淺談?dòng)變航逃杏?jì)算思維的培養(yǎng)

蔡榮華 關(guān) 敏

（湖南師范大學(xué)，湖南 長沙410081）

一、計(jì)算思維概述

計(jì)算思維（Computing Thinking，簡稱CT）作為一種新型的思維方式，不同學(xué)者對其關(guān)注的角度存在著差異，所以，計(jì)算思維的定義也不盡相同。周以真教授在2006年就提出了計(jì)算思維的概念，并將計(jì)算思維定義為一種解決問題的思維過程，能夠清晰、抽象地將問題和解決方案用信息處理代理（機(jī)器或人）所能有效執(zhí)行的方式表述出來，她認(rèn)為計(jì)算思維和閱讀、寫作、計(jì)數(shù)一樣重要，應(yīng)該作為學(xué)校課程的一部分[1]。計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）和國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）對計(jì)算思維的操作性定義是以計(jì)算方式制定解決方案并且能由計(jì)算機(jī)執(zhí)行解決方案的人類能力[2]。董榮勝在其《計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論》中提出，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想與方法去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為[3]。此外，其他學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)也提出了不同的定義。

雖然到目前為止，計(jì)算思維的定義還尚未統(tǒng)一，但各學(xué)者對計(jì)算思維基本構(gòu)成要素的意見都較為一致。總的來說，其主要構(gòu)成要素包括問題分解、模式識別、抽象、算法和調(diào)試[4]。問題分解就是將復(fù)雜的問題拆分成容易解決和理解的小問題，通過處理多個(gè)小問題而處理復(fù)雜的問題，使復(fù)雜的問題最終簡單化；模式識別是指尋找不同問題中的相似點(diǎn)，通過這些相似點(diǎn)來總結(jié)規(guī)律，利用規(guī)律去解決問題；抽象是指提煉重要的信息，去除冗余信息，掌握抽象的能力后，就可以將學(xué)習(xí)到的某個(gè)解決方案應(yīng)用于其他的實(shí)踐當(dāng)中，指定處理解決方案的總體思路；算法則是解決問題的步驟，該解決問題的步驟需要按照一定的順序進(jìn)行，在完成一個(gè)任務(wù)之前，就應(yīng)該要設(shè)計(jì)好完成任務(wù)的每一步要做的事情，使任務(wù)按照預(yù)期順利完成；調(diào)試是指在確定問題的解決辦法后，用各種方法進(jìn)行查錯(cuò)和排錯(cuò)的過程，同時(shí)還要能對緊急情況進(jìn)行及時(shí)的處理。

二、計(jì)算思維與幼兒教育

我國對計(jì)算思維的研究主要集中于兩個(gè)階段。一個(gè)是高等教育階段，重點(diǎn)關(guān)注的是計(jì)算思維培養(yǎng)理論的研究，實(shí)踐研究則集中在計(jì)算科學(xué)學(xué)科課程中進(jìn)行。另一個(gè)是K-12 階段，該階段的理論研究和實(shí)踐研究都占有大致相同的比例，理論研究關(guān)注的是計(jì)算思維的核心價(jià)值、主要任務(wù)和重要性；實(shí)踐研究主要關(guān)注將計(jì)算思維融入已有的課程中[5]。通過對文獻(xiàn)的分析，發(fā)現(xiàn)我國對幼兒教育中計(jì)算思維的培養(yǎng)研究還相對較少。而國外有大量研究表明，將計(jì)算機(jī)科學(xué)進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)與利用，不僅對中小學(xué)生多門課程的成績有顯著影響，還能有效提高3-6 歲的幼兒智力、語言、創(chuàng)造能力的發(fā)展[6]。費(fèi)薩基斯及其團(tuán)隊(duì)的研究表明，與沒有進(jìn)行計(jì)算思維教育的學(xué)生相比，具有一定計(jì)算思維的學(xué)生不僅在信息技術(shù)課上成績更好，而且在數(shù)學(xué)、語言和科學(xué)方面的成績也更好[7]。

筆者通過對多篇文獻(xiàn)的閱讀和對比后發(fā)現(xiàn)，我國對幼兒階段計(jì)算思維培養(yǎng)關(guān)注度不夠的主要原因是，我國大部分文章都將計(jì)算思維的研究與計(jì)算機(jī)課程相聯(lián)系，計(jì)算思維的培養(yǎng)大部分集中在信息技術(shù)相關(guān)課程中進(jìn)行。而在幼兒教育中，是沒有單獨(dú)的計(jì)算機(jī)課程或者信息技術(shù)課程，而且我國對幼兒編程的涉及也很少。實(shí)際上，計(jì)算思維并不等同于程序設(shè)計(jì)或編程教學(xué)，計(jì)算思維的培養(yǎng)也不一定要使用計(jì)算機(jī)。美國計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)（CSTA）定義的中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)在中小學(xué)階段都強(qiáng)調(diào)了要將計(jì)算思維與社會(huì)、語言藝術(shù)、數(shù)學(xué)與科學(xué)等課程的整合。一些學(xué)者還開始研究“Computer Science Unplugged（不使用計(jì)算科學(xué)）”來提高計(jì)算思維，大部分計(jì)算思維的專家都同意培養(yǎng)計(jì)算思維的策略比發(fā)展計(jì)算機(jī)操作技能更符合當(dāng)前信息時(shí)代的發(fā)展和要求。

