高中新課程新教材教學(xué)中的計(jì)算思維教育

高中新課程新教材教學(xué)中的計(jì)算思維教育山東省青州第一中學(xué)信息技術(shù)特級(jí)教師、校長(zhǎng)助理。山東省教科院兼職教研員，山東省教學(xué)能手、山東省電化教育先進(jìn)個(gè)人、國(guó)培信息技術(shù)專家、山東省教育廳新課程培訓(xùn)專家，獲得濰坊市政府教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。曾經(jīng)編寫國(guó)家教材（教科版）必修二《信息技術(shù)與社會(huì)》（副主編），出版專著《趣味動(dòng)畫一點(diǎn)通》，主編山東省初中《信息技術(shù)》教材（泰山版），《中國(guó)信息技術(shù)教育》雜志“藍(lán)調(diào)解碼”欄目主持人，發(fā)表上百篇重要的國(guó)家級(jí)論文，指導(dǎo)信息學(xué)奧賽獲得省一等獎(jiǎng)、國(guó)家三等獎(jiǎng)十幾人次。計(jì)算思維是一種學(xué)科思維，我們不否認(rèn)計(jì)算思維教育會(huì)有利于學(xué)生思維整體水平的發(fā)展，同時(shí)也需要清楚計(jì)算思維作為計(jì)算機(jī)學(xué)科思維與其他學(xué)科思維有著不同之處，計(jì)算思維的獨(dú)特性才是計(jì)算思維教育的價(jià)值所在?！裼?jì)算思維概念的發(fā)展王愛勝：王教授您好，您一直在研究中小學(xué)信息技術(shù)課程、教材與教學(xué)，在計(jì)算思維在教學(xué)中如何落地方面有很多顯著的研究成果。所以，我將一線信息技術(shù)教師在教學(xué)中遇到的部分困惑提出來(lái)，請(qǐng)您分析指點(diǎn)。所以，想請(qǐng)教王教授，應(yīng)如何認(rèn)識(shí)計(jì)算思維的概念發(fā)展？如何看待編程設(shè)計(jì)與應(yīng)用軟件不同的計(jì)算思維？王榮良：王老師好！很榮幸能與您共同探討共同關(guān)心的計(jì)算思維教育問(wèn)題。但凡一個(gè)概念從專業(yè)領(lǐng)域走向大眾視野，必然會(huì)遇到很多問(wèn)題。例如互聯(lián)網(wǎng)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)中，還需要細(xì)分互聯(lián)網(wǎng)與因特網(wǎng)的異同以及各種技術(shù)特性，這就與目前大眾所接受的互聯(lián)網(wǎng)概念并不相同，而互聯(lián)網(wǎng)+概念的提出，則是反映了一種社會(huì)生產(chǎn)、社會(huì)生活方式，其原有的技術(shù)屬性明顯弱化。計(jì)算思維也一樣，計(jì)算思維概念在經(jīng)歷通俗化的過(guò)程中，會(huì)促使更多的人去學(xué)習(xí)、研究并接受這一概念，同時(shí)，計(jì)算思維概念本身也在不斷地演化與發(fā)展。其合理的發(fā)展方向，也是我們所關(guān)心的問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)專業(yè)教育領(lǐng)域，計(jì)算思維早就被提出了。例如，《中國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002》，也稱為CCC2002教程，從學(xué)科教育思想、觀念、教學(xué)計(jì)劃以及學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)等方面為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科教育提供了指導(dǎo)意見。CCC2002教程闡述了計(jì)算思維的梯級(jí)訓(xùn)練系統(tǒng)，并把計(jì)算思維能力作為專業(yè)本科學(xué)生必須掌握的學(xué)科能力。周以真教授把計(jì)算思維界定為如同讀、寫、算一樣重要的、每個(gè)人都要掌握的能力，引起了社會(huì)的廣泛重視以及很多學(xué)者的參與討論。計(jì)算思維的普及化發(fā)展，以及計(jì)算思維分解為更一般的思維方式等都是概念演化的不同方向。但是我們需要思考的是，計(jì)算思維概念發(fā)展的邊界在哪里？因?yàn)槿绻活A(yù)設(shè)邊界，計(jì)算思維很有可能會(huì)普及成為適合解決所有問(wèn)題的一般思維方式。我的觀點(diǎn)是，計(jì)算思維是一種學(xué)科思維，我們不否認(rèn)計(jì)算思維教育會(huì)有利于學(xué)生思維整體水平的發(fā)展，同時(shí)也需要清楚計(jì)算思維作為計(jì)算機(jī)學(xué)科思維與其他學(xué)科思維有著不同之處，計(jì)算思維的獨(dú)特性才是計(jì)算思維教育的價(jià)值所在。王愛勝：請(qǐng)教王教授，計(jì)算思維有什么優(yōu)勢(shì)可以讓它成為信息技術(shù)學(xué)科思維呢？