中學生計算思維培養過程中的問題與對策

趙淼 孫巍

摘要：計算思維是中學生必備的信息素養之一，如何有效培養中學生的計算思維是值得教育工作者深入探究的。本文采用文獻綜述法，對中學生計算思維培養過程中存在的教學模式、教育者、課程和教學環境方面的問題進行了系統分析。同時，從研究人員、學校和國家的角度提出了相應的解決措施，以期提升中學生計算思維培養水平。

關鍵字：計算思維；中學生；對策

隨著人工智能、大數據等新一代信息技術的迅猛發展，計算思維已成為當今社會必備的信息素養之一。因此，如何培養具備計算思維的人才已成為國內外研究的熱點問題。舉例來說，經濟合作與發展組織教育（OECD）2030項目將計算思維劃分為學習者未來需要具備的六大復合能力之一，并將其內容融入了許多國家的課程改革目標和內容中[1]。2022年3月，教育部發布的《信息科技課程標準》將計算思維列為信息科技學科的核心素養之一[2]。

這表明，培養中學生的計算思維已成為提高國民信息素養、貫徹實施“教育面向未來”方針以及增強國際競爭力的迫切需求。然而，目前我國中小學生的計算思維培養和實施層面存在一些問題。因此，本文從計算思維培養的視角出發，分析了目前在中學階段計算思維培養所面臨的困境，并提出了相應的解決策略，旨在為培養中學生的計算思維提供理論和實踐的參考。

一、計算思維的內涵與研究現狀

（一）計算思維相關研究

司馬遷在《九章算術》一書中首次提出了計算思維的概念，該定義主要用于解決數學問題。隨著計算機科學的發展，2006年，卡內基梅隆大學的周以真教授（Wing）提出了計算思維的內涵，即：運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及理解人類行為的一系列思維活動，涵蓋了計算機科學的廣度。其他學者從不同角度對此進行了補充說明：從綜合視角來看，Hemmendinger等認為計算思維是一種跨學科的綜合性思維能力；從專業視角來看，Papert等人認為計算思維是與計算機操作相關的能力[3]。在我國最新頒布的義務教育《信息科技課程標準》中，計算思維被定義為個體運用計算機科學領域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設計等思維活動。該定義明確指出了具備計算思維的學生在解決問題過程中的特征，因此對于培養中學生的計算思維具有指導意義。綜上所述，計算思維是人類學習計算機問題求解的一系列思維過程，是科學思維的一種新方法，為人們理解信息化、數字化、智能化的世界提供了新的視角。

（二）中學階段計算思維的研究現狀

筆者利用知網平臺（CNKI）進行檢索，在中等教育范圍內，以關鍵詞“計算思維”為基準，排除了會議期刊等無關文章，最終篩選出319篇文章作為研究對象。借助研究工具citespace6.1進行可視化分析，得出了以下的共現圖譜（見圖1）。從圖中可以看出，“計算思維”這個關鍵詞的圓圈直徑最大，說明它是近年來的研究熱點。其次是“人工智能”“信息技術”“編程教育”“核心素養”等關鍵詞，它們相對于“計算思維”而言直徑較小，但外圈呈暖色，說明它們在計算思維領域也備受關注，是研究的熱點之一。因此可以得出以下結論：人工智能與計算思維密切相關，信息技術（科技）課程是中學階段培養計算思維的重要載體，編程教育是實現計算思維發展的有效途徑，而計算思維在核心素養的培養中占據重要地位。

二、中學生計算思維培養過程中存在的問題

（一）缺乏創新性的教學模式

在我國中學階段，計算思維的培養主要依托于信息科技課程，以編程和算法知識為主要內容，集中在教學模式和教學方法等方面。然而，如果教育者只是簡單地套用傳統的教學模式，很難真正培養學生的計算思維。部分教師認為學生在使用編程工具的過程中會改變自身的思維方式，因此在教學過程中注重完成教學目標，提前展示編程代碼和算法思路，并不愿意探索創新的教學模式。他們過分強調解決問題的步驟和最終結果，缺乏對提升學生計算思維技能的教學引導。此外，目前關于計算思維培養的研究有大約90%是集中在高等教育的計算機類課程上，相對較少研究針對基礎教育階段的信息科技課程教學方法。將大學甚至研究生階段需要學習的理論知識過早地呈現給基礎知識儲備不足、認知能力尚待發展的中學生，會導致學生對計算思維的學習失去興趣，從而影響到他們形成計算思維能力。

