耿品萬

計(jì)算思維是人類三大科學(xué)思維之一，現(xiàn)已引起世界各國的高度重視。同讀、寫、算能力一樣，計(jì)算思維是每個(gè)人的基本能力、關(guān)鍵能力和必備能力。培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維凸顯了小學(xué)教育的基礎(chǔ)性價(jià)值，為學(xué)生的未來學(xué)習(xí)和生活奠定基礎(chǔ)。筆者在研究國內(nèi)外計(jì)算思維理論與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)基于學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架，用于指導(dǎo)小學(xué)信息技術(shù)課程的教學(xué)。

● 問題的提出

2006年3月，周以真教授在計(jì)算機(jī)雜志Communications of the ACM上定義了“計(jì)算思維”，并用三種技能界定了“計(jì)算思維”，該界定被社會(huì)各界廣泛采用。2013年，英國教育部將原有的“信息通訊技術(shù)”課程更名為“計(jì)算”課程。同時(shí)，計(jì)算思維也將被納入我國新修訂的《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中。那么，什么是計(jì)算思維？計(jì)算思維的焦點(diǎn)是什么？計(jì)算思維的組成元素是什么？計(jì)算思維在小學(xué)教育，尤其是信息技術(shù)課程教學(xué)中如何落地？隨著研究的深入，教師們迫切希望有一個(gè)知識(shí)框架，以便理解計(jì)算思維并應(yīng)用到教育教學(xué)中。因此，筆者針對(duì)小學(xué)階段計(jì)算思維教學(xué)展開了研究。

1.落實(shí)核心素養(yǎng)的需要

《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》中確定的中國學(xué)生發(fā)展六大核心素養(yǎng)中包括“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”和“實(shí)踐創(chuàng)新”。前者包括“信息意識(shí)”等基本要點(diǎn)，后者包括“問題解決、技術(shù)應(yīng)用”等基本要點(diǎn)。落實(shí)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要載體是學(xué)科教學(xué)。雖然核心素養(yǎng)是跨學(xué)科素養(yǎng)，任何學(xué)科都有其對(duì)核心素養(yǎng)發(fā)展的共性貢獻(xiàn)與個(gè)性貢獻(xiàn)[1]，但“信息意識(shí)、問題解決、技術(shù)應(yīng)用”這三個(gè)要點(diǎn)，無疑與小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科關(guān)系最密切。計(jì)算思維是信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)，對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)則為學(xué)生達(dá)成信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)，使學(xué)生形成“信息意識(shí)、問題解決、技術(shù)應(yīng)用”三大關(guān)鍵能力。

2.學(xué)科課程科學(xué)性、時(shí)代性的需要

現(xiàn)在，小學(xué)信息技術(shù)課程在很多人心中依然僅具有“工具”屬性。技術(shù)操作訓(xùn)練和利用技術(shù)解決問題成為學(xué)科課程的全部，這屬于狹窄的“工具論”認(rèn)知，對(duì)信息科技的全民普及和小學(xué)信息技術(shù)教育極其有害，嚴(yán)重削弱了小學(xué)信息技術(shù)課程的價(jià)值。一方面，信息技術(shù)軟硬件更新速度快，小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容陳舊，跟不上軟硬件的發(fā)展；另一方面，大眾信息技術(shù)的普及與發(fā)展越來越人性化，使用越來越簡單，甚至不需要學(xué)習(xí)即可掌握。因此，以此類技術(shù)工具作為課程內(nèi)容教給小學(xué)生越來越不合時(shí)宜了。

把計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，在《中國至2050年信息科技發(fā)展路線圖》一書及《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》[2]中都提出了相應(yīng)的教學(xué)措施。

人類使用的工具影響著自身的思維方式和思維習(xí)慣，進(jìn)而深刻地影響其思維。在目前的信息技術(shù)教學(xué)中，常常把當(dāng)前成人使用信息技術(shù)的工具經(jīng)驗(yàn)知識(shí)作為十幾年后才擔(dān)負(fù)成人角色的小學(xué)生所學(xué)的信息技術(shù)課程內(nèi)容，忽略了信息技術(shù)變化迅速與教育功能所具有的滯后性特點(diǎn)。那么，小學(xué)信息技術(shù)課程中究竟有哪些內(nèi)容能“深刻地影響著學(xué)生的思維”，或者說究竟哪些內(nèi)容才是作為基礎(chǔ)教育小學(xué)課程而言能夠?yàn)閷W(xué)生的未來學(xué)習(xí)和生活奠基的呢？顯然，就是計(jì)算思維。

