)教師，切實提高他們的信息技術(shù)素養(yǎng)。

結(jié)語

在歐美發(fā)達國家，計算思維方式的培養(yǎng)已經(jīng)貫穿到小學(xué)教育的日常教學(xué)活動中，并已經(jīng)形成了操作性強的教學(xué)標準。我們國家在這方面還處于起步階段，有關(guān)小學(xué)教育中培養(yǎng)計算思維能力的研究和探討工作有待進一步展開。

參考文獻：

[1]Wing J M.Computational Thinking[J].Communication of the ACM,2006,49(3)：33-35.

[2]汪瓊,陳瑞江,劉娜,李文超.STaR評估與教育信息化研究[J].開放教育研究,2004(4)：10-14.

[3]Operational Definition of Computational Thinking for k-12 Education[EB/OL].[2012-04-15].http：//www. iste.org/Libraries/PDFs/Operational_Definition_of_ Computational_Thinking.sflb.ashx.

[4]徐曉東,喬世偉.計算思維：從小學(xué)至高中《信息技術(shù)》教育的新目標[J].教育信息技術(shù),2015(5)：3-8.

The Cultivation of Computing Thinking in Primary Education

TANG Xi-weia,HU Qiu-lingb

(a.School ofInformational Engineering;b.Library,Hunan First Normal University,Changsha,Hunan 410205)

Computing thinking is the basic skill for citizens in information society.However,the cultivation of computing thinking is not paid attention to in primary and secondary schools.Three aspects are very important for the cultivation of computing thinking for primary students,including cultivating the students computing thinking awareness,regulating the standard and improving the teachers’information technology level.

computing thinking;primary education;instruction;case

G622

A

1674-831X（2017）02-0023-04

[責(zé)任編輯：胡 偉]

2016-12-10

基礎(chǔ)教育信息化技術(shù)湖南省重點實驗室（2015TP1017）；湖南省教學(xué)改革研究項目（湘教通〔2015〕118號）

湯希瑋（1973-），男，湖南安鄉(xiāng)人，湖南第一師范學(xué)院副教授，博士，主要從事計算機應(yīng)用研究；胡秋玲（1976-），女，湖南常德人，湖南第一師范學(xué)院館員。