王榮良：如果認(rèn)可計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)學(xué)科思維，那么，開展計(jì)算思維教育的最好載體就是計(jì)算機(jī)學(xué)科教育。這是我的第二個(gè)觀點(diǎn)。盡管在生活問(wèn)題或其他場(chǎng)景中解決問(wèn)題的過(guò)程也能領(lǐng)悟到計(jì)算思維，然而計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)、學(xué)科方法的學(xué)習(xí)經(jīng)歷是培養(yǎng)計(jì)算思維最直接也是最專業(yè)的途徑。當(dāng)然，以這樣的途徑在中小學(xué)開展計(jì)算思維教育，面臨的挑戰(zhàn)是學(xué)生的認(rèn)知水平和知識(shí)儲(chǔ)備與計(jì)算思維教育的關(guān)系，也就是說(shuō)，中小學(xué)生能夠掌握的計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)是否能夠支撐計(jì)算思維發(fā)展的需要。作為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明，計(jì)算機(jī)有兩個(gè)特點(diǎn)：通用性和友好性。通用性表現(xiàn)在計(jì)算機(jī)高度抽象了數(shù)據(jù)計(jì)算的過(guò)程，我們?cè)谄浠炯軜?gòu)上運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科思想與方法編制軟件或設(shè)計(jì)硬件，就可以為特定的應(yīng)用服務(wù)。通用性也造就了計(jì)算機(jī)具有應(yīng)用的廣泛性。友好性則反映了計(jì)算機(jī)的發(fā)展是以盡可能降低人的能量開銷為目標(biāo)的，其特定應(yīng)用的傻瓜化發(fā)展，就是在一定程度上或范圍內(nèi)幫助人們降低思維強(qiáng)度，從而輕松地享用計(jì)算機(jī)。正因?yàn)槿绱?，?jì)算機(jī)會(huì)被廣泛地應(yīng)于各個(gè)領(lǐng)域。因此，我的第三個(gè)觀點(diǎn)是，不能以計(jì)算機(jī)在當(dāng)代社會(huì)應(yīng)用的普及性來(lái)簡(jiǎn)單推斷計(jì)算思維教育的重要性。由于實(shí)施計(jì)算機(jī)學(xué)科教學(xué)需要有一定的門檻高度，所以在中小學(xué)開展計(jì)算思維教育，面臨著學(xué)習(xí)者計(jì)算機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)匱乏的困境。相對(duì)而言，編程學(xué)習(xí)需要的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)比較少，起點(diǎn)低，中小學(xué)生容易接受，是一個(gè)適合在中小學(xué)開展計(jì)算思維教育的載體。同時(shí)，在中小學(xué)開展編程學(xué)習(xí)有基礎(chǔ)，且目前也有比較多的人機(jī)交互友好的編程平臺(tái)可供選擇，這也是有利因素。更重要的是，程序設(shè)計(jì)是一個(gè)作品創(chuàng)作的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程能夠體現(xiàn)計(jì)算機(jī)學(xué)科思想與方法的運(yùn)用。至于利用應(yīng)用軟件解決問(wèn)題，則需要考察其表述的應(yīng)用與計(jì)算機(jī)學(xué)科思想與方法的關(guān)系。一般而言，所謂應(yīng)用軟件，就是計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)人員已經(jīng)將具體應(yīng)用的操作要求以程序?yàn)檩d體進(jìn)行了固化，從而降低使用者的思維負(fù)荷。例如，使用文字處理軟件，使用者思考的重點(diǎn)肯定是文章寫作本身，而對(duì)于文字編輯、查找、修改等功能僅僅是熟練應(yīng)用而已。如果學(xué)生裝配或使用應(yīng)用軟件解決問(wèn)題時(shí)，需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科思想與方法，或者在學(xué)習(xí)該應(yīng)用軟件時(shí)需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科思想與方法，那么經(jīng)歷此過(guò)程，有利于促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維的形成。