● 研究綜述

1.理論研究

理論研究集中在計(jì)算思維的科學(xué)定位、本質(zhì)特征、概念演進(jìn)、理論溯源、價(jià)值意義等方面。研究者從思維、思維科學(xué)的源頭入手，探索了人類三大科學(xué)思維方式[3]，即理論思維、實(shí)驗(yàn)思維、計(jì)算思維，并初步梳理出可計(jì)算性原理、形理算一體原理與計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)原理等三大計(jì)算機(jī)基本原理。計(jì)算思維是一種解析思維，它共用了數(shù)學(xué)思維、工程思維和科學(xué)思維。[4]計(jì)算思維的兩個(gè)核心概念是抽象和自動(dòng)化。計(jì)算是抽象的自動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)化隱含著需要某類計(jì)算機(jī)去解釋抽象。計(jì)算思維是人腦的思維，是人們面對(duì)計(jì)算問題時(shí)對(duì)計(jì)算對(duì)象能動(dòng)的、間接的、概括的反映。[5]

對(duì)計(jì)算思維的理解，有七種觀點(diǎn)[6]：一是“問題解決說”，表達(dá)了計(jì)算思維的核心功能，這是流行最早、歷時(shí)最久、最經(jīng)典的觀點(diǎn)，獲得了包括國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）等機(jī)構(gòu)和本研究的認(rèn)同；二是“抽象說”，表達(dá)了計(jì)算思維的關(guān)鍵功能；三是“自動(dòng)化說”，本研究也認(rèn)同計(jì)算思維的核心是將大的問題抽象分解成很多小的問題直到小的問題能夠自動(dòng)化解決；四是“構(gòu)造說”，“構(gòu)”是指被研究對(duì)象各種要素之間的組合關(guān)系與框架，“造”是建造、創(chuàng)造，即各種要素之間的組合關(guān)系與框架的建造；五是“信息表達(dá)說”，計(jì)算思維是一種特別重要的表達(dá)形式，“編程就像寫作，是一種表達(dá)方式，也是開發(fā)新思維方式的入口；六是“社會(huì)計(jì)算說”；七是“三維框架說”，第一個(gè)維度是計(jì)算思維概念，第二個(gè)維度是計(jì)算思維實(shí)踐，第三個(gè)就是計(jì)算觀念。[7]

還有研究指出，計(jì)算思維指導(dǎo)的信息技術(shù)課程，有利于克服“工具論”的影響，有利于將計(jì)算思維塑造成基本的學(xué)科素養(yǎng)，凸顯其基礎(chǔ)教育的“基礎(chǔ)性”價(jià)值。[8]

2.教學(xué)實(shí)踐研究

計(jì)算思維教學(xué)實(shí)踐研究成果，應(yīng)首推高等教育階段的計(jì)算之樹[9]——一種表述計(jì)算思維知識(shí)體系的多維框架，通過計(jì)算之樹歸納計(jì)算技術(shù)與計(jì)算系統(tǒng)發(fā)展中經(jīng)典的、元始的、至今對(duì)人們?nèi)耘f產(chǎn)生重要影響的計(jì)算思維。

教學(xué)實(shí)踐影響力最大的，是美國在中小學(xué)階段將“計(jì)算機(jī)科學(xué)”寫入奧巴馬總統(tǒng)簽署的《每位學(xué)生都成功法案》，一些美國學(xué)者更是將2016年稱為“計(jì)算機(jī)科學(xué)元年”。[10]美國要求各州自幼兒園到高中要為學(xué)生提供計(jì)算機(jī)科學(xué)必修課程，這一歷史性轉(zhuǎn)變，將對(duì)美國基礎(chǔ)教育產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。計(jì)算機(jī)科學(xué)作為一門學(xué)科在美國中小學(xué)已經(jīng)開設(shè)，作為計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)科的基本學(xué)科素質(zhì)和學(xué)科專業(yè)思維，計(jì)算思維得到了廣泛的認(rèn)同。2011年，美國國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)、美國計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)與高等教育、工商界以及K-12教育的領(lǐng)導(dǎo)者共同形成了可操作性的“計(jì)算思維”定義，該框架明確“計(jì)算思維”是問題解決過程。目前，美國計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)已經(jīng)更新發(fā)布了K-12計(jì)算科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（2016過渡版、2017版），該框架有效指引了課程教學(xué)。為了助推計(jì)算思維教育，2013年公益組織Code.org倡導(dǎo)了“編程一小時(shí)”活動(dòng)，已有來自全球180多個(gè)國家、數(shù)以千萬的學(xué)習(xí)者參加。endprint

