■上海市青浦區(qū)第二中學(xué) 周世杰

近年來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，我們進(jìn)入一個全新的信息化時代。人工智能、大數(shù)據(jù)分析、自動化處理等技術(shù)的興起，不僅改變著人們的生活和學(xué)習(xí)的方式，對人們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和思維方式也提出了新的要求。

在高中階段的學(xué)生，正處于青年人向成年人過渡的重要時間點，提升學(xué)生的思維能力，發(fā)展學(xué)生信息素養(yǎng)，幫助學(xué)生理解信息環(huán)境各要素之間的關(guān)系是當(dāng)代信息技術(shù)學(xué)科所要承擔(dān)的一項重要責(zé)任。

2018年1月，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）正式頒布，新課標(biāo)和2003版相比，最重要的改變在于將信息素養(yǎng)界定為學(xué)科四大核心素養(yǎng)：信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任。“計算思維”成為一個熱詞，而對于在課堂教學(xué)中如何發(fā)展學(xué)生的計算思維，我進(jìn)行了相應(yīng)的思考和嘗試。

一、計算思維的概念和內(nèi)涵

計算思維(Computational Thinking)這一概念，最早是2006年，由美國卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授提出。

2011年，她又對這一概念進(jìn)行了新的定義：“計算思維是制定問題及其解決方案所涉及的思想過程，以便解決方案以可由信息處理代理人員有效執(zhí)行的形式表示”，分析周教授給出的定義，我們可以發(fā)現(xiàn)有兩個方面特別重要：

1.計算思維是一種思想過程，是獨立于技術(shù)存在的；2.計算思維是一種基于計算機(jī)科學(xué)思想解決問題的方法。

2016年，時任全國信息技術(shù)課標(biāo)組組長的任友群教授等從另外的角度闡釋了計算思維，他們認(rèn)為：“依據(jù)計算機(jī)解決問題的方法，將問題形式化。抽象問題特征，建立結(jié)構(gòu)模型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和組織；形成利用數(shù)字化工具自動解決問題的方案，通過迭代的方式對其優(yōu)化和完善。對解決問題的方案系統(tǒng)化，遷移至類似問題解決中?！?/p>

圖1 計算思維四個維度

根據(jù)以上不同專家對計算思維的定義和特點分析，作為一線教師，我覺得可以這樣解釋計算思維的內(nèi)涵（如圖1），具體闡述如下：

（一）抽象

抽象包括數(shù)據(jù)抽象和過程抽象。其中數(shù)據(jù)抽象比較容易理解，我們進(jìn)行的數(shù)學(xué)運算，用阿拉伯?dāng)?shù)字等代替具體的事物都是數(shù)據(jù)抽象。當(dāng)然最典型的還是我們信息技術(shù)學(xué)科中信息的編碼：用二進(jìn)制數(shù)表示具體的信息；過程抽象其實就是將我們?nèi)粘Ｌ幚韱栴}的步驟精細(xì)化，并能夠用精確的計算機(jī)程序語言進(jìn)行描述，也可以稱為“算法”描述。

（二）模型化

模型化是指在前面抽象化、形式化處理的基礎(chǔ)上，運用計算機(jī)科學(xué)原理知識，選擇已知的問題解決模型或者建立新的模型，根據(jù)所選模型對數(shù)據(jù)、信息等進(jìn)行組織和分析，從而力求發(fā)現(xiàn)解決問題的方式方法和途徑。

（三）自動化

自動化是指在把握信息系統(tǒng)運行規(guī)律的基礎(chǔ)上，運用數(shù)字化工具，對抽象出來的問題解決模型，使問題的解決按照人的要求，經(jīng)過自動檢測、數(shù)據(jù)處理、分析判斷、操縱控制等過程，實現(xiàn)問題解決的目的。在這個過程中，還需要培養(yǎng)學(xué)生不斷完善和優(yōu)化過程的思想。

（四）系統(tǒng)化

系統(tǒng)化是指遵循信息處理系統(tǒng)的規(guī)律或方法，對零散的信息數(shù)據(jù)、算法流程等進(jìn)行歸類、整理或加工，進(jìn)而形成問題解決的系統(tǒng)過程，并能夠?qū)⑦@種思想、方法遷移到相關(guān)問題的解決中。

