計算思維能力的培養策略探究

（陜西師范大學教育學院，陜西西安710062）

一、引言

計算思維作為三大科學思維之一，不僅是思維科學的一個專門領域，而且涉及的領域非常廣泛，對人類社會的影響貫穿古今，所以，培養計算思維是人類延承和進化不可或缺的一部分。各行各業的人才都需要計算思維，無論是人文學科還是計算機編程人才。對于生活在科技和人工智能時代的學生來說，掌握計算思維能力，會讓他們擁有一種更重要的生活技能。也許提及計算思維，就會覺得和STEM教育有關，其實不然，計算思維應當與所有課程有關，與社會學、文學甚至藝術都有關系。當前，計算的觀念正融入到生活的各個方面，計算不但成為人們認識周圍世界、處理現實問題的能力，更要把它作為一種新的理念傳遞給下一代。面對國際社會（如環境、政治、能源等）、個體（衣食住行等）所需要解決的諸多問題，培養多方面能力的以問題解決為導向的新型人才是數字化時代所必需的。

二、計算思維

計算思維的概念由麻省理工學院的西蒙派拍特教授于1996年最早提出[1]。計算思維領域最有代表性的人物是周以真教授，她認為計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[2]。2013年，南安普敦大學的Cynthia Selby博士和John Woollard博士通過一項調查發展了計算思維的定義。他們認為計算思維是一種活動；是一個認知或思考的過程；是一種以產品為導向的不僅局限于解決問題的過程。并總結了十二個有關計算思維定義的核心要素，通過排除某些因素縮小了定義的范圍，最終得出計算思維包含的五個方面，即抽象、分解、算法、評估以及概括。這個定義將解決問題的方法與抽象、分解、算法、評估和概括等思想密切聯系在一起[3]。當然，關于計算思維的定義較多，鄧寧[4]認為計算思維是人們制定問題的解決方案，并將解決方案表示為可由信息執行的算法的思維過程。這個定義相對前面兩個比較模糊，同時2009年他也指出[5]計算思維是一種實踐和做事的方式，通過實踐可以培養學習者不同水平的能力，計算思維能力的培養，應該在解決實際問題的過程中完成，更多的是強調其應用。總的來說，計算思維能力就是有條理、有步驟地解決實際問題的能力，它不僅僅是一個概念，更重要的是一種生存技能。

三、計算思維的培養現狀分析

我國關于計算思維的培養還處于探索階段，研究范圍廣泛，但有關如何培養的問題還沒有具體落實，目前，計算思維的研究往往聚焦于高等教育院校，基礎教育領域較少，具體主要表現為以下幾點。

1.計算思維的研究缺乏實踐性的研究，在課堂環境中鮮有落實

當前計算思維雖然引起研究者的廣泛關注，但是有關實踐應用的研究還遠遠不夠，在知網上搜索關于“計算思維”的文獻，借助知網的計量可視化分析，對2334篇文獻進行可視化分析，選取頻次3次及以上的關鍵詞，得到關鍵詞的共現網絡，具體如圖1所示。從圖中可以看出，教學改革、教學方法、教學模式、MOOC計算機基礎、教學、計算思維能力、實踐教學等都處于共詞網絡中心，說明這些詞是目前計算思維研究的熱點，且教學改革處于研究熱點的中心位置。但是由表1可知，有關計算思維的大量研究集中在計算思維、教學改革、程序設計、教學模式及大學計算機基礎等方面，占全部文獻的65%以上，而計算機基礎課程、實踐教學、教學實踐、計算機基礎教育等方面的研究較少，僅占3%左右。

圖1 有關計算思維的關鍵詞共現網絡

表1 有關計算思維的關鍵詞篇數及所占比例

除此之外，目前有關計算思維在基礎教育領域的研究大多停留在理論探索階段，已有的研究偏重概念辨析而忽視能力培養，同時對其培養效果考察不夠明晰，最主要的問題是缺少課堂環境下的實證研究。

2.計算思維往往聚焦于理工類學科，在人文學科領域中的研究較少

從當前計算思維的研究內容來看，大多會直觀的認為與編程有關，培養途徑只限于信息技術教學、數學及物理等與思維訓練相關的學科，然而邦迪（Bundy）認為計算思維應當滲入所有學科，既包括科學領域也包括人文領域，計算是促使研究者尋找新的問題和接受新的答案的過程[6]。但是現狀是大多數研究者關注的計算思維內容為編程和計算機相關的知識和技能，這些應用并未走出理工學科領域，而人文學科中關注的不是計算思維所涉及的技術工具或者是計算思維本身，更多的關注這種思維所傳遞的思想和方法，所以，在各個學科的滲透更有利于全方位培養計算思維能力。