英國中小學(xué)階段將原有的國家課程“信息通用技術(shù)”更名為“計(jì)算”課程，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)造力，并應(yīng)用于編程和數(shù)字媒體設(shè)計(jì)領(lǐng)域。英國的研究者還制訂了課堂計(jì)算思維培養(yǎng)框架及評(píng)價(jià)方案。[11]

國內(nèi)小學(xué)階段也零星出現(xiàn)了少量的計(jì)算思維實(shí)踐研究。一類是以計(jì)算思維為核心的“小學(xué)Kodu趣味程序設(shè)計(jì)”[12]的研究，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展，在學(xué)生學(xué)習(xí)編程的過程中，提高其科學(xué)創(chuàng)新的能力；另一類是基于計(jì)算思維的小學(xué)程序設(shè)計(jì)教學(xué)研究[13]，以Scratch和Logo為基礎(chǔ)，以機(jī)器人和Free BASIC為拓展。

綜上所述，計(jì)算是人類文明最古老而又最時(shí)新的成就之一。從教學(xué)實(shí)踐上講，無論是國外還是國內(nèi)，計(jì)算思維的小學(xué)教學(xué)實(shí)踐多從程序設(shè)計(jì)入手，過多關(guān)注程序設(shè)計(jì)語言本身的學(xué)習(xí)。除了程序設(shè)計(jì)語言的教學(xué)，Word、Excel的教學(xué)主動(dòng)融入計(jì)算思維的研究較少，在目前設(shè)備、師資、學(xué)時(shí)缺乏的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下仍然有研究的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

● 小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架

人類社會(huì)最早是用手指、結(jié)繩、算籌等方式進(jìn)行計(jì)算。公元11世紀(jì)，中國人發(fā)明了算盤。從古至今，計(jì)算工具的演進(jìn)都深刻地影響著人的思維。計(jì)算思維作為思維活動(dòng)，很難精確描述，而以計(jì)算概念來表述則是一種有效措施。小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)迫切需要這樣一個(gè)表述框架。在周以真教授的論文中，計(jì)算思維包含19種能力，如約簡、遞歸、抽象、分解等。這其實(shí)也是以概念來描述的思維。計(jì)算思維具有以下六大特征：概念化，不是程序化，但現(xiàn)實(shí)則恰好相反；根本的；人的，不是計(jì)算機(jī)的思維；數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合；是思想；面向所有的人，具有普適性。

小學(xué)信息技術(shù)學(xué)科存在哪些“經(jīng)典的、元始的”計(jì)算思維對(duì)學(xué)生產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響呢？筆者參照“計(jì)算之樹”[14]與美國計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)發(fā)布的K-12計(jì)算科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（2017版），在學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的背景下，提出小學(xué)計(jì)算思維的教學(xué)框架。

1.基于核心素養(yǎng)的小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架

中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)與計(jì)算思維不謀而合，其中有多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)高度契合。核心素養(yǎng)就是要培養(yǎng)學(xué)生的“問題解決”能力，其映射計(jì)算思維中的算法思維能力，“技術(shù)應(yīng)用”能力映射計(jì)算思維的程序思維能力，信息意識(shí)的培養(yǎng)依賴于計(jì)算思維能力的提升。由此可見，計(jì)算思維的培養(yǎng)有其關(guān)鍵性和必要性。

如下圖所示，筆者根據(jù)“偉大的計(jì)算原理”建構(gòu)的計(jì)算思維表述體系框架[15]，結(jié)合小學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，給出了小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架，“計(jì)算思維”是一個(gè)中心詞，其他六個(gè)概念以“計(jì)算思維”為中心并服務(wù)于“計(jì)算思維”。這六種思維屬于第一層次，也符合小學(xué)生認(rèn)知的特點(diǎn)。

2.小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架中的基本概念

“0、1”思維、遞歸思維是計(jì)算思維基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，抽象思維和自動(dòng)化思維貫穿整個(gè)計(jì)算過程，具有橋梁和紐帶的作用；算法思維被譽(yù)為計(jì)算系統(tǒng)的靈魂；程序思維精準(zhǔn)地體現(xiàn)了組合、次序、構(gòu)造，有工程性，不可或缺。

