基于結構化視野解碼計算思維的生成與落地

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 論文編號：1674—2117（2025）15—0051—04

美國麻省理工學院的周以真教授在2006年提出了“計算思維”理論，指出計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。2011年，計算思維被進一步解釋為是“問題的解決過程”，主要包括問題的提出、問題的拆解和數據分析、抽象與建模、算法設計與求解、問題的迭代和優化、過程與方法的遷移與推廣等。

計算思維是一種結構化的解決問題方式

計算思維提出的最初目的是讓學生學會像計算機科學家那樣思考并解決問題。計算機解決問題具有很強的邏輯性和抽象化，人類通過模仿計算機工作方式和流程來提高解決問題的效率，這是一種結構化的解決問題的過程。因此，計算思維被很多人認為是一套成熟的思維框架，計算思維屬于科學思維方法中的構造思維，是一把解決問題的利劍，是學生面向未來的必備技能。

1.計算思維的特征

計算思維并不是計算機的思維，而是人的思維方式，即使人像計算機那樣思考問題，或者說是人類求解問題的一種思維方法。此外，計算思維是概念化的，是運用計算機科學領域的思想方法在形成解決問題方案的過程中所包含的一系列思維活動。計算機科學并不是簡單的計算機編程，而是人類解決問題的特殊途徑。因此，通過有意識地培養和訓練學生的計算思維，可以讓學生學會運用計算思維對問題進行識別、分析、抽象、建模并設計出合理的解決問題方案，從而提高解決問題的效率。

2.計算思維的優勢

思維能力是學生發展的第一競爭力，學生只有具備了良好的思維能力才能進行有效的學習活動。當學生面對各種疑難問題時，需要選擇一種高效的思維方式去解決，那么，計算思維便是很好的選擇，它可以極大地提高解決問題的效率，但必須強調的是，計算思維并不是知識和工具本身，而是結構化、程序化、系統化的問題分析求解方式。因此，計算思維還應包括系統工程思維、編程思維、算法思維、抽象與邏輯思維、遞歸思維、轉換與分解思維、迭代思維等。

3.計算思維的獨特性

計算思維具有結構化的問題分析與解決方式的特征。計算思維是一種問題分析求解的思維方法，它吸取了解決問題所采用的一般的數學思維方法、現實世界中復雜的設計與評估的一般工程思維方法以及復雜性、智能、心理、人類行為理解等一般科學思維方法。此外，計算思維是通過約簡、嵌人、轉化和仿真等方法，把一個看似困難的問題重新闡釋成一個“我們已經知道怎樣解決的問題”的思維方法。因此，在解決問題的過程中可以通過采用抽象和分解來控制龐雜的任務或為龐大的復雜問題設計系統性的解決方案。

利用計算思維實現問題的求解優勢

谷歌公司把“計算思維”概括成四大步驟，即分解問題、模式識別、抽象思維、算法設計。筆者認為，可以使用這四個步驟進行思維活動，以更好地解決問題。在計算思維解決問題的四個步驟中，分解問題是最為重要的內容，也是解決問題的第一步，通過將較為復雜的難題分解成一個個可以根據已有知識和認知經驗進行解決的問題。此外，計算思維本質上是一個思維活動過程，利用計算思維能夠將問題清晰、抽象地描述出來，再通過一系列的思維活動將問題一步步解決。

1.“計算思維”的結構化分析

基于計算思維解決問題的核心方法是通過結構化的流程控制方式，讓學生找到解決問題的線索，然后根據計算思維所提供的結構化解決問題的方法進行系統化解決。但在教學實踐中，筆者發現學生的認知結構是碎片化的，學生缺乏結構化的視野，更沒有全局觀，在考慮問題時視角比較狹窄。因此，可以在課堂教學中培養和鍛煉學生的問題分析與抽象、問題建模等計算思維，以此來提高學生解決問題的能力。

表1

筆者基于結構化理論，對解決問題過程中的“計算思維”三層結構進行了分析，即分別從操作過程操作要求、操作解析以及對應教學目標方面進行結構化分析（如表1），并使用“計算思維”的三層結構圖進行歸納總結（如圖1）。在整個結構中，抽象層是最基礎的層次，所要求的基本能力卻是最多、最高的；建模層是在對問題抽象后所形成的概念模型的基礎上進行結構化模型建構，建構可計算的結構模型；最頂層是表征層，是使用自然語言與數字化方式進行形式化的邏輯表達。