3.基礎教育領域缺乏落實培養計算思維的課程體系

計算思維的培養可以在多個學科進行，當前在信息技術教學中，編程通常是培養學生計算思維的一個良好途徑，但是一般都是Scratch選修課，適合于7-12歲的小學生，停留在入門階段，課時不足，重視度不高；初高中階段有機器人社團，學生有一定的計算思維能力，但是由于機器人搭建涉及工程和編程等多方面的知識，學生往往因為知識儲備不足而手足無措，再加上機器人社團人數較少，受培訓的范圍較窄，技術上的操作能力也有欠缺，所以，大多不得不依附于技術公司，對學生的成長幫助不夠。隨著高中信息技術新課標的頒布，在基礎教育階段對于計算思維的培養引起了高度重視，但是關于如何培養目前還沒有明確的大綱或者某一學段針對性的教材，其他學科相關的探索更少，因此，將計算思維能力的培養獨立出來并作為一門課來上還需要時日。

4.教師自身的計算思維教學能力急需提升

如何更好地培養學生的計算思維能力，提高學生解決實際問題的能力，一線教師起著關鍵性的作用。但實際上在培訓在職教師時，很少有側重于將計算思維納入中小學課堂的教師培訓項目，研究者們雖然認為計算思維非常重要，但是還沒有針對教師的計算思維教學能力開展深入研究。2017年7月，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，計劃在中小學階段設置人工智能相關課程，通過推廣編程教育，培養計算思維，當前，大多數中小學對于具備人工智能、機器人、創客等新素養的人才比較匱乏，計算思維相關書目較多涉及編程，對于老教師或者是非計算機出身的教師來說，自學困難較多。因此，從高校培養教師行業人才到在職教師培訓都需要重視計算思維的培養。

四、培養策略

當前有關計算思維能力的培養在中小學還不夠重視，也沒有針對性或全面系統的培養措施，一線教師對計算思維的培養還不夠重視，對此提出以下建議。

1.聯合各領域的專家，實現“產學研督”結合

在計算思維理論的指導下，為實現由理論到實踐的轉變，不得不探索計算思維培養的教學模式，通過采用行動研究等進行一線調研，開展計算思維教育實踐活動。在打造各學段的計算思維課程體系和實現計算思維多學科的延伸時，都需要各領域的專家學者以及一線教師和技術人員分工協作、共同努力。專家學者致力于科研、一線教師致力于教育、技術人員致力于生產，家長和學生等使用者作為監督者檢驗成果,不斷修正產學研等過程。類似于JULES公司，團隊組成有研究員、教育顧問、IT引導者、動畫專家、科技人員、軟件游戲設計者、家長、分析人士等等，各司其職，形成一個龐大的系統來實現計算思維的更好的培養。

2.打破學科界限，開辟多學科培養的渠道

計算思維覆蓋領域極廣，除了信息技術學科中的程序設計部分，還有Flash動畫制作過程等都會涉及計算思維[7]。在其他學科如數學、物理、工程、哲學、心理學、生物學、醫學等各方面也有涉及，在2018年1月，教育部發布《普通高中課程方案和語文等學科標準（2017年版）》，將人工智能、物聯網、大數據處理等內容正式納入全國高中“新課標”[8]。因此，計算思維的培養可以滲透到多個學科，所以，計算思維的培養應當從全方位的視角出發，在多個學科、多個知識領域培養，從而實現計算思維能力的遷移和融會貫通。

3.為各學段構建專業、系統、科學的計算思維課程體系

將“計算思維”的概念加入到相關的學科教學中并恰當滲透是實現計算思維培養的主要途徑。其中，典型代表就是新加坡的JULES公司[9]，此公司基于計算思維構建了適合于5-8歲幼兒學習的計算思維課程，并且現已納入到小學的核心課程，這些課程由麻省理工大學計算思維專家、新加坡國立大學聲學實驗室主管、小兒神經心理學博士聯合打造，所以，得到了不管是企業政府還是社會各界的高度重視，聯合打造各階段學生學習的計算思維課程體系，以培養思維靈活、善于解決問題、會學會用的新時代人才。

4.加強教師的培訓，同時教師要重視計算思維相關內容的挖掘

完善教師培訓制度，開發計算思維培訓課程是當前的重大任務，通過線上與線下相結合的方式，根據不同地區差異，開發符合計算思維課程目標與評價標準的教材，從而擴大教師培訓的范圍，通過在線答疑，隨時隨地幫助教師掌握開展計算思維培養的教學實踐[10]。如安吉利等人[11]描述了小學計算思維教育課程的內容框架，并根據TPACK模型框架簡略呈現了教授該課程的教師應具備的知識能力體系。其次，教師要重視計算思維的培養，在教學中積極挖掘有關計算思維的內容，勤于探索研究，選擇恰當的方法培養學生的計算思維，同時要選擇可測量的評價方式有效地評價計算思維。

五、總結

綜上所述,當前有關初中學生計算思維的培養不容樂觀，因為不管是研發團隊還是教師、學生，對計算思維的認識還遠遠不夠，所以，研發團隊需要集思廣益，加強相關人員的前沿動態知識培訓；教師需要不斷鉆研挖掘，分析培養計算思維能力的實例，積極思考哪些內容更有利于培養學生的計算思維；學生學習不僅限于課本知識，自我提升和拓展在任何時候都需要。