计算思维培养在K-12阶段的应用研究

    牟亚 周雄俊

    

    

    摘 ?要 为了全面地了解计算思维在基础教育阶段的应用情况，阅读与分析相关文献，研究可知，当前国内计算思维培养研究正逐渐将关注的重心从大学转向K-12阶段，主要讨论计算思维的内涵与应用方面;国外计算思维培养的研究主要关注K-12阶段，侧重于计算思维培养实践和评估。在对计算思维培养在中小学阶段的应用情况进行分析的基础上，结合思维培养提出计算思维培养的教学策略，以期为教师进行计算思维培养提供借鉴与参考。

    关键词 计算思维;K-12;信息技术;核心素养;Scratch;App

    Inventor

    中圖分类号：G652 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）13-0077-03

    1 引言

    计算思维不是一个新的概念，从早期的计算到现代的算法思维、程序思维，都蕴含计算思维的概念。1980年，麻省理工学院的西摩派伯特·帕尔特教授在《头脑风暴：儿童、计算机及充满活力的创意》中首次提出计算思维一词。1996年，派伯特首次对计算思维进行了简单的定义，认为计算思维是使用计算的特点来清晰地表达观点和想法的过程。在此之前，计算思维不被研究者关注与重视，直到2006年，周以真教授在计算机权威期刊《美国计算机协会通讯》中第一次明确定义了计算思维，认为计算思维是使用计算机科学领域的思想和方法思考问题、解决问题等一系列的思维过程[1]。自此之后，计算思维受到国际计算机界和教育界的广泛关注。

    在中国知网搜索题名为“计算思维”的核心期刊文献和博士、硕士学位论文，检索截至2018年12月31日，共检索出150篇核心文献，59篇博士、硕士学位论文。经过整理去除无关文献后，将剩余的203篇作为本研究的有效期刊文献样本。国外文献的收集，通过挖掘文献的参考文献的方式获得。

    分析得知，国内计算思维培养的研究还较浅显，理论方面，主要探讨了计算思维的理解、特点与应用价值等;实践方面，是在高校中以编程类课程为主进行教学实践，中小学涉及相对较少。另外，计算思维概念提出以后，并没有一个统一的定义，也没有系统的理论体系。研究者在对计算思维理论方面的研究不够深入的情况下，已经转向计算思维培养的实践研究。面对这种情况，其教学实践研究可能受到阻碍。

    而国外计算思维的研究相对成熟，理论方面，主要是对计算思维概念进行理解;实践方面，是在K-12段以“计算机技术”为主进行教学实践研究，重视计算思维评价框架的建立，以分析教学实践的效果。

    2 计算思维的理解

    随着信息时代的发展、科技的进步，利用计算工具的普适性和丰富性，人们的思维方式和生活方式正在发生转变，而计算思维适应时代和社会的需求，被国际计算机界和计算机教育界作为重要的关注内容。计算思维是一项基本能力，是每个人必须具备的基本技能，应该从小培养以适应人的终身发展和全面发展。但是由于学者的文化背景不同，所处学习领域不同，对计算思维的理解也不尽相同。

    2006年，周以真教授提出计算思维是像计算机科学家一样去分析问题、解决问题[1]，是一种递归思维、分析思维，影响着几乎所有学科的研究，是每一个人的思维[2]。2011年，美国国际教育技术协会与美国计算机科学教师协会定义计算思维是数据收集、分析和表示，利用算法思维制订解决方案，并将问题解决过程中的思维与方法应用到其他领域[3]。

    2012年，英国学校计算机课程工作小组将计算思维定义为使用计算方法来理解人工信息系统和自然信息系统的过程，是递归能力、抽象能力、逻辑能力和算法能力的综合体现[4]。2016年，美国计算机科学教师协会在《K-12计算机科学标准》中定义计算思维是一种解决问题的方法论[5]。

    以周以真教授定义的计算思维观点为参照，陈国良、董荣胜认为，计算思维是以设计、抽象、自动化等计算机科学的基本方法，计算、解决问题的思维活动[6];王飞跃认为，计算思维是利用计算手段解决问题的思维过程[7];陈国良认为，计算思维是利用计算机领域的基本方法，把一个复杂、困难的问题抽象转化成人们能够理解的形式并解决问题[8];《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中提出，计算思维是抽象思维、算法思维、总结思维和迁移思维[9]。

    综上所述，计算思维自2006年周以真教授提出以后，引起国际计算机界、教育界的广泛关注，各国教育部门、学者对计算思维进行了分析与应用研究，不同的国家、组织和部门对计算思维的理解主要是从理论方面、实践操作、计算机科学领域、思维培养角度四个方面来定义。不论从何种角度定义计算思维，都可以看出计算思维的本质是抽象问题并找到最合适的解决方法的思维活动。

    3 计算思维培养在K-12阶段的情况

    自从2006年周以真教授对计算思维进行系统化定义后，随着国内外组织和学者对计算思维进行的理论与实践研究，使计算思维的概念逐渐清晰和明确，如何培养计算思维成为计算机界、教育界重点关注的内容。

