學科思想方法：計算思維教育的一個視角

周世杰 張瑜

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展及其在社會各領(lǐng)域的作用凸顯，計算思維成為人們?nèi)找骊P(guān)注的熱點。作為21世紀學生應(yīng)具備的關(guān)鍵能力，計算思維成為信息技術(shù)教育的重要內(nèi)容和主要方向。基于學科思想方法發(fā)展學生計算思維的教學，可以按照信息技術(shù)學科自身的邏輯體系組織課程內(nèi)容，系統(tǒng)完整地展示信息技術(shù)學科領(lǐng)域中的知識系統(tǒng)和邏輯結(jié)構(gòu)。這種完整的學科知識結(jié)構(gòu)和嚴密的邏輯性，為計算思維教育提供了新的視角，有助于對學生信息素養(yǎng)進行連續(xù)和系統(tǒng)的培養(yǎng)，有助于學生全面、準確地了解信息科技的發(fā)展狀況，也有助于信息技術(shù)學科思想的傳承。

● 什么是學科思想方法

自周以真教授提出計算思維的概念以來，對它的相關(guān)研究很多。但從其構(gòu)成要素來看，大部分研究是從計算科學方法論的層面對其進行定義。而從信息科技學科體系而言，它的上游學科一般認為有兩個，一是計算科學，另一個是信息科學。所以，《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》在關(guān)于計算思維的定義中，明確指出了要關(guān)注學科思想方法。

1.計算思維的要素

計算思維一詞由美國卡耐基·梅隆大學周以真教授在2006年3月提出。2010年后，她又將其界定為：“計算思維是與形式化問題及其解決方案相關(guān)的一個思維過程，其解決問題的表示形式應(yīng)該能有效地被信息處理代替執(zhí)行。”她同時指出其本質(zhì)是抽象和自動化。2009年6月，美國ACM前主席Denning在《ACM通訊》上發(fā)表文章《超越計算思維》，給出了七個偉大計算原理：計算、通信、協(xié)作、自動化、記憶、評估、設(shè)計。他認為，“偉大原理”包含了周以真提出的“計算思維”內(nèi)容。2012年，布倫南等人提出了計算思維三維框架：計算概念（順序、循環(huán)、事件、并行、條件、運算、數(shù)據(jù)）、計算實踐（增加與迭代、測試與調(diào)試、再利用與再混合、抽象與模塊化）以及計算觀念（表達、連接、質(zhì)疑）。2013年，英國南安普頓大學的Cynthia Selby和John Woollard博士，為計算思維歸納了“算法思維、分解、抽象、概括和評價”五個要素，受到廣泛關(guān)注和引用。

在我國，桂林電子科技大學董榮勝教授在《計算思維的結(jié)構(gòu)》一書中指出：計算思維的結(jié)構(gòu)，可以具體化為計算學科的抽象（感性認識）、理論（理性認識）和設(shè)計（實踐）三個方面。2016年12月，任友群教授等從利用數(shù)字化技術(shù)解決問題的過程方面，將計算思維的內(nèi)涵要素界定為形式化、模型化、自動化和系統(tǒng)化四個方面。謝忠新（2017）將計算思維要素界定為分解、模式與概括、抽象、算法思維、評估五個方面。

由上述可知，在計算思維內(nèi)涵和要素方面，國內(nèi)外學者主要是從計算科學方法論的角度予以歸納和提煉。

2.計算思維教育

很多專家指出，計算思維體現(xiàn)了信息技術(shù)學科的一種內(nèi)在價值，有助于學科建設(shè)與發(fā)展。在新課標中，計算思維被定義為：“個體運用計算機科學領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案中產(chǎn)生的一系列思維活動。”新課標在定義中，指明了發(fā)展學生計算思維，需要運用學科思想方法。

