計算思維能力發展模型與教學程序研究*

龔 靜 侯長林 張新婷

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計算思維能力發展模型與教學程序研究*

龔 靜 侯長林[通訊作者]張新婷

（銅仁學院 梵凈教育研究院，貴州銅仁 554300）

提升學習者計算思維能力成為計算機教學的核心目標之一。計算思維教學經歷了從“知識傳遞”、“工具操作”的后端“潛學”至“思維培養”的前端“顯學”的發展過程。然而，實踐環節中還存在“怎么教”和“如何學”的困惑。文章基于思維視域研究計算思維訓練，認為計算思維訓練不是簡單的知識學習和技能練習，而是發展學習者認知結構、超越知識與技能的思維教學，并從知識、認知結構、學習方式維度構建思維能力發展模型；以應用“技術工具”和“思維工具”作為思維技能訓練有形技術和無形技術的載體，設計思維教學程序，提升學習者的計算思維能力。

計算思維；思維教學；思維能力發展模型；思維教學程序

一理論探究：思維視域下的計算思維

1 透視思維

思維有著豐富的內涵。《詞源》說：思維就是思索與思考。杜威認為思維是基于以往的經驗和事先學到的知識，進行自發聯想、思索更多的觀念或見解的思想過程和思想活動[1]。魯賓斯坦從心理學角度描述了思維是分析、綜合、抽象、概括的心理過程[2]。認知科學從信息加工角度，模擬人腦神經元網絡進行思維過程，即輸入、編碼、儲存、加工、輸出。

思維看不見、摸不著，人到底如何思維？思維是人能動反映客觀世界的一種符號性能力和大腦加工、改造客觀世界的心理認知過程，其哲學本質是認識世界和改造世界的方法與觀點。人在思維時，來自客觀世界的信息輸入，激活人在頭腦里不斷查找、提取、加工、重組、構建、輸出，直到發現或構建一種完美問題求解的結構。人的思維系統是一個自學習系統，在對舊表象和舊知識持續探索、積極反思、重新組織乃至創造新知的認知過程中，持續累積經驗、發展和完善思維系統。由此可見，思維源于人的舊知，卻不限于舊知，以問題解決為目標，主動學習、整合、改造、重構、反思乃至創造。

2 洞悉計算思維

2006年，周以真[3]將計算思維定義為運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、人類行為理解的思維活動，其實質是掌握和運用計算機科學的方法進行問題求解。計算機既是問題求解的物化工具，也是問題求解的思維工具。陳國良[4]構建了以計算為核心，以抽象、自動化、設計、通信、協作、記憶、評估為基本概念的計算思維表述體系。關注問題求解過程中計算機的能與不能，即可計算性；如何用最高效的方法自動化求解，即自動化與效率；如何處理復雜問題或設計復雜系統，即抽象、分解、算法設計等。

計算思維的價值不僅體現在“計算”技術和“思維”之中，而且存在于“計算機科學”與“思維科學”的深度融合。從認知的角度看，計算思維和“問題求解”緊密地聯系在一起，解決問題的前提是能夠做出正確的判斷，對各種不同問題進行辨別、對問題的性質進行判定、做出決策、制定解決方案等。運用分析、概括、比較、分類、綜合等方法，對問題的各種表象進行加工和重組，推斷或輸出新結論，是計算思維具有思維一般屬性的主要標志。哲學社會觀認為，“時代精神”是最精致和最珍貴的精髓[5]。思維是否有價值，在于能否成為某個時代人們思考問題、解決問題特有的原則和方法。計算思維提供了觀察世界的新視角和解決問題的新方法，已逐步滲透到不同的學科，拓展了問題求解的方法，并促進其它學科在各自的領域創造性地進行科學發展和技術創新。計算思維絕不僅是一種學科思維，它更是一種全新的認知手段，其應用的普適性與認知的新視野，彰顯著大數據時代特有的精神。如果從數據的角度進行思維，一切問題都變為數據問題，數據讓機器變得更加智能，深度學習不僅挖掘因果關系、邏輯關系，還挖掘位置、時間、關系等關聯規則，技術變革提供了全新的問題理解模式和思維方式，進而擴展了能夠使用的知識、創造了解決問題的新方法。