軟件操作技能的掌握，可能成為計(jì)算思維教育的基礎(chǔ)，如果解決問(wèn)題的重點(diǎn)不是計(jì)算機(jī)學(xué)科思想方法的運(yùn)用，那么與計(jì)算思維的關(guān)系不大。我們有理由相信，一個(gè)人能夠非常熟練地玩電子游戲，并不能說(shuō)明其計(jì)算思維也同步發(fā)展?！裼?jì)算思維與算法思維的關(guān)系王愛勝：通過(guò)王教授的分析，我們結(jié)合新教材及各地教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，覺(jué)得在義教階段可能更有利于進(jìn)行應(yīng)用軟件方面的計(jì)算思維培育，而高中學(xué)生更多的是急需在編程教學(xué)上的計(jì)算思維培養(yǎng)。在編程教學(xué)中，一直困擾一線教師的是算法思維與計(jì)算思維應(yīng)是一種怎樣的關(guān)系呢？比如，設(shè)計(jì)一種查找程序，查找的策略有很多，如順序查找、折半查找等。生活中，我們找東西更多的方法當(dāng)然是順序查找，無(wú)非就是費(fèi)點(diǎn)力氣一個(gè)一個(gè)地查看。而用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題，就可以通過(guò)遞歸算法進(jìn)行分治策略處理，從而更高效地進(jìn)行折半查找。這種算法的優(yōu)化策略，也是因?yàn)榫哂休^好的計(jì)算思維了嗎？因此，請(qǐng)教王教授，算法思維與技術(shù)思維的關(guān)系是怎樣的？對(duì)傳統(tǒng)提法中的算法思維而言，遞歸也好，分治也罷，這個(gè)優(yōu)秀的算法內(nèi)容本身，在計(jì)算思維中是如何表征的呢？屬于計(jì)算思維的哪種表現(xiàn)呢？王榮良：算法是問(wèn)題求解的一種手段。在使用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的過(guò)程中，問(wèn)題求解的關(guān)鍵點(diǎn)之一是設(shè)計(jì)算法，即設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的算法，設(shè)計(jì)可以在有限時(shí)間和空間內(nèi)執(zhí)行的算法，設(shè)計(jì)盡可能快速的算法。我曾經(jīng)從三個(gè)方面描述算法思維：算法思維就是能清楚地說(shuō)明問(wèn)題解決的方法，能夠?qū)⒁粋€(gè)復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成若干子問(wèn)題并將其進(jìn)一步簡(jiǎn)化，以達(dá)到解決問(wèn)題的目的;算法思維就是能清楚地理解問(wèn)題解決的規(guī)則，能夠認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的起點(diǎn)、邊界和限定范圍，按部就班地完成任務(wù)或解決問(wèn)題;算法思維就是能清楚地分析問(wèn)題解決方法的優(yōu)劣，能夠設(shè)計(jì)與構(gòu)造操作步驟更少、更經(jīng)濟(jì)的算法。所謂計(jì)算，就是“數(shù)據(jù)”在“運(yùn)算符”的操作下，按“規(guī)則”進(jìn)行數(shù)據(jù)變換。當(dāng)我們要求計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算時(shí)，就是需要設(shè)計(jì)一些規(guī)則，能讓計(jì)算機(jī)按這些規(guī)則自動(dòng)完成工作，這一過(guò)程就是設(shè)計(jì)算法。算法的本質(zhì)是規(guī)則及構(gòu)造，構(gòu)造算法的前提是數(shù)學(xué)建模，目的是通過(guò)構(gòu)造有序規(guī)則自動(dòng)地解決預(yù)設(shè)的問(wèn)題。美國(guó)國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)描述了計(jì)算思維問(wèn)題解決過(guò)程六個(gè)階段要素：①提出問(wèn)題，這些問(wèn)題能通過(guò)計(jì)算機(jī)或其他工具解決;②按邏輯組織和分析問(wèn)題;③通過(guò)抽象表征數(shù)據(jù)，如建模和仿真;④使用算法思維自動(dòng)化解決方案;⑤識(shí)別、分析和實(shí)施可能的解決方案，以實(shí)現(xiàn)最有效資源和步驟的組合;⑥總結(jié)問(wèn)題解決過(guò)程，并遷移到不同問(wèn)題解決中。這被稱為計(jì)算思維的一種操作性定義，算法在其中的地位十分重要。