南京師范大學李藝（2016）等基于計算思維，為信息技術(shù)學科課程設(shè)計與教材編寫設(shè)計了六組主題：對象與管理、規(guī)則與安全、系統(tǒng)與工程、設(shè)計與制作、協(xié)作與交流、倫理與道德。基于這種現(xiàn)狀，熊璋和李鋒（2019）在《信息時代·信息素養(yǎng)》一書中針對計算思維教育提出了三個建議：其一，掌握信息技術(shù)學科領(lǐng)域的思想方法;其二，將信息技術(shù)學科領(lǐng)域的思想方法與其他領(lǐng)域相結(jié)合，創(chuàng)新解決問題的新模式;其三，依據(jù)學科領(lǐng)域思想方法合理選用信息技術(shù)工具，利用信息技術(shù)工具解決問題，并能實現(xiàn)這種解決問題能力的遷移。三個建議和新課標定義相比，從“計算機科學領(lǐng)域的思想方法”到“信息技術(shù)學科領(lǐng)域的思想方法”，拓寬了發(fā)展學生計算思維的渠道。

● 什么是信息技術(shù)學科思想方法

南京師范大學李藝教授在《重構(gòu)信息技術(shù)課程——從經(jīng)驗選擇走向思想投射》一文中指出：“面對新的挑戰(zhàn)，信息技術(shù)課程尚未表現(xiàn)出足夠的自信。這種自信的缺乏，源于課程長期以來所走的經(jīng)驗選擇道路，缺乏系統(tǒng)而穩(wěn)定的學科思想積淀。”

眾所周知，數(shù)學、化學等成熟學科都有各自的學科思想方法，并且都是從自身上游學科知識提煉而來，這些經(jīng)驗可以用來指導信息技術(shù)學科的思想方法梳理工作。因此，我們可以將信息技術(shù)學科思想方法界定為：在信息技術(shù)發(fā)展歷程中，在解決實際問題過程中而逐步形成的具有信息技術(shù)學科特點的科學原理和技術(shù)思想。它由上游學科生發(fā)，并經(jīng)過從其智慧積累之中采摘、改造并重新序化而來，具有信息技術(shù)學科知識取向且較為嚴謹?shù)捏w系化的特征，是對信息技術(shù)學科知識的本質(zhì)理解和理性分析。

通過這樣的概念界定，可以指導我們梳理信息技術(shù)學科思想方法的思路。

思路一：在上游學科中尋找，如信息熵思想、圖靈機理論等。

信息熵思想。1948年，香農(nóng)提出了“信息熵”的概念，解決了對信息的量化度量等問題，用來描述信源的不確定度。

圖靈機思想。圖靈于1936年在其論文《論可計算數(shù)及其在判定問題上的應(yīng)用》中提出了一個計算模型，該模型是用機器來模擬人們?nèi)粘Ｓ眉埞P進行數(shù)學計算的過程，這個模擬裝置就是圖靈機。

思路二：從信息技術(shù)的發(fā)展歷程中尋找，如符號化思想、標準化思想、對象管理思想等。

符號化思想。現(xiàn)代計算機作為處理信息的工具，只能處理數(shù)字（二進制數(shù)）。要想讓計算機幫助我們處理需要的信息，必須將文字、圖片、聲音、視頻等信息載體轉(zhuǎn)換為數(shù)字（二進制數(shù)）。所以我們可以認為計算機的符號化思想，就是能夠有意識地使用計算機的符號0和1來解釋和解決現(xiàn)實的問題。

標準化思想。為了減少信息技術(shù)在發(fā)展和應(yīng)用中所產(chǎn)生的不必要的復雜性，經(jīng)協(xié)商一致或在發(fā)展過程中自然形成大家必須遵守的一些規(guī)則。它具有動態(tài)變化性和普適性等特征。

對象管理思想。在信息技術(shù)學科內(nèi)容中，所有的軟件和工具的操作中都涉及對象、屬性等問題，將這些實體或關(guān)系抽象化后形成數(shù)字化對象，并對其進行操作、修改，達到有效管理，這種思想和方法，可以合理構(gòu)建對象之間的結(jié)構(gòu)化關(guān)系，實現(xiàn)對象之間更好地聯(lián)系，形成一個有效的信息化系統(tǒng)。

