楊俊

摘 要：計(jì)算思維可以讓學(xué)生以一個(gè)多元化的視角用信息技術(shù)的學(xué)科思維方式理解信息世界，解決目前信息技術(shù)課程發(fā)展所面臨的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足等突出問(wèn)題，進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)課程的改革與重構(gòu)。實(shí)際上，計(jì)算思維隱藏于現(xiàn)有的高中信息技術(shù)課程之中，只是沒(méi)有聚焦于它。本研究從基于“偉大的計(jì)算原理”的計(jì)算思維概念框架、計(jì)算思維操作性定義兩個(gè)視角來(lái)分析高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維。計(jì)算思維概念框架涉及計(jì)算、抽象、自動(dòng)化、設(shè)計(jì)、通信、協(xié)作、記憶、評(píng)估等八個(gè)維度，計(jì)算思維操作性定義涉及用計(jì)算思維解決問(wèn)題過(guò)程的詳細(xì)可操作的步驟。研究采用了大量翔實(shí)的案例，對(duì)高中信息技術(shù)課程的一個(gè)必修模塊、五個(gè)選修模塊所蘊(yùn)含的計(jì)算思維進(jìn)行了深入細(xì)致的分析。對(duì)于高中信息技術(shù)課程而言，能夠充分挖掘出各個(gè)模塊內(nèi)容中蘊(yùn)含的計(jì)算思維，是有效實(shí)施計(jì)算思維教育的關(guān)鍵和前提。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；計(jì)算思維；概念框架；可操作性定義；案例分析

一、計(jì)算思維與信息技術(shù)課程的關(guān)系

（一）計(jì)算思維體現(xiàn)了信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價(jià)值

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)信息技術(shù)課程價(jià)值的研究表述大都趨于泛化的“信息素養(yǎng)核心價(jià)值”論，關(guān)于“信息技術(shù)課程內(nèi)在價(jià)值”的研究較少。信息技術(shù)課程是一門以計(jì)算機(jī)為核心工具的課程，具有較強(qiáng)的抽象性、邏輯性和思維性，需要學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式來(lái)解決問(wèn)題?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，雖然強(qiáng)調(diào)了培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的思想方法，但卻并沒(méi)有明確地體現(xiàn)信息技術(shù)課程的內(nèi)在價(jià)值。全國(guó)中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心李鋒博士明確提出，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(wèn)題的方式，無(wú)論從技術(shù)方法層面、社會(huì)需求層面還是個(gè)體心理發(fā)展層面，都以一種獨(dú)特的思維方式引導(dǎo)學(xué)生理解信息社會(huì)，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。發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)解決問(wèn)題的能力，充分體現(xiàn)了信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價(jià)值。

（二）計(jì)算思維解決了信息技術(shù)課程的學(xué)科思維問(wèn)題

學(xué)科思維是區(qū)分學(xué)科邊界、表征學(xué)科獨(dú)立以及成熟的重要標(biāo)志，信息技術(shù)想要作為一門學(xué)科獨(dú)立存在，就一定要有自己的學(xué)科思維。對(duì)此，祝智庭教授也指出：面對(duì)不斷變化的信息化世界，計(jì)算機(jī)課程不是要把學(xué)生都培養(yǎng)成為程序設(shè)計(jì)專家，而是希望學(xué)生具備信息技術(shù)學(xué)科的思維方式，正確理解計(jì)算機(jī)和人與社會(huì)的關(guān)系。隨著數(shù)字化社會(huì)的不斷推進(jìn)，各類電子產(chǎn)品在日常生活中逐漸普及，小到手機(jī)，大到各種生產(chǎn)設(shè)備，計(jì)算思維已經(jīng)成為人們理解問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題必須的思維方式。對(duì)于信息技術(shù)課程而言，計(jì)算思維就像人們閱讀、寫(xiě)字、做算法一樣，是信息技術(shù)學(xué)科最基礎(chǔ)、最適用、不可缺少的基礎(chǔ)思維方式。

（三）計(jì)算思維是信息技術(shù)課程改革的助推劑

從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，在國(guó)外的信息技術(shù)課程改革過(guò)程中，英國(guó)以培養(yǎng)計(jì)算思維為主，美國(guó)傾向于多元化目標(biāo)。在國(guó)內(nèi)，張麗霞等研究了基于數(shù)字化生存能力的信息技術(shù)課程目標(biāo)的重構(gòu)，計(jì)算思維作為面向信息技術(shù)課程的學(xué)科思維，可以讓學(xué)生從一個(gè)多元化的視角，用信息技術(shù)學(xué)科思維方式理解信息世界，解決目前信息技術(shù)課程發(fā)展所面臨的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足等突出問(wèn)題，從而進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)課程的改革與重構(gòu)。

二、高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維分析

美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會(huì)認(rèn)為，計(jì)算思維教育應(yīng)當(dāng)存在于每個(gè)學(xué)校的每堂課程教學(xué)中。對(duì)于高中信息技術(shù)課程而言，能夠充分挖掘出各個(gè)模塊內(nèi)容中所蘊(yùn)含的計(jì)算思維，是有效實(shí)施計(jì)算思維教育的關(guān)鍵和前提。下面，分別從計(jì)算思維概念框架和計(jì)算思維操作性定義兩個(gè)視角分析高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維。