（1）“0、1”思維。計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是以0和1為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)實(shí)世界的各種信息都可被轉(zhuǎn)換成0和1來表示、處理和變換，再將0和1轉(zhuǎn)換成各種信息。0和1可將各種運(yùn)算轉(zhuǎn)換成邏輯運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，邏輯運(yùn)算又可由晶體管等元器件實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而組成邏輯門硬件電路，這種由軟件到硬件的紐帶是0和1?！?和1”的思維體現(xiàn)了“語義符號(hào)化，符號(hào)0、1化，0、1計(jì)算化，計(jì)算自動(dòng)化”的思維，也是計(jì)算思維的起點(diǎn)?！?、1”思維的主要教學(xué)內(nèi)容有二進(jìn)制、加法器、原碼、反碼、補(bǔ)碼、二維碼。

（2）“遞歸”思維。遞歸是計(jì)算技術(shù)的典型特征，是可以用有限的步驟描述實(shí)現(xiàn)近于無限功能的方法。遞歸被廣泛地用于構(gòu)造語言、過程、算法和程序，用于具有自相似性的近于無限事物（對(duì)象）的描述，用于自身調(diào)用自身、高階調(diào)用低階的算法與程序的構(gòu)造中，是實(shí)現(xiàn)問題求解的一種重要的具有奠基性的計(jì)算思維。遞歸思維的主要教學(xué)內(nèi)容是漢諾塔。

（3）“算法”思維。算法被譽(yù)為計(jì)算系統(tǒng)的靈魂，是一個(gè)有窮規(guī)則的集合，它用規(guī)則規(guī)定了解決某一特定類型問題的運(yùn)算序列，或者規(guī)定了任務(wù)執(zhí)行或問題求解的一系列步驟。問題求解的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)算法，講求可實(shí)現(xiàn)性、空間復(fù)雜度、時(shí)間復(fù)雜度。算法思維的主要教學(xué)內(nèi)容有：一是在非編程課上將常規(guī)的操作步驟向算法導(dǎo)向；二是開設(shè)編程課，如經(jīng)典的排序算法等。

（4）“程序”思維。一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？它是由基本動(dòng)作及其各種組合構(gòu)成?；緞?dòng)作即指令；指令的各種組合及其次序就是程序。系統(tǒng)可以按照“程序”控制“基本動(dòng)作”的執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)。程序思維的主要教學(xué)內(nèi)容：一是在非編程課上將算法思維步驟化，測試并得到滿意的結(jié)果；二是開設(shè)編程課，直觀地測試算法的結(jié)果。編程課程與教學(xué)，也是本文提倡的，非編程課程與教學(xué)是在師資、設(shè)備不具備的條件下的一種折中策略。程序與算法是一對(duì)相互依存的概念。程序思維的主要教學(xué)內(nèi)容有順序、選擇、循環(huán)、過程、事件等。

（5）“抽象”思維。抽象是計(jì)算的“精神”工具，計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象化。本文提到的“語義符號(hào)化，符號(hào)0、1化”就是不同層次的抽象。抽象思維的主要教學(xué)內(nèi)容有社會(huì)自然問題的計(jì)算化表達(dá)、命名、約簡、分解等，如經(jīng)典的七橋問題。

（6）“自動(dòng)化”思維。自動(dòng)化是計(jì)算在物理系統(tǒng)自身運(yùn)作過程中的表現(xiàn)形式。什么能被有效地自動(dòng)化運(yùn)行是計(jì)算學(xué)科的根本問題。自動(dòng)化與抽象是一對(duì)概念，也是計(jì)算思維的本質(zhì)。自動(dòng)化思維的主要教學(xué)內(nèi)容有計(jì)算結(jié)果的自然化表達(dá)、搜索等。

綜上所述，計(jì)算思維的小學(xué)教學(xué)框架以培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維為核心，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止一種，如還可以利用Scratch等具體的工具進(jìn)行編程教育，這就如同“道”與“術(shù)”的關(guān)系。具體的編程工具側(cè)重于具體的技術(shù)培養(yǎng)，是“術(shù)”；小學(xué)計(jì)算思維教學(xué)框架力求精髓、經(jīng)典、元始，為人的一生奠定核心素養(yǎng)。

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基金項(xiàng)目：本文為重慶市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度規(guī)劃課題“區(qū)域培養(yǎng)小學(xué)生計(jì)算思維的實(shí)踐研究”（2016-09-009）的研究成果。endprint