二歷史演變：計算思維教學萌芽與發展

1 計算思維教學歷史溯源

如果要追溯計算思維教學的發源，心理學家、計算機教育家西摩·佩珀特和圖靈獎得主艾茲格·迪科斯徹是當之無愧的候選人。1968年，西摩·佩珀特[6]指出計算機可以形象表征認知思維過程，兒童在計算機工具操作過程中觀察和思考，可以發展思維和學會學習。1972年，艾茲格·迪科斯徹提出了工具影響思維論，認為工具影響思維方式、思維習慣，進而影響思維能力[7]。研究表明，計算機技術催生并發展了人的智能思維。

事實上，計算思維教學一直以“附屬品”的形式隱藏于不同時期的計算機教育中。我國中小學計算機教育始于20世紀80年代，以教授程序語言為主，試圖通過程序設計學習，在人腦建構工作任務執行流程的程序設計能力，以促進思維發展，但大多僅停留在知識學習的層面。自2000年，信息技術教育替代了計算機教育，由此計算機技術既作為認知工具，也作為學習內容，促使學習者在工具學習與應用過程中，發展應用信息技術解決問題的能力。但是，實用主義至上的教學過多關注操作技術與基本知識，信息素養的培養僅停留在“工具”技術層面，計算思維教學淪陷于“后端”，計算機教育未能催生并發展人的智能思維。

2 計算思維教學的萌芽與發展

計算思維自提出以來，就引起了國際研究者的重大關注。美國國家科學基金會“重建多樣性（Rebuilding the Mosaic）”報告指出，21世紀的重大發現均涉及利用計算和計算機方面的思維進行跨學科研究，將淪陷于“后端”的計算思維教學提置于“前端”，使計算思維迎來了絕好的機遇。在國際上，多個國家紛紛將計算思維的內容列入信息技術課程。2011年，美國計算機科學教師協會（Computer Science Teachers Association，CSTA）發布K-12標準，即面向基礎教育，培養學習者的計算機科學基礎知識、學習問題解決的新方法，以便成為計算機技術的使用者和創造者。2013年，英國公布Computer課程學習計劃，教學內容從應用取向回歸到專業取向，重點培養學習者的高階知識和技能。在我國，計算思維的教學與實踐也開始生根發芽，如2010年，我國“九校聯盟（C9）計算機基礎課程研討會”聲明：大學生計算思維能力培養是計算機基礎教學的核心任務；2016年，我國高中信息技術課程標準課題組界定信息技術學科的核心素養為信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任。

三模型構建：搭建有效促進計算思維發展的模型

在我國近40年的計算機教育史中，無論是基礎教育還是高等教育，計算機課程從來不是以簡單的“知識”或“工具”的面貌進入課堂，教學目標從知識到操作技能和技能應用，再到計算思維培養，隨著計算機學科的發展而不斷變革。然而，“知識傳遞”與“工具操作”仍舊是計算機課程的“痼疾”，思維發展和培養幾乎成為計算機教學的“荒地”。計算思維教學到底教什么？怎么教？還需要進一步地開展研究與實踐。

1 計算思維訓練為超越知識和技能而教

傳統的教學認為，在知識學習的過程中可潛移默化地培養和發展思維。著名的“工具影響思維論”認為，在使用工具的過程中自然而然地學會了思維。但事實證明，盡管學習者掌握了多門程序設計語言、能夠熟練使用多種計算工具，計算思維能力卻并未得到明顯提升，仍難以應用計算機技術進行實踐和創新。愛德華·德·波諾[8]認為，思維技能如運動技能，可以通過不斷學習、反復訓練而被逐漸掌握，計算思維技能提升也如此。

技能的形成與方法密切相關。方法指解決問題、執行任務的行為，以及指導行為的知識。思維技能如運動技能，是可以在行為知識的學習和有意識的問題探索與實踐中，內化為思維系統里的潛能。知識和技能是計算思維的基礎，那么，計算思維訓練就是囤積知識和嫻熟的操作計算工具嗎？在大數據時代，知識和信息以幾何級數增長，人類掌握知識的速度遠遠不能追上知識增長的速度。相比從數量上囤積知識，真正重要的是傳授給學習者有用的知識、引導學習者思考、發現問題、創造性地運用知識解決問題以及探索發現新知識。唯有當知識被用來解決實踐問題時，知識才能轉化為解決問題的方法，并因問題解決而得以發展和創新。活化知識、發展思維是思維教學的使命[9]，計算思維訓練不是簡單的知識學習和技能練習，而是在獲取知識、應用知識、訓練技能、實踐應用的過程中，領悟、體驗、內化為自己的思維并培養智慧，計算思維訓練應超越知識學習、技能應用并因創造性地解決問題而持續發展。