（一）基于“偉大的計(jì)算原理”的計(jì)算思維概念框架視角

1.計(jì)算

在基于“偉大的計(jì)算原理”的計(jì)算思維概念層次中，計(jì)算（Computation）處于核心層（第一層次）。計(jì)算是執(zhí)行算法的過(guò)程，從一個(gè)包含算法本身的初始狀態(tài)開(kāi)始，輸入數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)一系列中間級(jí)狀態(tài)，直到達(dá)到最終也即目標(biāo)狀態(tài)。[24]課程標(biāo)準(zhǔn)中所包含的必修模塊“信息技術(shù)基礎(chǔ)”課程主題二“信息的加工表達(dá)”和選修模塊“算法與程序設(shè)計(jì)”課程能很好地體現(xiàn)計(jì)算的思想和方法，下面通過(guò)案例加以說(shuō)明。

（1）漢諾塔（Hanoi）問(wèn)題

漢諾塔（又稱河內(nèi)塔）問(wèn)題是指有三根柱子，其中一根柱子上按大小順序放著64片圓盤。要求把圓盤按大小順序移動(dòng)到另一根柱子上。規(guī)則要求小圓盤上不能放大圓盤，一次只能移動(dòng)一個(gè)圓盤。

漢諾塔問(wèn)題，是通過(guò)遞歸與非遞歸方法來(lái)對(duì)圓盤進(jìn)行移動(dòng)的，蘊(yùn)含遞歸關(guān)系，所以采用遞歸算法往往比較自然、簡(jiǎn)單、易于理解。漢諾塔問(wèn)題計(jì)算量很大，當(dāng)圓盤數(shù)為n時(shí)，需要移動(dòng)2n-1次，所以，假設(shè)圓盤數(shù)很多，那么即使是用一臺(tái)功能超強(qiáng)的計(jì)算機(jī)來(lái)解決它，也需要很多年。鑒于264-1這個(gè)數(shù)字太大，先考慮3個(gè)圓盤的情況，假設(shè)三根柱子分別為A、B、C，則計(jì)算機(jī)模擬執(zhí)行時(shí)就會(huì)按A→C、A→B、C→B、A→C、B→A、B→C、A→C的順序依次顯示圓盤移動(dòng)的起始、中間和最終狀態(tài)。隨著圓盤數(shù)的逐漸增大，計(jì)算機(jī)計(jì)算及顯示圓盤移動(dòng)的狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間也會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，學(xué)生此時(shí)便能很好地體驗(yàn)漢諾塔問(wèn)題的計(jì)算復(fù)雜度。

（2）計(jì)算機(jī)抽獎(jiǎng)

很多綜藝類電視節(jié)目都設(shè)有抽獎(jiǎng)活動(dòng)：主持人先喊：開(kāi)始！ 大屏幕上便不斷滾動(dòng)顯示隨機(jī)的手機(jī)號(hào)碼；主持人喊：停！ 大屏幕上最后顯示的手機(jī)號(hào)碼就成為中獎(jiǎng)號(hào)碼。

類似上述的抽獎(jiǎng)活動(dòng)，實(shí)質(zhì)上屬于計(jì)算機(jī)抽獎(jiǎng)，抽獎(jiǎng)程序可支持手機(jī)號(hào)碼、身份證號(hào)碼、姓名、圖片等多種中獎(jiǎng)方式。計(jì)算機(jī)抽獎(jiǎng)程序一般涉及用隨機(jī)函數(shù)計(jì)算并選擇手機(jī)號(hào)碼的順序問(wèn)題，計(jì)算量的大小與候選手機(jī)號(hào)碼的總數(shù)有很大關(guān)系。盡管涉及的算法不算復(fù)雜，但是不斷滾動(dòng)顯示隨機(jī)的手機(jī)號(hào)碼也能讓學(xué)生感受計(jì)算的快慢和狀態(tài)的變化。

三、結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算思維體現(xiàn)了信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價(jià)值，一定程度上可以解決信息技術(shù)課程的學(xué) 科思維問(wèn) 題，是信息技術(shù)課程改革的助推劑。實(shí)際上，現(xiàn)有的高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含了豐富的計(jì)算思維，只是現(xiàn)有的課程標(biāo)準(zhǔn)未能聚焦到它身上。本研究從基于“偉大的計(jì)算原理”的計(jì)算思維概念框架、計(jì)算思維操作性定義兩個(gè)視角來(lái)分析高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維。雖然在計(jì)算思維的分析中案例涉及高中信息技術(shù)課程一個(gè)必修模塊、五個(gè)選修模塊的很多知識(shí)，但是難免掛一漏萬(wàn)。計(jì)算思維的充分挖掘是有效實(shí)施計(jì)算思維教育的關(guān)鍵和前提，希望更多的研究者能給予關(guān)注。