問題抽象為計算機(jī)處理信息提供了前提，模型化在于找到一種解決問題的過程和方法，自動化是運用計算機(jī)學(xué)科思想方法實現(xiàn)問題解決，系統(tǒng)化是對這一解決問題的過程進(jìn)行總結(jié)并實現(xiàn)遷移。

二、基于計算思維培養(yǎng)的教學(xué)策略

核心素養(yǎng)是21世紀(jì)人人都需要具備的關(guān)鍵少數(shù)高級行為能力，是知識、技能、態(tài)度幾個方面的統(tǒng)整和融合。計算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，也是體現(xiàn)學(xué)科本質(zhì)屬性的思維方式，要形成計算思維，課堂教學(xué)是主陣地，為了體現(xiàn)上述四方面的目標(biāo)，課堂教學(xué)應(yīng)該遵循以下方法和步驟。

（一）把握學(xué)科核心知識，明確問題

信息技術(shù)的學(xué)科知識是計算思維形成的重要載體，在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)厘清學(xué)科知識結(jié)構(gòu)，在頭腦中建立整套教材內(nèi)容的印象，然后結(jié)合自己的理解，將學(xué)科核心知識與現(xiàn)實生活實際相聯(lián)系，并以實際問題的形式作為課堂教學(xué)研究內(nèi)容。對學(xué)科知識的操作、討論等素材來自真實情境，知識技能服務(wù)于問題，才能讓學(xué)生在興趣中學(xué)習(xí)。然后引導(dǎo)學(xué)生分析問題，抽象問題本質(zhì)，并形式化后辨別能否用信息處理系統(tǒng)來解決。

（二）問題設(shè)計有序推進(jìn)，設(shè)計方案

在教學(xué)結(jié)構(gòu)中，教師根據(jù)學(xué)科內(nèi)容設(shè)計問題，但有些問題往往偏大，引導(dǎo)學(xué)生時需要鋪設(shè)思維臺階，減少思維的難度，尋求思維的最近發(fā)展區(qū)。學(xué)生根據(jù)教師的指導(dǎo)，通過細(xì)化問題，分析問題解決的步驟，并形成過程序列，以此形成設(shè)計方案并構(gòu)建自己的抽象模型。

（三）運用學(xué)科知識技能，實踐解決

學(xué)科知識是計算思維形成的載體，但是只有學(xué)科知識是不足以形成計算思維的。知識只有在學(xué)生解決問題的實踐活動中才會發(fā)生價值。計算思維的形成是學(xué)科基本知識和學(xué)科實踐活動相互作用的結(jié)果。在實際的課堂教學(xué)中，關(guān)聯(lián)學(xué)科知識和計算思維培養(yǎng)，應(yīng)該依托于學(xué)生的實踐活動，在問題解決中逐步形成，如通過編程實踐來解決實際問題。

（四）對話討論適度開放，修訂完善

學(xué)習(xí)本質(zhì)上是一種思考后的對話，在對話中跟自身原有經(jīng)驗、同伴經(jīng)驗碰撞，在碰撞中產(chǎn)生新的思維火花。當(dāng)前在信息技術(shù)課堂教學(xué)中，很多教師都能注意討論環(huán)節(jié)的設(shè)計，但對話討論的問題設(shè)計要有一定的開放度，如算法設(shè)計中“算法沒有最好，只有更好”，適度開放的問題討論，有利于學(xué)生對問題解決方案進(jìn)行優(yōu)化、完善，進(jìn)而形成系統(tǒng)化的思想。

計算思維、學(xué)科知識以及課堂教學(xué)實踐活動，三者有著互相依存、互相制約的關(guān)系，計算思維的發(fā)展依托于學(xué)科基本知識和課堂教學(xué)實踐活動，而學(xué)科知識需要觀照和映射計算思維并在教學(xué)活動中不斷進(jìn)行建構(gòu)。同理，課堂教學(xué)實踐活動也扎根于學(xué)科知識和學(xué)科思想方法。三者之間相互促進(jìn)也相互牽制。

表1 《尋找“水仙花數(shù)”》簡要環(huán)節(jié)