因此，算法學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者所習(xí)得的是一種解決問(wèn)題的策略，如王老師您所說(shuō)的，運(yùn)用分治策略處理，采用折半查找方法可以快速地查找數(shù)據(jù);算法學(xué)習(xí)，也為學(xué)習(xí)者建立一種觀念，即通過(guò)有限步操作規(guī)則，特別是通過(guò)重復(fù)執(zhí)行的操作步驟，可以清晰地認(rèn)識(shí)到，一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題是可以逐步地通過(guò)執(zhí)行預(yù)設(shè)的規(guī)則而得以解決。這一經(jīng)歷過(guò)程與計(jì)算思維是一致的，即經(jīng)歷“抽象—形式化表達(dá)—構(gòu)造—自動(dòng)化”的過(guò)程，針對(duì)問(wèn)題，通過(guò)抽象，形成合適的算法，用形式化方式準(zhǔn)確地表達(dá)，然后構(gòu)造執(zhí)行序列，最后自動(dòng)化地解決問(wèn)題。我把運(yùn)用算法思維實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程稱之為用“程序性構(gòu)造”實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，即在時(shí)間上通過(guò)有序操作實(shí)現(xiàn)問(wèn)題解決，這是算法思維對(duì)計(jì)算思維所做出的貢獻(xiàn)。王愛勝：請(qǐng)教王教授，除了算法思維之外，我們還可以從哪些角度來(lái)應(yīng)用計(jì)算思維呢？王榮良：除了算法思維，系統(tǒng)思想與方法也是求解計(jì)算問(wèn)題的一個(gè)重要手段。對(duì)于系統(tǒng)的研究，涉及怎樣刻畫與描述系統(tǒng)，類似于計(jì)算過(guò)程的數(shù)學(xué)建模，運(yùn)用系統(tǒng)建模的方法來(lái)解決問(wèn)題。這樣，一個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)模型來(lái)表達(dá)，也可以通過(guò)分析模型來(lái)分析系統(tǒng)。系統(tǒng)具有層次性，不同的抽象層次看到的系統(tǒng)是不一樣的，系統(tǒng)思想和方法可以指導(dǎo)人們?cè)鯓油ㄟ^(guò)分層將復(fù)雜的問(wèn)題化解為簡(jiǎn)單問(wèn)題，怎樣把系統(tǒng)表述清楚，怎樣將存在的但不可見的系統(tǒng)以可見或可理解的方式呈現(xiàn)出來(lái)，以及怎樣用部件有效地構(gòu)造系統(tǒng)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能。例如，對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就是通過(guò)系統(tǒng)分層的思想，清晰地闡述數(shù)據(jù)包的自動(dòng)傳輸。系統(tǒng)思想與方法作用于計(jì)算思維，我稱之為“系統(tǒng)性構(gòu)造”，體現(xiàn)的解決問(wèn)題的過(guò)程是通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界待解決問(wèn)題的分析與描述以后，用一個(gè)個(gè)對(duì)象或構(gòu)件組成系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)建模，從空間上構(gòu)造一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。例如，在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中，對(duì)象的行為或者方法是在時(shí)間上反映規(guī)則執(zhí)行序列，是算法思維的體現(xiàn);而各對(duì)象之間的關(guān)系、對(duì)象與類之間的關(guān)系，則是從空間上體現(xiàn)了系統(tǒng)的有機(jī)組成，是系統(tǒng)思想的體現(xiàn)。當(dāng)然，系統(tǒng)是人們看待世界中的事物的一種有效方式，系統(tǒng)思想與方法有其通用性，很多學(xué)科都用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)分析問(wèn)題和表達(dá)問(wèn)題。不同的學(xué)科，由于視角和研究目標(biāo)、研究方法的不同，對(duì)同一事物的表述也會(huì)有所不同。因此，在計(jì)算思維教育的大框架下，系統(tǒng)思想與方法的運(yùn)用一定要關(guān)注計(jì)算機(jī)學(xué)科思想方法的體現(xiàn)，具有計(jì)算機(jī)學(xué)科特征。例如，信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)把信息系統(tǒng)界定為實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的有效傳遞、存儲(chǔ)、處理和利用而建立的包括設(shè)備、技術(shù)、人員與機(jī)構(gòu)在內(nèi)的綜合系統(tǒng)，因?yàn)樵搶I(yè)隸屬管理學(xué)，人作為管理學(xué)研究的要素則必然被包含在信息系統(tǒng)之中。