基于計算思維培養的初中C++編程教學研究

朱玉紅 強家虎 張天征

摘?要：近年來，隨著計算思維研究的深入，其作為信息技術學科獨立性與價值性的支撐得到凸顯。鑒于此，編程類課程作為培養計算思維的有效載體重新得到信息技術課程的青睞。本文闡述了計算思維的內涵與價值，分析了C++編程在培養計算思維方面的優勢，設計了基于計算思維培養的C++編程教學模型和基本課程架構，以期對計算思維教育的實證研究提供一些經驗和支撐。

關鍵詞：計算思維;信息技術;初中教學

一、 問題的提出

近年來，為了應對學生對信息技術課程內容的前沿性與求真性越來越高的需求，計算思維培養受到了我國信息技術課程研究者越來越多的關注。同時，多元化、創新化的培養需求日益劇增，單純的技能培養或是能力培養早已不能應對日新月異發展的科技。思維培養作為信息技術課程基礎性價值的體現，被確定為高中信息技術課程培養學生的核心素養之一。與此同時，我們注意到如何實施計算思維培養，尤其是在初中階段，通過哪些途徑和方法讓“計算思維”真正落地基礎教育值得我們探究。

二、 關于計算思維

2006年，周以真教授首次提出計算思維的概念。2011，她對計算思維進行了新的闡述，她認為計算思維是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單位所能執行的方式表述出來。

分析周以真多年來對計算思維的闡述可以看出，她將“問題解決”視為計算思維非常重要的環節。2011年，國際教育技術協會（ISTE）和計算機科學教師協會（CSTA）聯合制定了中小學計算思維的操作性定義，其中也明確將計算思維定義為解決問題的一種過程。除此以外，學術界很多計算思維研究者還提出了“抽象說”“自動化說”“信息表達說”“社會計算說”“三維目標說”等對計算思維的認識。本文作者結合實際教學經驗認為“問題解決說”對于中學生信息技術課程的操作及計算思維培養過程更有利，下文也將圍繞“問題解決說”展開對計算思維培養的課程設計。

2017年中國人民教育出版社出版的普通高中信息技術教材及課程標準中將計算思維與信息意識、數字化學習與創新、信息社會責任共同作為信息技術學科四大核心素養，并在課標的解讀中對計算思維從概念到實操等多方面做了描述。為基礎教育計算思維的培養開辟了一條全新的道路。

目前，我國基礎教育依托信息技術課程，算法與編程、數據與分析兩個領域內容進行的活動設計是最常見、有效的提升學生的計算思維的一條途徑。當然，計算思維教育不等同于算法學習（編程學習），但算法學習（編程學習）是計算思維培養的最有效、不可或缺的途徑。

C++作為一種面向對象的程序編寫語言，在問題描述方面非常擅長，同時能夠很好地承接學生在小學階段學習過的圖形化編程內容，更適宜開發學生的計算思維。

三、 基于計算思維培養的教學設計

（一）計算思維教學模型設計

2013年南安普敦大學的Cynthia Selby博士和John woollard博士從五個方面提出了計算思維的要素，包括算法思維、評估、分解、抽象、概括。

根據陳鵬、黃榮懷等人的統計與研究，關于計算思維概念、定義、特征和要素，學者們使用的詞匯頻率從高到低為：問題解決、抽象、過程、計算機……

在國際教育技術協會和計算機科學教師協會給出的計算思維的操作性定義中不僅將計算思維視為一種基于問題解決的過程，并對其關鍵環節給予了明確表述包括（但不限于）：制定問題-邏輯化地組織和分析數據-通過抽象再現數據-通過算法思維來支持自動化解決方案-識別、分析、實施可能的解決方案-找到最有效的解決方案-推廣并遷移到更廣泛的問題中。

將大量理論研究結合一線編程教學實踐，我們從計算思維的“問題解決”觀出發，以計算思維的分解、抽象、算法、評價與歸納五大特征為主線，基于皮亞杰建構主義中以學生為中心的觀點，設計提出了基于 C++編程的教學模型。

圖1?基于計算思維培養的C++編程教學模型

（二）計算思維培養的教學內容設計

按照結構主義觀點的思路進行計算思維培養教學體系設計我們應該總結出計算思維的各個特征點（例如，分解、抽象、轉化、遞歸、并行……）并將這些特征點進行清晰地歸類和劃分，然后通過一堂一堂課程教授給學生，并逐漸內化為學生的思維方法。這種結構主義教學體系培養模式適應于工業化人才培養需要，具有標準易掌握，培養速度快的優點，是當今世界通用本科人才培養模式。但如果將其生搬硬套到初中生的計算思維培養中來，卻不是很適宜。因為從某種程度上來說這種講授的培養模式是線性的，不利于學生思維的養成，更加不利于思維發散性和靈活性的培養。思維培養的主體是學生，關鍵是思維過程。思維的主體需要在通過對問題的分析、綜合、概括、抽象、比較、具體化和系統化等一系列迭代過程中體驗感悟思維的過程。因此，我們可以基于以上教學模型，以“問題解決”為主線引導學生提升計算思維。例如，在How to change？問題中，教師首先給出的是背景情境：媽媽在姐姐和弟弟的喝水杯中倒入了不同的飲料，如何在不交換杯子的情況下交換對方的飲料呢？然后讓學生思考進而明確問題是“互換”，分析問題后可將兩個杯子抽象為計算機中的存儲單元，飲料抽象為存儲單元中的變量值。解決問題的方法則是可以開辟一個新的存儲單元，建立一個新的變量，通過第三個變量的傳遞將原來的兩個變量進行交換。最終總結后可將這一方法遷移到解決類似問題中，例如解決系統中兩個文件的名稱互換的問題。

當然我們也并非要放棄對計算思維特征的強化與量化過程。可以根據計算思維特征學習的難易程度不同，將其主要特征點與C++編程教學內容相融合，設計不同層次的任務。依據難易程度不同賦予不同的指代目標。將整體教學流程縱向上劃分為知識準備階段、經典練習階段和提升能力階段。讓學生以問題為主線，解決任務。表1為部分教學架構表。

四、 當前存在的問題

在以往傳統的教學中，計算思維是隱藏的教學內容中的，要靠學生自己去領悟，現在要把這些明白的講出來，讓學生有意識地去學習，提高培養質量，縮短培養時間。但同時我們也應該清醒地認識到，計算思維培養固然重要，但計算思維的培養離不開計算能力的基礎支持和計算工具的實踐應用，因此，計算思維的培養要循序漸進。

針對計算思維教育，國外一些高校研究機構已經進行了大量的教學實踐，取得了很好的效果。而我國的基礎教育中還沒有明顯的推動，基于教學實踐的計算思維教學體系還未成型。實證研究的缺乏是計算思維培養課程目前的一大現狀。

參考文獻：

[1]J M Wing. computational thinking and thinking about computing[EB/OL].2008.

[2]Operationaldefinition of computational thinking for k-12 education[EB/OL].[2012-04-15].http：∥www.iste.org/Libraries/PDFs/Operational_ Definition_of_Computational_thinking.sflb.sahx.

[3]何欽銘，陸漢權，馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養——《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》解讀[J].中國大學教學，2010.

[4]陳鵬，黃榮懷，梁躍，張進寶.如何培養計算思維——基于2006～2016年研究文獻及最新國際會議論文[J].現代教育遠程研究，2018.

作者簡介：

朱玉紅，天津市，天津外國語大學附屬濱海外國語學校;

強家虎，天津市，天津市南開區教育中心;

張天征，天津市，天津外國語大學附屬濱海外國語學校。