三、發(fā)展學(xué)生計算思維的教學(xué)實踐案例及闡釋

在對計算思維概念分析和內(nèi)涵理解的基礎(chǔ)上，為了驗證以上教學(xué)策略。我曾以尋找“水仙花數(shù)”作為問題媒介，實踐了一個教學(xué)案例，如“表1”所示。

案例闡釋如下：

（一）任務(wù)有序推進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生思考

如上“表1”所示，圍繞問題，設(shè)計了三個層層遞進(jìn)的學(xué)習(xí)任務(wù)。主要考慮通過個別數(shù)的判別（人力易于完成）、幾十個數(shù)的判別（人力完成耗時較長）、900個數(shù)的判別（人力完成耗時太長）等三組任務(wù)有序推進(jìn)，逐步引導(dǎo)學(xué)生在充分分析“人思維”的基礎(chǔ)上，理解計算機(jī)算法和程序的相應(yīng)原理，以體現(xiàn)計算思維的抽象（運用變量代替具體數(shù)值）和自動化（算法程序自動完成）的特征。

（二）詳盡算法描述，嘗試問題解決

在“問題初探”環(huán)節(jié)，兩分鐘時間內(nèi)，大多數(shù)學(xué)生都能做出正確的判斷。但在接下來的環(huán)節(jié)中，我讓學(xué)生描述自己解決問題的過程，學(xué)生卻不能對步驟進(jìn)行精確化的歸納。因此，我在此任務(wù)之后，設(shè)計了新的跟進(jìn)問題：“以數(shù)字‘153’為例，描述一下你是如何判斷出它是水仙花數(shù)的？”并通過教師和學(xué)生之間的課堂對話、反復(fù)追問，最后總結(jié)出這樣的四個步驟：

1.明確該數(shù)的三個數(shù)位上的數(shù)字：1、5、3；

2.再分別計算出1、5、3的三次方是1、125、27；

3.對得出的三次方求和1+125+27=153；

4.根據(jù)判斷“和（153）”與原數(shù)是否相等，判定其是否為水仙花數(shù)。這些步驟的明確，幫助學(xué)生能夠體驗到算法設(shè)計的過程，并引導(dǎo)學(xué)生從自然語言描述向標(biāo)準(zhǔn)的程序語言靠近，引導(dǎo)學(xué)生將實際問題轉(zhuǎn)化為抽象的計算機(jī)程序語言符號解決問題，形成問題解決的抽象模型。

（三）思考討論深化，啟迪優(yōu)化算法

計算思維不是計算機(jī)的思維，它本質(zhì)上仍然是人的思維，是人在具有了計算機(jī)科學(xué)相關(guān)知識后，在理性意識支配下的一種思考活動。因此，具有一定量的計算機(jī)科學(xué)知識，可以讓人們用不同的方式解決實際問題，從程序算法的角度來講，這也可以稱為算法的優(yōu)化。

在實際教學(xué)中，經(jīng)過前面的“三重任務(wù)”，之后我又設(shè)計一個“思考討論”環(huán)節(jié)，討論內(nèi)容是：“如果不用枚舉算法，仔細(xì)觀察右邊的這組數(shù)字，你能不能分析出哪些數(shù)不用計算就可以知道不是‘水仙花數(shù)’”。在這個討論中，其實和前面的“三重任務(wù)”都有一定關(guān)聯(lián)。

在判斷258、371和519三個數(shù)時，已經(jīng)將7、8、9三個數(shù)的三次方進(jìn)行過計算，而在此，正好是教師提示的內(nèi)容；這里出現(xiàn)的這32個數(shù)字其實還是“二次探究”時的那些數(shù)字，這些數(shù)字有些特別?！吧钊胩骄俊敝袘?yīng)用枚舉算法其實是一種借助計算機(jī)強大的計算能力，犧牲效率而換取結(jié)果的計算方式。通過討論，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考的動力，包括在解決問題時計算機(jī)的速度優(yōu)勢，同時也要意識到算法的優(yōu)化無止境，形成系統(tǒng)化的解決問題的思想。