毫無疑問，對中小學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維的培養(yǎng)能夠提高學(xué)生的信息素養(yǎng)和計(jì)算機(jī)技能，能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識解決問題的能力，有效提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，符合新時(shí)代教育發(fā)展的潮流[8]。而在幼兒教育中，對孩子進(jìn)行計(jì)算思維的教育，主要是為了讓幼兒了解計(jì)算思維的概念，形成計(jì)算思維的習(xí)慣。當(dāng)幼兒逐步形成了計(jì)算思維的習(xí)慣，一方面可以使幼兒的思維習(xí)慣符合當(dāng)前信息社會(huì)的發(fā)展，為將來的信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)及其相關(guān)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)；另一方面，作為一種能提高學(xué)生智力與創(chuàng)新能力的新型思維，讓學(xué)生在學(xué)前時(shí)期就接觸計(jì)算思維，能夠有效地發(fā)展學(xué)生的智力與創(chuàng)造力。所以，在幼兒教育中融入計(jì)算思維的培養(yǎng)是十分具有價(jià)值的。

三、幼兒教育中計(jì)算思維的培養(yǎng)

根據(jù)計(jì)算思維的特征以及幼兒教育的主要目標(biāo)，我們可以從計(jì)算思維的四個(gè)基本要素入手，在幼兒教育中融入計(jì)算思維的培養(yǎng)，將計(jì)算思維的四個(gè)基本要素的培養(yǎng)與教學(xué)方法進(jìn)行結(jié)合，使學(xué)生在思維形成初期就開始形成計(jì)算思維習(xí)慣。根據(jù)計(jì)算思維的基本構(gòu)成要素，我們將從問題分解、模式識別、抽象、算法與調(diào)試這五個(gè)方面介紹如何將計(jì)算思維的培養(yǎng)融入到幼兒教育當(dāng)中。

1.問題分解

在幼兒教育中讓學(xué)生對問題進(jìn)行分解，就意味著讓學(xué)生和教師一同進(jìn)入解決問題的場景中，該過程首先需要教師提出一個(gè)復(fù)雜且需要多個(gè)步驟才能解決的問題，并在學(xué)生對問題進(jìn)行分解時(shí)加以提示。3-6 歲的學(xué)生其思維理解能力還未成熟，教師提出的問題要符合幼兒的身心發(fā)展，最好是日常生活中能夠接觸到的問題。通過對計(jì)算思維中問題分解能力的培養(yǎng)，可以發(fā)展學(xué)生的計(jì)算性思維框架和發(fā)展性戰(zhàn)略。

比如：為了培養(yǎng)學(xué)生的問題分解思維，教師可以組織一個(gè)開派對的游戲。首先由教師描述一個(gè)場景，如小紅要過生日了，打算舉行一個(gè)生日派對。舉行一個(gè)生日派對之前要完成哪些事情，將舉行派對需要做的事情分解成一個(gè)個(gè)小任務(wù)，就是問題分解。如果不將其分解成一個(gè)個(gè)邏輯清晰的小目標(biāo)，幼兒是無法弄清楚如何去舉行一個(gè)派對的。直接將復(fù)雜的問題扔給孩子，只會(huì)使學(xué)生不知所措，難以下手。在引導(dǎo)幼兒進(jìn)行問題分解時(shí)，教師也可以通過畫或?qū)懙姆绞綖閷W(xué)生呈現(xiàn)一個(gè)思維導(dǎo)圖，讓問題更加生動(dòng)清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，教會(huì)他們在未來如何對這類問題進(jìn)行分解。

2.模式識別

模式識別主要是需要學(xué)生分析相似的對象或經(jīng)驗(yàn)，然后找出其中的共同點(diǎn)。在發(fā)現(xiàn)這些對象或經(jīng)驗(yàn)的共同點(diǎn)后，孩子們就可以了解趨勢，從而能夠做出預(yù)測。通過模式識別思維的教育，可以擴(kuò)展幼兒對周圍世界的認(rèn)識。在模式識別的過程中，教師先要提供一些日常生活中常見的相似事物，然后讓學(xué)生尋找相似點(diǎn)并確定該模式的特征，使學(xué)生能夠在今后的生活中識別出這種模式，使類似的任務(wù)簡單化，有助于學(xué)生利用心中已有的模式解決未來可能出現(xiàn)的問題。

比如：為了培養(yǎng)幼兒模式識別思維，可以舉樹木的例子。教師在課前找許多不同樹木的圖片，告訴學(xué)生這些都屬于樹，之后就讓學(xué)生根據(jù)圖片說出這些樹都有什么共同點(diǎn)，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)。雖然樹木的類型很多，但主要結(jié)構(gòu)都包含樹干、樹根和樹枝。在識別了共同點(diǎn)后，還可以繼續(xù)深入討論不同樹木之間樹干的區(qū)別，比如說，有的樹干很粗、有些則很細(xì)；有些是白色的、有些則是棕色的。還可以討論樹根和樹枝的區(qū)別，進(jìn)一步在腦海中形成樹根與樹枝的模式。