2 構建計算思維能力發展模型

皮亞杰認知發展理論指出，在學習過程中通過同化與順應兩種方式，不斷積累知識并促進已有的觀念、思維方式、知識組織結構的發展，進而促進認知結構的發展[10]。思維能力是內在思考和認知結構發展的質性產物，認知結構的復雜程度反映計算思維能力水平的高低。計算思維能力可通過問題求解效果進行觀察，問題求解的一般過程可概括為“鑒別和分析問題、假設問題求解的方法、形式語言描述與建模、算法設計、測試與檢驗、修訂與優化”，表征為分類、分級、比較、分析、提問、假設、總結、解決、決策、創造等認知活動。根據布盧姆、安德森的認知目標分類，記憶、理解、應用屬于低階認知能力，分析、評價、創造屬于高階認知能力，除了記憶是對知識的簡單識記，其它五個維度均對知識進行加工和重組。思維能力發展與認知能力息息相關，高階思維能力可等價為高階認知能力；高階思維發展依賴于低階思維，兩者并非簡單的替代與遞進關系，而是融合與發展，其主要的特征是螺旋漸進提升式發展。

建構主義理論認為，學習是學習者主動地建構知識的過程。學習者在知識學習過程中，充分投入到分析、提問、概括、總結、解決、決策、創造等探究性學習活動中，能有效促進知識遷移、思維能力提升和認知結構發展。尤其是發現學習和研究性學習，能夠有效促進高階思維能力發展。在探究性學習過程中，學習者主動思考，感知問題、分析問題、研究問題、探索方案、評估反饋，激活人腦不斷查找、提取、加工、重組、構建問題求解的模式，通過對新表象與舊表象、新知識與舊知識的接受、反應、評價、組織、內化，促進思維能力的深度發展。

綜上所述，本研究從知識、認知結構、學習方式三個維度，構建了促進學習者計算思維能力發展模型，如圖1所示。該模型點、線、面融合，體現了思維能力發展的層次性、關聯性、交融性、動態性等特征。用思維熱度表征思維能力水平，具體表現為思維的深刻程度、批判程度、靈活程度、敏捷程度、獨創程度等計算思維品質[11]。陰影部分為計算思維能力漸近累積創造軟區域，知識、認知結構、學習過程三個維度之間聯系緊密，縱深拓展越深入，思維熱度越高。學習者在思維訓練的過程中，其每一次的認知學習活動都會不同程度地促進思維技能的發展。隨著學習者的知識累積、認知結構發展、思維品質訓練的深入，從簡單認知到復雜認知、從被動學習到主動構建、從事實性知識到元認知知識，學習者思維能力水平漸進提升，思維熱度漸進累積，形成了漸進累積創造軟區域，可視化描述了思維技能水平螺旋式漸進提升的過程。

圖1 計算思維能力發展模型

四教學實踐：技術有效促進思維發展的教學程序

如何有效訓練計算思維？計算思維教學一直以后端“潛學”的方式隱藏于計算機教育中，縱使物化形態的信息技術作為導師、心智工具或學習對話支架在思維訓練教學中得到了廣泛應用[12]，但這些有形技術并未如預期的那樣帶來思維能力的本質提升，其原因主要是思維訓練中強化有形技術，忽視直接的思維訓練技術（如概念圖工具、5W1H分析法等）的應用與實踐。

1 經典思維教學程序核心要素

經過百余年的思維教學理論與實踐探索，作為思維教學載體的思維教學程序不斷演化，涌現出兒童哲學、認知加速、激活兒童思維技能、工具豐富、柯爾特思維教程、思維導圖等經典思維教學程序，作為思維訓練核心載體廣泛應用于思維訓練活動。這些經典思維教學程序有合理的理論基礎，如“兒童哲學”基于哲學視野、“認知加速”基于皮亞杰認知發展階段論和維果斯基最近發展區理論、“工具豐富”基于認知可塑理論和中介學習理論、“思維導圖”基于意義學習理論和編碼理論等；強調多樣的認知沖突，以激發學習者內在學習動因、點燃思維系統工作的導火線，如“兒童哲學”基于蘇格拉底式對話，在故事中提供了豐富的認知沖突；重視思維教學情境創設，如“激活兒童思維技能”和“柯爾特思維教程”提供了豐富的教學情境；還顯性描述思維過程，通過清晰、直觀地模擬人腦，對各種信息做出獲得、編碼、貯存、提取和使用等一系列連續認知加工過程，將內隱而抽象的思維顯性描述，其中，“思維導圖”對思維過程的顯性化模擬最為直觀。經典思維教學程序促進了思維技能的遷移，可遷移的思維技能融入知識教學，進而推動教學成為超越知識、技能的充滿智慧的活動。