從表面上看，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這種系統(tǒng)觀下人機(jī)交互就成為了系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信。而從計(jì)算的觀點(diǎn)出發(fā)，人不應(yīng)該是計(jì)算系統(tǒng)的組成部分，而是計(jì)算系統(tǒng)的外部環(huán)境，計(jì)算思維就是用于理解計(jì)算系統(tǒng)如何通過(guò)控制其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分自動(dòng)化地為人類解決問(wèn)題。所以，計(jì)算思維教育特別需要重點(diǎn)關(guān)注計(jì)算系統(tǒng)是如何通過(guò)內(nèi)部控制和外部的輸入輸出來(lái)為人類服務(wù)。從計(jì)算思維的本源出發(fā)，具備計(jì)算思維的人應(yīng)該能夠自如地運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科思想方法解決問(wèn)題。其解決的問(wèn)題可以是計(jì)算機(jī)學(xué)科問(wèn)題，也可以是將計(jì)算機(jī)學(xué)科思想方法遷移到其他方面問(wèn)題的運(yùn)用。也就是說(shuō)，一個(gè)具備計(jì)算思維的人，能夠“計(jì)算地”看待問(wèn)題，哪怕是好奇心，也會(huì)具備計(jì)算的特征。例如，他遇到一款新接觸的應(yīng)用軟件，會(huì)產(chǎn)生與普通人不一樣的、基于計(jì)算機(jī)學(xué)科的思考，猜想該軟件的核心功能、主要算法以及可行性方案，并且還會(huì)輸入一些參數(shù)來(lái)測(cè)試與驗(yàn)證自己的猜想。計(jì)算思維的能力是復(fù)合的，無(wú)論是語(yǔ)言能力、認(rèn)知能力、解決問(wèn)題能力，都支撐計(jì)算思維的實(shí)施與發(fā)展。比較其他學(xué)科，概括能力、構(gòu)造能力和推演能力是最能體現(xiàn)計(jì)算思維學(xué)科特征的能力。概括能力支持學(xué)生有關(guān)計(jì)算機(jī)的學(xué)科知識(shí)認(rèn)知，同時(shí)也支持學(xué)生計(jì)算思維向理論方向升華。構(gòu)造能力是一種計(jì)算機(jī)類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，是解決問(wèn)題的重要能力體現(xiàn)，反映了計(jì)算思維解決問(wèn)題的獨(dú)特性，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)學(xué)科從理論到實(shí)踐的運(yùn)用。推演能力是一種最基本的邏輯演繹能力，其保障了計(jì)算思維正確的思維路徑和思維結(jié)果，同時(shí)也可以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性。王愛勝：王教授，您可否從基本、較強(qiáng)等不同等級(jí)或水平的計(jì)算思維給我們一種信心？依據(jù)以上兩點(diǎn)可知，知識(shí)學(xué)習(xí)與計(jì)算思維發(fā)展是有關(guān)聯(lián)的。在計(jì)算思維教育的框架下，簡(jiǎn)單記憶不是知識(shí)教學(xué)的主要目標(biāo)，如何通過(guò)知識(shí)的學(xué)習(xí)促進(jìn)學(xué)生思考才是教師需要深思的問(wèn)題。相應(yīng)地，計(jì)算思維的評(píng)價(jià)也不是只能采用問(wèn)卷式的量表進(jìn)行評(píng)測(cè)，而是可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容從學(xué)科知識(shí)與方法的掌握運(yùn)用到問(wèn)題解決等多個(gè)維度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。按照知識(shí)技能與計(jì)算思維關(guān)系的緊密程度，可以把學(xué)科知識(shí)技能分為三類。第一類與計(jì)算思維的關(guān)聯(lián)度最高，如算法概念以及各類具體算法，經(jīng)歷算法應(yīng)用及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程與計(jì)算思維重合度高，顯性地支持計(jì)算思維的形成。第二類與計(jì)算思維關(guān)聯(lián)度一般，如二進(jìn)制知識(shí)及涉