2.“計算思維”三層結構課例分析

計算思維的培養與發展可以從多個方面著手，中小學信息科技課程主要是在程序設計教學中逐步滲透計算思維教育。除此之外，計算思維還可以在表格處理、圖文處理等模塊教學中進行逐步滲透。下頁表2所示是中小學信息科技的主要模塊教學中可以運用計算思維來解決問題的案例。下面，以蘇教版小學信息科技三年級“圖文處理”模塊中的《復制與粘貼圖形》一課為例進行具體分析，本課主要的教學知識點是圖形的復制與粘貼、圖形的翻轉/旋轉以及拉伸/扭曲。

圖1

片段1：“復制”與“粘貼”中的構造思維

圖2所示是經典游戲《俄羅斯方塊》中的7種基本圖形，筆者利用基于解決問題模式的計算思維的結構化操作方法對圖形進行分析。編號為3、4、5的形狀可歸納為一類圖，將編號為3的圖形進行“翻轉就與編號為4和5的圖形形成同類型的圖形，上面是三個方格，下面是一個方格，只是方格所處位置不一樣。將編號為6和7的形狀歸納為一類圖形，上下各兩個方格疊加。

片段2：“旋轉”與“翻轉”中的設計思維

《俄羅斯方塊》游戲中的7種基本圖形可以通過變換、組合、拼湊，形成編號為1和2的結構圖。將編號為3、6、7的結構圖通過旋轉的方式拼湊起來形成如圖3所示的旋轉組合圖效果，將編號為4和5的結構圖通過翻轉的方式拼湊起來形成如圖4所示的翻轉組合圖效果。

圖2

計算思維是學生學習力發展的表現

具有良好計算思維素養的學生解決問題的效率往往較高。從解決問題模式下的“計算思維”三層結構中可以看出，作為三層結構最高層的表征層是計算思維的高層次要求，而良好的問題表征能力是學生學習力的重要表現。

圖3

計算思維不等同于編程思維，算法思維是計算思維的核心，通常在程序設計教學中可以培養學生計算思維，其本質在于通過邏輯思維與演繹推理的抽象過程實現教學目標。此外，算法思維作為計算思維的核心部分，也成為解決問題的關鍵。何為算法？簡單來說就是解決問題時所需要的步驟和安排都是算法的組成部分，從解決問題模式下的“計算思維”三層結構來說，對問題的抽象是算法思維的基礎。抽象思維是解決問題過程中的重要的思維組成部分，抽象思維就是將重要的關鍵信息提煉出來，形成解決問題的概念模型。因此，要想高效地將疑難問題通過分解、抽象、建模等形式化地表征出來，需要學生具有良好的計算思維素養。

圖4

下頁圖5所示是計算思維指導下的解決問題的一般過程。“問題求解”三層結構圖是根據建構主義

認識論形成的。認識層主要是對問題進行分解和提煉，從而抓住問題的本質特征；操作層主要是進行邏輯推理、優化分析，并對抽象問題特征建立結構模型；最頂層則是思維層，該層主要培養學生結構化的邏輯思維、迭代思維、系統工程思維等。

計算思維是核心素養發展的有效表達

表2

圖5

學生經過一段時間的學習，能夠構建起自己解決問題的流程，能夠深刻理解并掌握基于解決問題模式下的計算思維實踐三層操作，進而形成解決問題過程中所需要的技能與素養。值得注意的是，在日常教學實踐中，系統化地開展計算思維培養訓練，能夠促進學生計算思維能力的發展，進而有效提升其核心素養水平。此外，筆者認為，針對學生計算思維的培養還需從方法和意識維度切入，基于解決問題模式的計算思維實踐三層操作讓廣大教師有了具體的操作方法，而學生計算意識的培育，則需通過日常教學的持續滲透，讓學生逐步養成用“計算”的方法來解決問題的意識。

由此可見，形成良好的意識、具體的操作流程和思維方法，有利于學生計算思維的培養和發展。

參考文獻：

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