（二）課程建設存在短板

在我國，中學階段關于計算思維培養方面的課程建設仍然不夠完善。信息科技作為一門邊緣學科，在學生的學習時間中占比較少，這導致學生接觸計算機資源的機會有限。根據趙健的調研結果，93.2%的學生對信息技術課程表示興趣，但在面臨升學壓力時，40.8%的學生的信息技術課程被中高考科目所替代，這阻礙了學生學習計算思維的途徑。為了解決這一問題，一些學者提出了跨學科的方式來發展學生的計算思維，將計算思維融入數學、科學、物理、化學、生物等其他學科的課程中，其中最常見的是將計算思維融入STEM教學中。張瑾等人系統梳理了國外跨學科整合計算思維的教學活動、課程模式和實施路徑。

在跨學科培養中學生計算思維的教學中，計算思維與學科內容的融合不應僅僅是簡單地將兩者相加，而是在充分考慮到中學生的認知規律和挖掘本學科內容特點的基礎上，將計算思維與學科內容有機地結合起來。因此，跨學科培養中學生計算思維的道路仍然任重道遠，需要在課程設計和教學實踐中不斷探索，并充分利用學科教師的專業知識和教學經驗，以實現計算思維與學科內容的有機融合。

（三）教師計算思維能力匱乏

根據教育部的統計數據，截至目前，我國中學的信息科技專任教師約有26.93萬人，可以滿足日常教學的需求。在師資隊伍數量充足的情況下，教師的專業水平對于培養學生高質量的計算思維至關重要。為了加強高水平教師隊伍的建設，教育部在2019年發布了《關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》。然而，該文件并沒有明確指出教師應該學習計算思維的路徑和方法。與國外情況相比，谷歌資助的“向每位教師引入計算思維”系列課程由國際教育技術學會（ISTE）承辦，向教師講解了“計算思維”的含義和核心概念，并提供了大量的“計算思維”課程實例。此外，從教師自身的角度來看，信息科技教師的課余時間往往被輔助教育行政工作所占據，減少了學習計算思維的時間。而其他學科教師則過于注重提高學生的分數，很少有精力深入探究計算思維與本學科內容的聯系，這導致學生計算思維能力薄弱的問題。

（四）基礎設施有待完善

目前，我國基礎教育階段存在城鄉之間和校際之間的較大數字鴻溝，這使得學習者無法充分體驗以計算機為載體的計算思維。由于客觀環境的限制，教師在教學過程中更容易墨守成規，只注重灌輸教學內容，而不注重培養學生的計算思維。尤其是在COVID-19期間，學校的基礎設施和網絡環境影響著教師的授課狀態和學生的思維發展。與此同時，教育部等六個部門聯合印發了《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》。該指導意見指出要強化教育生態環境，加快推動教育現代化，建設教育強國。這意味著國家在發展教育方面有了更加明確的方向和重視。因此，相關部門應該加快國家方針政策的貫徹落實，將先進技術賦能于教學環境，以促進城鄉之間和校際之間教育的公平性，并提高中學生的計算思維水平。這不僅對于個體學生的全面發展和適應未來社會的需求具有重要意義，也對于國家整體發展和構建創新型國家具有重大的社會意義。

三、中學生計算思維培養的應對策略

（一）強化理論研究

構建創新性的教學模式可以從革新研究隊伍和完善研究過程兩個方面入手。首先，在研究人員構成上，不僅應該包括教育技術領域的專家，還應該涵蓋教育學、心理學和計算機領域的專家。教學模式的構建需要充分利用各個專業領域的知識，設計出能夠融入計算思維邏輯的新模式。同時，研究人員還應該與一線教師展開合作，深入中學課堂，尋找當前存在的問題，并改變傳統計算思維教育過于工具化的傾向。其次，在研究過程上，研究人員應該從學情分析、教學環節、教學評價以及資源輔導等方面入手，研發適合的教學工具，編寫符合中學生身心發展規律的計算思維教學內容，并創新設計適宜的計算思維教學方法，從而有效提高學生的學習效果。