2 計算思維教學程序設計

（1）計算思維教學程序

結合經典思維教學程序，設計有效促進計算思維生成的教學程序，要在教學每個階段有適合的教學理論支持，變“隱性”思維教學為“顯性”思維教學；要有明確的思維教學目標，能夠明確告訴學習者正在學習的思維技能是什么；要遵循思維發展的規律，在“顯性”思維教學中，螺旋漸進提升式發展思維；要充分考慮如何為學習者提供豐富的學習資源和學習環境；要有全新的交流與協作方式，以及合適的檢索、存儲、加工信息的新手段和新方法，即創設恰當的認知沖突與教學情境；要為教師變革教學、提高教學效能提供支持，如構造豐富的學習情境，提供智能化輔助學習、學習跟蹤與反饋、學習評價等；要在知識學習與技術應用的過程中，發展可遷移的思維技能，建構從無意識思維到有意識思維直至無意識自動思維的慣習。鑒于此，基于認知發展、思維教學、建構主義學習、自主學習等理論，本研究以應用“技術工具”和“思維工具”作為思維技能訓練有形技術和無形技術的載體，設計了技術促進思維發展的計算思維教學程序，如圖2所示。

圖2 技術促進思維發展的計算思維教學程序

（2）“技術工具”促進思維發展

“技術工具”是有形的物化技術，為輸入、編碼、儲存等信息加工活動提供了更豐富的知識材料、知識表現形式、知識加工的新方法，并為發展思維創造了新的物質基礎。以傳感技術、計算機與智能技術、通信技術和控制技術為代表的信息技術工具，作為變革傳統教學的催化劑，能否有效催化教學效果，完全取決于如何應用技術并設計合理的教學活動。基于信息技術的思維訓練教學，其核心在于選擇合適的技術工具，發揮技術工具的價值，催化思維訓練效果。

“技術工具”的應用，有效促進了學習者主動建構學習，而非被動地接受知識。基于虛擬技術、可視化技術、多媒體技術創設真實的情境，促進學習者產生認知沖突，激發學習者探究，啟發學習者創造，引導學習者在探究過程中學習知識、重構認知、創造認知，主動建構和優化學習者的認知識結構或思維結構。基于大數據技術、人工智能、機器學習創設新的評價、反饋手段，通過充分利用學習者學習行為大數據，對學習者學習痕跡進行深度挖掘和綜合分析，提供個性化學習決策支持。技術的應用過程強調在真實的項目實踐中，幫助學習者領悟計算機學科問題求解的方法與思路，在問題解決中發展計算思維。所有的教學環節關注學習者的體驗和參與，學習者要在實踐與感知的過程中構建知識與發展技能，而非進行簡單的計算學科理論知識學習。將知識學習、知識理解、知識應用、知識創造與思維技能發展融入運用技術工具解決問題、完成項目的過程中，“技術工具”方可有效促進思維發展。

（3）“思維工具”促進思維發展

“思維工具”是無形的意識形態技術。在教學過程中，多數教師往往忽視這種無形的意識形態技術，很少教學習者如何思考、如何學習，也就導致思維技能往往成為知識教學的副產品。因此，教師有必要恰當選擇思維工具，開展直接的思維訓練，幫助學習者認識思維、激發思考、構建思維結構與流程，并在反復的練習和強化過程中，逐步養成從無意識思維到有意識思維直至無意識自動思維的慣習。

利用思維導圖、概念圖等“思維工具”，可以清晰而直觀地模擬人腦利用計算機進行思維的過程，在計算知識學習和知識理解的過程中幫助學習者認識思維、激發思考。在教學實踐中，通過使用關鍵詞或關鍵想法作為思維原點，觸發學習者進行放射性思考；同時，以衍生的子關鍵詞或子關鍵想法為節點，原點與成千上萬的節點連結，構建立體的知識數據庫和知識網絡，進而促進對知識整理與加工的深度認知，可視化模擬人腦內部，查找、提取、加工、重組、構建、輸出、創造認知過程，支持學習者表征知識概念之間的關聯，促進和激發學習者的思維實現從抽象到形象、從內隱到外顯甚至從加工舊知到創造新知的轉變。