思路三：從教學實踐中尋找一些經(jīng)典算法，如枚舉、遞歸、迭代、分治和回溯等。

算法是計算機的靈魂，算法不僅是一種解決問題的方式，更蘊含著豐富的學科思想，可以說，算法與計算思維關(guān)系密切。因此，在算法設(shè)計中一些經(jīng)典的算法也可以歸入信息技術(shù)學科思想方法。

發(fā)展學生計算思維有助于學生理解信息環(huán)境中各要素之間的關(guān)系，也體現(xiàn)了當代信息技術(shù)課程的一項重要價值。同時，計算思維教育需要提煉信息技術(shù)學科的思想方法，并通過設(shè)計適合學生學習的方式，引導學生形成以學科思想方法觀察事物和問題求解的能力，發(fā)展與之相適應(yīng)的思維方法與創(chuàng)新能力，提升學生的信息素養(yǎng)。

● 如何開展學科思想方法視角下的計算思維教育

學科思想方法是學科教學的靈魂。信息技術(shù)學科思想方法是在認識信息科技知識技能以及利用信息技術(shù)解決實際問題的過程中提煉出的學科觀點，是對信息技術(shù)學科的本質(zhì)、特征及價值的認識，是發(fā)現(xiàn)問題并利用信息技術(shù)解決問題的指導思想。

基于以上認識，筆者在教學實踐中，從學科思想方法的視角，已經(jīng)做了一些嘗試。例如，筆者在教學字符編碼、計算機硬件型號、USB接口標準和IP地址等內(nèi)容時，曾融入相關(guān)內(nèi)容，引導學生理解在信息技術(shù)發(fā)展的過程中，為了避免不必要的沖突，一些規(guī)則的逐步形成過程，從而讓學生了解標準化思想的特點和價值。再如，在教學“信息”的概念時，筆者以“找人”的情境游戲引入，通過信息的出現(xiàn)，逐步清晰要找的人的特征，即“消除了不確定性”。課后，筆者將“信息熵”的相關(guān)知識制作成微視頻，通過微信公眾號發(fā)布給學生，讓學生課后自主學習。通過現(xiàn)有嘗試筆者發(fā)現(xiàn)，在教學實踐中，選擇恰當?shù)慕虒W內(nèi)容，設(shè)計合理的教學活動，滲透學科思想方法，有利于提升學生的學習品質(zhì)。

上海市信息科技學科新教材將在20201年9月份使用，除了以上初步教學實踐，筆者還計劃進行以下嘗試。

其一，基于計算思維教育的現(xiàn)狀和已有經(jīng)驗，在進一步梳理信息科技學科思想方法的基礎(chǔ)上，進行“學科思想方法視角下發(fā)展學生計算思維的教學實踐”，該計劃主要包括三方面的主要內(nèi)容：①通過文獻研究、經(jīng)驗梳理等方式，進一步歸納、凝練信息科技學科的思想方法;②對照課標課程結(jié)構(gòu)，梳理課程內(nèi)容，選取與學科思想方法聯(lián)系密切的知識點，進行教材內(nèi)容分析，并在此基礎(chǔ)上，尋找學科思想方法、計算思維要素與課程內(nèi)容的“鏈接點”，圍繞“鏈接點”，統(tǒng)整教學內(nèi)容;③采用課例開發(fā)、案例分析、策略歸納等方式，總結(jié)學科思想方法視角下發(fā)展學生計算思維的教學策略。

其二，基于新課標，尋找信息科技學科思想方法、計算思維要素與課程內(nèi)容之間的“鏈接點”，并整合教學內(nèi)容，解決“課程內(nèi)容”與“思想方法”脫節(jié)的問題，為發(fā)展學生計算思維提供新的“抓手”。當然，信息科技學科思想方法與計算思維要素、課程內(nèi)容之間有著比較復雜的交織關(guān)系，以上設(shè)想可能存在很大的實踐難度。