3.抽象

抽象是指在一堆信息中篩選出相關(guān)的重要信息，除去冗余的部分。在教授學(xué)生抽象的技能時(shí)，要涉及從無關(guān)細(xì)節(jié)中分離出核心信息。通過培養(yǎng)抽象思維技能，讓學(xué)生學(xué)會(huì)對可用的信息的重要性進(jìn)行排序，以此來識別自己需要的特定信息。識別重要信息是一種非常寶貴的技能，因?yàn)殡S著年齡的增加，學(xué)生接受的信息會(huì)越來越復(fù)雜，而辨別事物的輕重緩急很大程度上關(guān)系著最終的成敗。

比如培養(yǎng)幼兒的抽象思維技能。教師在給幼兒講故事的時(shí)候，可以通過描述細(xì)節(jié)和總結(jié)故事的中心思想，自然就會(huì)教孩子抽象的概念和文學(xué)知識。如果想使教學(xué)更進(jìn)一步，那么教師可以鼓勵(lì)幼兒復(fù)述講過的故事或者講一個(gè)新的故事，并在這個(gè)過程鼓勵(lì)他們說出這個(gè)故事教會(huì)了我們什么，多次演練后，讓學(xué)生用最簡練的信息講出一個(gè)完整的故事。

4.算法

算法思維主要是探尋解決問題的方案步驟，算法思維與問題分解思維的區(qū)別是算法思維需要將解決問題每一個(gè)步驟的先后順序完整列出來，而問題分解則只需要知道完成這個(gè)步驟要先完成哪些更細(xì)化的問題。所以對算法思維具體來說，就是創(chuàng)建規(guī)則順序以解決問題。對于幼兒來說，孩子們學(xué)到完成事情的順序不同，會(huì)產(chǎn)生不同的效果。

比如在培養(yǎng)學(xué)生算法思維的時(shí)候，教師可以讓學(xué)生做簡單的炒菜游戲。可以提問學(xué)生第一步要做什么，如果把順序打亂又會(huì)怎么樣，如把菜炒熟了再去洗菜。也可以讓學(xué)生回憶每天從起床到來學(xué)校的過程和步驟，哪些步驟是值得鼓勵(lì)提倡的，哪些是不應(yīng)該做的。這種要求學(xué)生思考不同的行為順序是如何改變結(jié)果的，鼓勵(lì)幼兒反思自己的生活方式，形成良好的習(xí)慣，達(dá)到多方面的預(yù)期成果。

5.調(diào)試

調(diào)試在計(jì)算機(jī)編程中是極為重要的一步，它是在程序編寫完成后，利用各種方式對程序進(jìn)行檢驗(yàn)，是整個(gè)程序是否能夠正常運(yùn)行的最后一步。將調(diào)試思維作為計(jì)算思維的關(guān)鍵構(gòu)成要素融入在幼兒教育中，能夠提高幼兒對計(jì)劃中可能出現(xiàn)事故的判斷，提高學(xué)生對未知事物的把握。調(diào)試思維的培養(yǎng)一般在算法思維的培養(yǎng)之后，讓學(xué)生判斷自己的“計(jì)劃”是否切實(shí)可行，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)其他的事件影響原有的計(jì)劃。

比如：培養(yǎng)學(xué)生的調(diào)試思維。在讓學(xué)生講述每天從起床到上學(xué)的步驟之后，引導(dǎo)學(xué)生思考在這些步驟中會(huì)不會(huì)出現(xiàn)一些突發(fā)情況，比如說鬧鐘響了不愿意起床，上學(xué)路上堵車等，并且還要和學(xué)生一起思考如何解決出現(xiàn)的這些問題。以此來生成解決問題的最佳方案。

四、結(jié)論

我們生活在一個(gè)智能化的世界，3-6 歲的幼兒也是使用各種智能技術(shù)的一員，盡早培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的策略，比教編程技能的作用要大得多。而且在這個(gè)年齡階段，更應(yīng)該鍛煉的是幼兒的思維。培養(yǎng)幼兒形成計(jì)算思維的習(xí)慣，了解智能設(shè)備的工作原理，可以讓幼兒形成借助技術(shù)解決問題的思維。

計(jì)算思維使學(xué)生在未來的工作學(xué)習(xí)中更主動(dòng)地使用技術(shù)。我們使用技術(shù)獲取信息的方式，以及應(yīng)用智能設(shè)備解決問題的方式，將成為未來社會(huì)人與人之間重要的差別。而那些能夠擁有一定計(jì)算思維的人將會(huì)更加容易于獲得職業(yè)的長期發(fā)展，并取得成功。而培養(yǎng)計(jì)算思維的準(zhǔn)備工作，應(yīng)該從最年輕的學(xué)習(xí)者開始。