構建計算思維在程序設計課程中的培養框架

侯震宇

【摘要】當前編程教育著眼于培養學生利用計算的過程和方法理解和解決問題的能力，強調學生在問題解決過程中提升信息素養，激發學生開放、合作、協商的行動意識，鼓勵運用計算思維形成解決問題的方案。為更好地在程序設計課程中培養計算思維，使學生的計算思維能力真正能夠在跨學科領域的實踐中進行塑造和強化，在聯系實際生活的情境中加以應用和遷移，本文闡述從計算思維本質、教育內容和教學策略三方面，構建計算思維的培養框架。

【關鍵詞】計算思維;編程教育;教學策略

一.計算思維的本質

計算思維是多種思維能力的綜合體，是一種總括性術語，以邏輯思維、算法思維、系統思維為顯著特征，本文將從過程要素和行為表現兩個層面來剖析計算思維的本質內涵。

（一）計算思維過程要素

計算思維的思維過程是問題解決中邏輯思維、算法思維和系統思維的具體作用過程，也是計算思維特質的集中表現。研究中把計算思維分為了以下六部分：分解、模式與概括、歸納抽象、算法設計、調試優化、泛化遷移。

1.分解

分解是思維過程的基礎，分解就是把一個復雜的大問題，分解為一個個容易理解的小問題，這樣的過程有利于找到解決問題的路徑。

2.模式與概括

模式識別與概括是思維過程的重要方法。生活中大大小小的問題會以不同的形式出現，盡管這些問題大相徑庭，但是他們之間可能存在著共性。概括就是根據各種條件，找出能解決同一類問題的一種通用的方法，是在之前的解決問題方法的基礎上，形成新問題的解決方案。建模往往是模式識別與概括的產物，通過構建模型或模擬以表示系統運行的原理以及將來運行的趨勢。

3.歸納抽象

抽象是指通過隱藏任何不必要的信息使問題或系統更容易理解，抽象是簡化事情，識別什么是重要的，而不用擔心太多細節。抽象過程決定我們需要突出和保持的一般特征以及我們可以忽略的細節，這是計算思維的基礎。

4.算法設計

算法設計是思維過程的重要環節，也可理解為流程建設。前面通過分解，把復雜問題分解成一個個較小的問題，然后就需要我們根據項目的完成步驟，按順序把這些小問題組合起來，而這個順序，就是我們說的算法。算法設計的思維過程不僅適用于程序設計，而且適用于其他學科以及生活中的問題解決。

5.調試優化

調試優化是思維過程的自我評判，指的是在解決方案無法正常工作或效率不高時檢測、識別并修復錯誤或對方案進行優化。具體地說，調試優化可以幫助我們檢查對于項目解決方案的質量如何，程序的算法是否高效，如果是軟件的話，用戶界面是否合適，如果是創客項目，還要關注產品外觀是否夠人性化。有了評估，能幫助我們檢測項目是否已經完成，完成的質量如何，并可以通過優化考慮如何改進。

6.泛化遷移

泛化遷移是思維過程的延伸，通過思維碰撞，可以建立起從特殊到一般、從具體到廣泛的普適性聯系。通過反思、總結，某一具體問題的解決過程可以遷移到其他情境或領域，希望以后在處理問題時可以根據之前已有經驗，能更有效地解決問題。

在具體編程教學活動中可以通過思維過程的角度分解程序，從而將計算思維融入編程課堂。

（二）計算思維的行為表現

計算思維是解決問題的能力，因此也適用于問題解決的思路，而問題解決的這個過程，在行為表現中可以分為四個步驟：1.理解問題;2.制定計劃;3.執行計劃;4.評估。

計算思維的行為表現是指在計算環境中即利用計算設備或應用計算原理，從而進行問題解決的過程，在教學中是表現性任務中評價的主要參考依據。這一過程除了遵循上述問題解決的一般過程外，在編程教學中遵循程序設計的一般過程：1.分析問題;2.設計算法;3.編寫程序;4.運行程序，分析結果。對于基于實物設備的編程教育中，還需遵循STEM理念中解決問題的一般思路，即問題驅動、設計方案、實施過程、作品呈現與分享改進。

計算思維的行為表現如圖1所示：

在確定問題和分析問題階段是整個過程中最重要的環節，直接影響策略的選擇和問題的解決。外顯的行為可能首先表現為能夠發現問題的存在并能夠清晰、詳細地描述或說明問題，即表征問題，其次還表現在確定問題的本質并將復雜問題進行分解。在這一階段，抽象歸納、結構分層以及模式識別是主要的思維過程。

設計階段是理解問題之后的對于解決方案的初步設想，一般會準備基礎的工具或程序來解決各類問題，對應主要的過程是算法設計。

實施過程和作品呈現這兩個階段屬于整個系統的調試，確保整個項目的每一個小部分都能得到有效的解決。對應主要的思維過程是調試優化。

泛化遷移階段需要總結整個過程，并形成案例，在再次遇到類似問題的時候可以參考、借鑒。在這過程中，也有可能，需要對原來的方案重新修訂，再次進入新的一輪循環。本階段對應主要的思維過程是泛化遷移。

學生的行為表現在教育內容的不斷補充過程中，依靠自身的思維過程，不斷推進，不斷向學習目標逼近。

二、計算思維的教育內容

通過研究教育部確定的信息技術課程標準，結合美國、英國、澳大利亞三國與計算思維相關的教育標準或目標體系和教育部管理信息中心組織的“計算思維培養課程調研會”上有關專家和一線教師的意見，確定小學計算思維培養目標如下：

三、計算思維的教學策略

教學策略是為實現特定的教學目標、完成教學任務的重要手段，也是對教學內容組織、教學過程環節、教學方法和教學工具等因素的綜合考慮。4為了讓學生在不同計算情境和問題面前能夠創造性地、靈活地應用所學的內容，真正具備計算思維，我們制定的教學策略需要結合計算思維的特點和編程教育、STEM教育的基本策略。

（一）計算思維的教學特征