（二）完善課程建設

為了擴展學生習得計算思維的渠道，學校需要完善課程體系的建設。首先，學校應當確保信息科技課程的排課量。在總課時不變的情況下，有必要將1%至3%的課時單獨用于信息科技課程的教學。這樣可以為學生提供更多的機會接觸和學習計算思維相關的知識和技能。此外，學校還可以根據國內外的青少年信息學競賽，以競賽為導向，開展課后延時的計算思維服務。例如，提供3D打印課程、機器人編程課程等。這樣的延時服務能夠更好地滿足學生的學習需求，培養他們的計算思維能力。其次，學校需要開發相關的校本課程，實現跨學科整合的計算思維教學。通過自主探究和合作協商的過程，學生能夠發展和運用計算思維，并加深對各學科知識的理解。例如，可以利用Scratch軟件構建平面直角坐標系，通過實現人物的跳躍移動，學習數理知識；還可以通過使用Python編寫古詩，運用計算思維解決程序漏洞，體會古詩詞的韻律之美。這樣的跨學科整合可以激發學生的興趣和創造力，進一步促進他們的計算思維發展。此外，相關部門也應該加大對課外思維培訓課程的管理力度，積極響應國家雙減政策，并采取必要的措施，提高對計算思維教育培訓的監管力度。這樣可以整頓培訓市場中的資本化和無序化現象，推動計算思維教育走向規范化和專業化的發展。

（三）加強教師培訓

學校需要豐富教研資源，以幫助教師成為計算思維的學習者。首先，學校應提供涉及計算思維的各學科教學案例，構建資源平臺，打破校際備課過程中的信息壁壘，助力教師在后疫情時代開展計算思維培養工作。例如，定期開展在線培訓活動、邀請專家進校講座，并促進校際間的合作交流，以拓寬教育工作者的知識視野。同時，學校還應將計算思維作為職前教師引入校園的重要考察指標之一，力求建設高質量的師資隊伍。對于在職教師，學校需要注重計算思維能力的考核，并設置相關的績效機制，督促教師有效推進計算思維教育。其次，學校應減少信息科技教師的校內行政工作，鼓勵其開設信息科技名師工作室，深入研究計算思維融合學科課程的教學實踐。學校可以通過培訓講座和學科教研活動，引導任課教師轉變對計算思維的傳統觀念，強調學習計算思維中涉及的抽象、分解等思維活動對提高學生學業成績的重要性。

（四）搭建配套環境設施

為了促進校際和區域間的信息科技教育協同發展，國家應從資金、政策等維度統籌計算思維資源。

首先，國家應設立專項資金，對計算思維培養進行專門的立項支持，包括設立基于中學生計算思維教育的研究基金和項目。通過資金支持，激發科研人員和教育工作者對計算思維教育的研究和實踐的熱情，推動計算思維教育的創新和發展。

其次，有關部門應加強頂層設計，搭建計算思維培養平臺。促進校企聯合，推動計算機、平板電腦等配套設施進入校園，為計算思維教育提供技術支持。例如，可以在課堂教學、教師教研、資源建設、智慧校園等重要應用場景中積極探索促進學習者思維發展的技術支持形態，營造良好的教育技術環境。最后，學校還應借鑒試點地區的使用經驗，制定計算思維的發展規劃。構建多模式耦合的計算思維教學環境，同時結合各類資源，開展多樣化的教學方法和活動，提升學生的計算思維能力。這樣的努力將有助于促進信息化教育的公平，減小不同地區、學校之間的差距。

四、結束語

綜上所述，本研究借助cite space分析得出中學階段計算思維的研究現狀，并明確了當前阻礙中學生計算思維發展的問題，最終從研究人員、學校和國家三個層面解決中學生計算思維發展問題的具體措施，即研究人員通過革新研究隊伍、完善計算思維培養過程解決教學模式陳舊的問題；學校通過增加中學生信息科技課時量、跨學科培養計算思維，豐富學生計算思維的培養路徑，同時還應實施教師間資源共享，構建全方位的監督體系，提高教師計算思維能力；國家通過資金撥款、政策扶持完善計算思維配套基礎設施。通過這些措施的實施，將推動中學階段計算思維的培養和發展，為社會培養更多具備計算思維能力的信息化人才。

作者單位：趙淼 孫巍 佳木斯大學教育科學學院

參? 考? 文? 獻

[1]左浩德，朱夢露，曹一鳴.“OECD2030”視域下學生復合能力的維度培養策略及啟示[J]. 教育理論與實踐，2022，42（7）：6.

[2]任友群，黃榮懷，熊璋.從信息技術到信息科技——關于《義務教育信息科技課程標準：2022年版》的對話[J].課程.教材.教法，2022，42（12）：21-31.

[3]劉敏娜，張倩葦.國外計算思維教育研究進展[J].開放教育研究，2018，24（1）：13.

趙淼（1998.04-），女，漢族，黑龍江哈爾濱，研究生在讀，研究方向：信息技術與課程整合；

孫崴（1980.01-），男，漢族，黑龍江雙城，碩士研究生，在讀博士，副教授，研究方向：數字化學習與網絡教育、信息技術與課程整合。