顧曉

摘要：隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用延伸到了生活、生產(chǎn)、學(xué)習(xí)的各個(gè)角落，這使得計(jì)算思維成為思考問題、解決問題的重要思維方式。而如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，則是每一個(gè)信息技術(shù)教育工作者需要關(guān)注的內(nèi)容。本文通過分析計(jì)算思維的概念和內(nèi)涵以及計(jì)算思維與高中信息技術(shù)課程的關(guān)系，闡述了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要意義。同時(shí)，筆者結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐，在教學(xué)中挖掘信息技術(shù)課程中蘊(yùn)含的計(jì)算思維，從簡單明了的生活問題入手，設(shè)計(jì)出了能夠鍛煉學(xué)生計(jì)算思維的課堂活動。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；信息技術(shù)；高中

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：11674-2117（2017）22-0040-03

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的高速發(fā)展，計(jì)算思維逐漸成為思考問題、解決問題的重要思維方式。目前，計(jì)算思維的培養(yǎng)已被很多發(fā)達(dá)國家列為信息技術(shù)課程的核心目標(biāo)。我國正在修訂的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》也把計(jì)算思維納入信息技術(shù)的核心素養(yǎng)之一。2017年7月，《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》中明確指出，“實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣”。由此可見，讓學(xué)生接觸和認(rèn)識計(jì)算科學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)對現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過計(jì)算模擬對問題建模，通過對計(jì)算數(shù)據(jù)的探索分析從而發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，是每一個(gè)中小學(xué)信息技術(shù)教育工作者需要面對和挑戰(zhàn)的新話題，而計(jì)算科學(xué)的核心思維方式則是計(jì)算思維。

● 培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要意義

1.計(jì)算思維的概念與內(nèi)涵

在自然科學(xué)領(lǐng)域，有三大科學(xué)思維對應(yīng)三大科學(xué)方法：一是以推理和演繹為特征的邏輯思維，其對應(yīng)的是理論方法；二是以實(shí)驗(yàn)和歸納自然規(guī)律為特征的實(shí)驗(yàn)思維，其對應(yīng)的是實(shí)驗(yàn)方法；三是以抽象和自動化為特征的計(jì)算思維，其對應(yīng)的是計(jì)算方法。

計(jì)算思維，即在運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法形成解決問題方案的過程中，所產(chǎn)生的一系列思維活動，其本質(zhì)是對問題模型的抽象和自動化。計(jì)算思維不是說要讓人像計(jì)算機(jī)一樣思考，而是指人類運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決問題的思維方式。計(jì)算思維教育的宗旨在于培養(yǎng)學(xué)生對問題模型抽象、自動化的思維方式，它是對傳統(tǒng)教學(xué)中注重演繹、類比和歸納的數(shù)學(xué)思維方式，注重驗(yàn)證新的實(shí)驗(yàn)思維之外的有力補(bǔ)充，其本質(zhì)是對思維的教育。計(jì)算思維解決問題的過程模型，如圖1所示。

由此可知，計(jì)算思維是人類發(fā)現(xiàn)問題、抽象問題、構(gòu)造模型，再利用計(jì)算機(jī)自動化解決同類問題的一系列過程與方法。在信息技術(shù)高度發(fā)展的今天，信息技術(shù)工具的使用早已滲透到人類的生活、生產(chǎn)、學(xué)習(xí)等過程中，培養(yǎng)計(jì)算思維并不是要讓每一個(gè)人成為計(jì)算科學(xué)家，而是培養(yǎng)他們使用信息技術(shù)工具解決問題的思維方法，提升其在信息社會的適應(yīng)能力。

2.計(jì)算思維與高中信息技術(shù)課程

全國中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心的李鋒博士提出，“計(jì)算思維是信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價(jià)值。計(jì)算思維作為信息技術(shù)課程中集‘邏輯能力、算法能力、遞歸能力、抽象能力為一體的解決問題的方式，無論從技術(shù)方法、社會需求層面還是從個(gè)體心理發(fā)展層面來看，都是以一種獨(dú)特的思維方式引導(dǎo)學(xué)生理解信息社會，提高學(xué)生信息技術(shù)運(yùn)用的批判能力、自我調(diào)節(jié)能力”。在信息技術(shù)課程中應(yīng)當(dāng)關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、創(chuàng)新思維和批判性思維，提升他們?nèi)蘸笤谛畔⑸鐣倪m應(yīng)能力、創(chuàng)新能力，這是信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價(jià)值。

因?yàn)橛?jì)算思維是學(xué)生信息素養(yǎng)的思想源泉，所以教師在教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)活動中應(yīng)該注重對學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。對學(xué)生思維的引導(dǎo)與教育，不是簡單、機(jī)械地傳授知識，而應(yīng)當(dāng)以學(xué)生為主體，引導(dǎo)他們積極思考，通過問題的抽象、形式化、構(gòu)造和自動化過程，使他們領(lǐng)略應(yīng)用計(jì)算思維解決問題的魅力。