5W1H分析法、問題分析與解決七步法等“思維工具”的主要作用是指引思維過程與組織思維流程，與計算思維問題求解的一般步驟有機融合，促進學習者在知識學習和技術應用中構建問題求解思維結構，形成計算思維求解問題的思考流程。第一步是鑒別問題，即識別問題是否適合用計算學科方法解決；第二步是分析問題，即評估問題傳統的解決方法，去掉所有非計算學科問題；第三步為模塊化設計，即問題的分解與模塊化設計；第四步為抽象，即運用計算學科語言描述問題；第五步為產品開發，即建模與算法設計；第六步為測試、檢驗與優化。

五結束語

計算思維教學經歷了從“知識傳遞”、“工具操作”至“思維訓練”的發展過程，其根本任務是發展學習者的認知結構。計算思維訓練不是簡單的知識學習或技能練習，而重在發展學習者的認知結構。本研究從知識、認知結構、學習方式三個維度，構建了計算思維能力發展模型。同時，設計技術促進思維發展的教學程序，應用“技術工具”支持學習者自主學習、進行探究、協作學習，促進知識的主動建構；應用“思維工具”支持學習者顯性認知思維過程、批判與反思舊模式、激發與創造新思維，促進學習者在知識學習過程中主動構建與有意識思考，并逐步內化為無意識的思維慣習。本研究在一定程度上豐富了計算思維教學的理論基礎。

[1](美)約翰·杜威著.伍中友譯.我們如何思維[M].北京:新華出版社,2010:1-8.

[2](蘇)魯賓斯坦著.趙壁如譯.關于思維和它的研究道路[M].上海:上海人民出版社,1963:11.

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

[4]陳國良,董榮勝.計算思維的表述體系[J].中國大學教學,2013,(12):22-26.

[5](德)馬克思,(德)恩格斯著.中央編譯局譯.馬克思恩格斯全集(第1卷)[M].北京:人民出版社,2002:121-120.

[6]Papert S. Mind-Storms children computers, and powerful ideas[M]. New York: Basic Books, 1993:3-5.

[7]王飛躍.從計算思維到計算文化[OL].

[8]De Bono E. Think!: Before it’s too late[M]. Random House UK,2010.

[9]趙國慶.重知識還是重思維[N].光明日報,2016-6-14(15).

[10]Piaget J. Intellectual evolution from adolescence to adulthood[J]. Human Development, 1972,(1):1-12.

[11]于穎,周東岱,于偉.計算思維的意蘊解析與結構建構[J].現代教育技術,2017,(5):60-66.

[12]Wegerif R著.魏曉玲,吉喆,鐘洪蕊譯.思維、技術與學習綜述(下)[J].遠程教育雜志,2009,(6):36-45.

編輯：小西

Study on the Computational Thinking Ability Development Model and the Teaching Program

GONG Jing HOU Chang-lin[Corresponding Author]ZHANG Xin-ting

Improving learners’ computational thinking ability is one of the core objectives of modern computer teaching. Computational thinking teaching experienced from the previous back-end “latent subject” of knowledge transfer and tools operation to the present front-end “significant subject” of thinking training. However, practical problems in terms of “how to teach” and “how to learn” are still not clear. The paper explores computational thinking training from the perspective of thinking horizon, in which computational thinking training is regarded as not merely about simple knowledge learning and skill practice, but concerns the development of learner’s cognitive structure and the thinking teaching beyond knowledge and skills. As a result, this study builds the thinking ability development model from perspectives of knowledge, cognitive structure and learning styles. Technology tools and thinking tools are individually applied as the tangible and intangible technology carrier of thinking skills trainings so as to design the thinking teaching program and improve learner’s thinking ability.

computational thinking; thinking teaching; thinking ability development model; thinking teaching program

G40-057

A

1009—8097（2018）04—0048—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.04.007

本文為貴州省區域內一流建設培育學科‘教育學’（黔教科研發[2017]85號）、教育部高等教育司—微軟公司產學合作專業綜合改革項目“中西部高校以計算思維為核心的大學計算機課程教學改革”（項目編號：201601008029）的階段性研究成果。

龔靜，教授，碩士，研究方向為教育技術、計算機基礎教學，郵箱為996075565@qq.com。

2017年10月25日