四、計算思維培養(yǎng)的進(jìn)一步思考

（一）統(tǒng)整學(xué)科內(nèi)容，將計算思維的培養(yǎng)納入有意識設(shè)計

計算思維的培養(yǎng)是一個系統(tǒng)工程，在高中信息技術(shù)教學(xué)中，應(yīng)該緊緊圍繞課程標(biāo)準(zhǔn)，按照原有知識結(jié)構(gòu)框架，選取核心內(nèi)容或概念，對知識要點一一貫通，將發(fā)展學(xué)生計算思維貫穿于信息技術(shù)課堂教學(xué)的始終，只有這樣，才能起到一定的效果。這樣將知識點打通的教學(xué)整體考慮，可能更有利于發(fā)展學(xué)生的計算思維。

在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，關(guān)于信息技術(shù)學(xué)科課程結(jié)構(gòu)，必修主要包括“數(shù)據(jù)與計算”、“信息系統(tǒng)與社會”兩個部分，其中“數(shù)據(jù)與計算”模塊內(nèi)容中包括數(shù)據(jù)編碼、信息處理和算法與程序?qū)崿F(xiàn)，“信息系統(tǒng)與社會”模塊內(nèi)容主要包括信息社會特征、信息系統(tǒng)、信息安全與社會責(zé)任等。在實際的教學(xué)實踐中，必修模塊中的數(shù)據(jù)編碼、信息系統(tǒng)和算法初步是當(dāng)前信息技術(shù)課堂教學(xué)的重點，所分配課時數(shù)最多，對于這三部分內(nèi)容，其與前面討論計算思維四個方面內(nèi)容的關(guān)系，可以大致用“圖2”表示。

圖2 課程內(nèi)容與計算思維內(nèi)涵對照

（二）運用“二次學(xué)習(xí)”微視頻，拓展學(xué)習(xí)時空，彌補課堂教學(xué)不足

“二次學(xué)習(xí)”微視頻是青浦區(qū)新課堂實驗提出的一個概念。是指“在課堂教學(xué)結(jié)束后，經(jīng)過教師二次整理的針對一個課時或章節(jié)的學(xué)科重點、難點知識、錯誤知識，采用錄屏的方式制作，時長在10分鐘左右的，通過微信公眾號及時推送發(fā)布，可以方便學(xué)生用智能手機(jī)等設(shè)備再次學(xué)習(xí)的微視頻?！边@里的“二次”有兩層含義，一是指教師在課后對原有教學(xué)設(shè)計，結(jié)合課堂生成資源與自己的課后反思進(jìn)行再開發(fā)；二是指學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)后，進(jìn)行再次學(xué)習(xí)，進(jìn)入深度學(xué)習(xí)。

在前期的研究中，我們主要針對當(dāng)前課程內(nèi)容，將“二次學(xué)習(xí)”微視頻分為三類，分別是：一節(jié)課時后的、典型例題分析以及按章節(jié)知識進(jìn)行的二次學(xué)習(xí)微視頻。近階段經(jīng)過對計算思維的認(rèn)識和理解，我認(rèn)為對于“圖2”中的“學(xué)科理論”，由于課時的限制，往往在課堂教學(xué)中很難讓學(xué)生了解，因此考慮可以采用“二次學(xué)習(xí)”微視頻的相關(guān)制作與發(fā)布技術(shù)，將一些核心內(nèi)容（如香農(nóng)的信息熵思想、圖靈機(jī)理論等）通過制作成學(xué)生易于理解的微視頻的形式，推送給學(xué)生，以強化他們對學(xué)科知識的理解。同時，對原來的“二次學(xué)習(xí)”微視頻進(jìn)行加工、改造，將“計算思維”的培養(yǎng)融入其中。借助網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)時空，彌補課堂教學(xué)的不足。

（三）以點帶面，對典型體現(xiàn)計算思維的內(nèi)容精心設(shè)計教學(xué)案例

在信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)容中，我們可以選取部分教學(xué)內(nèi)容，如算法和程序設(shè)計中的迭代和遞歸、信息基礎(chǔ)章節(jié)中的“數(shù)據(jù)編碼”、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)章節(jié)中的“IP地址”以及信息系統(tǒng)章節(jié)中“存儲程序”等內(nèi)容，對照計算思維主題思想，可以通過精心設(shè)計、研討交流，融入計算思維能力的培養(yǎng)。

五、結(jié)語

基于發(fā)展學(xué)生計算思維的教學(xué)實踐，需要在不斷學(xué)習(xí)、實踐中慢慢體會和提升，相信這條路永無止境。