● 在教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維

1.挖掘信息技術(shù)課程中蘊(yùn)含的計(jì)算思維

美國計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會認(rèn)為，計(jì)算思維教育應(yīng)當(dāng)存在于每個(gè)課程教學(xué)中。對于我國的高中信息技術(shù)課程而言，筆者理解的則是每個(gè)模塊都要能夠體現(xiàn)計(jì)算思維的環(huán)節(jié)或過程，教師在教學(xué)過程中要充分挖掘其中所蘊(yùn)含的計(jì)算思維。

例如，在“信息與信息社會”模塊的《信息技術(shù)的歷史》一節(jié)中講述古人通過烽火傳遞信息，通過結(jié)繩記事記錄信息等，這些都是古人對現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行抽象，運(yùn)用烽火、繩結(jié)等約定形式傳遞、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，作為教師，應(yīng)讓學(xué)生明白，這表明人類在遠(yuǎn)古時(shí)代就了解到自然現(xiàn)象的可傳遞性、可存儲性和可計(jì)算性，隱約體現(xiàn)了古人具備樸素的計(jì)算思維能力。

2.組織信息學(xué)社團(tuán)活動培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力

如果說高中信息技術(shù)課程是鍛煉學(xué)生計(jì)算思維的試練場，那么開設(shè)“機(jī)器人”“3D打印”“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)”等社團(tuán)活動則更能夠鍛煉和提升學(xué)生的計(jì)算思維，讓學(xué)生在思維活動中計(jì)算能夠做些什么（計(jì)算理論）、如何做（算法）、能做多好（計(jì)算的效率）、能建造什么樣的計(jì)算工具（計(jì)算機(jī)工程），使其在抽象、形式化、構(gòu)造到自動化的過程中體會計(jì)算科學(xué)的核心價(jià)值。

3.從生活問題入手

計(jì)算思維源于生活，更廣泛地應(yīng)用于生活，在教學(xué)過程中，教師要發(fā)現(xiàn)和挖掘一些身邊的問題，引導(dǎo)學(xué)生分析問題、解決問題，培養(yǎng)他們應(yīng)用計(jì)算思維解決問題的能力。

例如，在《程序設(shè)計(jì)邏輯表達(dá)式》一節(jié)，筆者引入“閏年的判斷”的例子，眾所周知，一個(gè)回歸年是365.2422天，為了以整數(shù)計(jì)算每年的天數(shù)，所以將年份分為閏年和平年，平年為365天，閏年為366天，那么如何設(shè)置閏年才能保證每年的平均天數(shù)與回歸年一致呢？為什么要規(guī)定能被4整除的大多是閏年，但能被100整除而不能被400整除的年份不是閏年，能被3200整除的也不是閏年？那閏年的計(jì)算方式是什么呢？以10000年為例（注：以下算式中“/”表示整除），“10000/4=2500”（10000以內(nèi)的數(shù)字4的倍數(shù)有2500個(gè)）“10000/100=100”（10000以內(nèi)的數(shù)字100的倍數(shù)有100個(gè)），“10000/400=25”（10000以內(nèi)的數(shù)字400的倍數(shù)有25個(gè)），“10000/3200≈3”（10000以內(nèi)的數(shù)字3200的倍數(shù)有3個(gè)），而“2500-100+25-3=2422”，了解現(xiàn)象后，筆者引導(dǎo)學(xué)生對現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行抽象與建模，利用數(shù)學(xué)集合知識對年份y是否為閏年的問題進(jìn)行抽象（如圖2）。

圖中陰影部分即為閏年年份，轉(zhuǎn)換成自然語言就是“能被4整除但是不能被100整除，或者能被400整除但是不能被3200整除”。假設(shè)年份為y，得到判斷年份y是否為閏年的邏輯表達(dá)式為（y%4==0&&y%100！=0）||（y%400==0&&y%3200！=0）。學(xué)生通過編程實(shí)現(xiàn)了一個(gè)判斷任意年份是否為閏年的小程序，成功的喜悅溢于言表。

這樣通過計(jì)算與分析、抽象與構(gòu)造，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)，而且提高了他們利用計(jì)算思維解決實(shí)際問題的能力。

在信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)中，教師不僅要注重學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，還要善于發(fā)現(xiàn)和挖掘信息技術(shù)課程中蘊(yùn)含的計(jì)算思維，從簡單、明了的生活問題入手，設(shè)計(jì)出能夠鍛煉學(xué)生計(jì)算思維的課堂活動，避免僅傳授知識和技能的機(jī)械式學(xué)習(xí)。教師在課堂中要以學(xué)生為主體，引導(dǎo)他們積極思考，從計(jì)算科學(xué)的思維方式出發(fā)，認(rèn)識問題，分析問題，對生活、生產(chǎn)、學(xué)習(xí)中的問題，作出科學(xué)、專業(yè)的信息化判斷，從而能夠在信息社會中生存和發(fā)展。

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