    计算思维应用 ?2011年，美国将计算思维内容纳入基础教育课程中。2012年，新西兰将计算机科学课程确定为高中学段的必修内容。2013年，英国实施“新课程计划”，将中小学“信息通信技术”改成“计算课程”。2015年，澳大利亚实施“新课程方案”。2016年，芬兰在开设的新课程中强调学生数字能力的培养。我国C9高校联盟发布的声明、教育部教高司函〔2012〕188号文件、教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发布的《计算思维教学改革宣言》都强调了计算思维培养的重要性，并进行了相关的理论研究与教学实践。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》根据信息技术学科的大概念提出学科核心素养，明确了计算思维的核心价值地位。由此可见计算思维培养在K-12阶段的重要作用，是发展学生核心素养的重要着力点。

    综上所述，可以看出，国外计算思维培养的教学实践研究主要开始于K-12阶段，国内对计算思维培养的研究始于普通高等教育阶段，也侧重于普通高等教育阶段。随着互联网、大数据、人工智能等技术的发展，计算在社会、工作、学习等方面发挥着越来越重要的作用，计算思维的理论研究与应用实践由较多地关注高等教育领域开始转向K-12阶段，让计算思维同阅读、写作、算法一样，从小培养，全面培养。计算思维能够使人们以一种全新的视角去观察和理解周围的世界，是人们不断学习和发展过程中必须具备的一种思维能力。因此，计算思维培养在中小学阶段占据重要地位。

    计算思维在K-12阶段的培养情况 ?2017年，地平线报告（基础教育版）指出，计算思维是一项基本技能，具有使用计算工具形成问题解决方案的能力，同阅读、写作、算术一样需要熟练掌握。这就进一步明确了计算思维培养在K-12阶段的重要地位。笔者从课程、培养工具等方面总结国内外计算思维在K-12阶段的培养实践概况，如表1、表2所示。

    综上所述，通过对国内外计算思维培养在K-12阶段的实践情况分析可知，几乎都是在计算课程和信息技术课程中开展的教学实践活动，大多数是采用可视化编程或编程工具对学生的计算思维能力进行培养。进一步，对国内计算思维培养文献分析可知，小学阶段主要是采用Scratch和App Inventor等进行计算思维能力的培养，高中阶段主要是采用编程等进行计算思维能力的培养，初中的计算思维培养研究很少;研究主要关注计算思维培养的教学活动、教学方式等，探讨计算思维培养在中小学课程教学中的教学实践不足;计算思维评价方式单一，大多数采用问卷、观察和访谈等方式，没有成熟、系统的计算思维评价体系。

    4 结语

    通过对国内外文献分析可知，计算思维在K-12阶段的应用研究初有成效，如提出计算思维培养教学模式、计算思维评价框架等。但是，计算思维培养的研究还有很多不足，还需要完善，如计算思维培养的教学策略、计算思维培养工具、计算思维培养效果检验等方面。本文根据计算思维培养的相关文献，总结出计算思维培养在K-12阶段教学过程中应采取的教学策略。

    营造良好的课堂环境，注重对话式讨论 ?传统的课堂是以教师为中心的教学过程，学生被动、被迫地学习，对学生的主动性、积极性等造成影响，学生的学习兴趣不高，学习效率较低。因此，需要营造一种能够让学生畅所欲言、自由发挥的课堂环境，建立一种新型的师生关系，让师生之间能够平等、自由地交流。再者，促进思维教学的策略有三种，分别是照本宣科策略、问题策略以及对话策略，这三种教学策略都可以培养学生的思维能力。但是对话策略最适合思维的培养，因为这种策略鼓励学生与教师进行交流，教师通过提问引导学生，刺激学生去思考;学生根据教师的问题，通过分析、讨论等一步一步地深入。

    个人探究与小组讨论相结合 ?社会生活中出现过这种情况，在学校各方面都表现优异的学生，到了社会上却在工作中、生活中屡屡碰壁。当然，这样的情况只是少数。为什么会出现这样的情况？传统教学强调的是学生的个人学习情况，而社会中不再是一个人的事情，且一个人的能力也有限，大多数是几个人、几十个人等合作完成一个项目。传统课堂忽视小组合作学习的方式，而真实世界重视和需要这种方式。因此，学生既需要具备独立学习、探究的能力，也应该可以在团体学习中贡献自己的智慧。

    注重元认知学习的过程 ?元认知是指学生能够进行认知活动并能够对认知过程进行积极的监控和调节。计算思维培养的最终目的是让学生具有分析问题、解决问题的思维与方法。这种思维与方法是在学习过程中慢慢形成的，高中生应该意识到自己思考了什么，解决了什么问题，怎么解决的，等等，以便对自己的学习过程和学习结果进行反思、调整，提升学习效率;能够对自己的学习过程产生的思维与方法进行整理、综合，形成系统化的计算思维，解决其他类似的问题。

    参考文献

    [1]Wing J M. Computational thinking[J].Communica-tions of the ACM，2006，49（3）：33-35.

    [2]Wing J M. Computational thinking and thinking about

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    [3]CSTA and ISTE. Computational Thinking in K-12 Edu-

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    csta.acm.org/Curriculum/sub/CurrFiles/471.11CTLeader

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    [4]Computing at School Working Group. Computer Science：

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    [5]CSTA.K-12 Computer Science Standards[EB/OL].[2018-

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    [6]陳国良，董荣胜.计算思维的表述体系[J].中国大学教学，2013（12）：22-26.

    [7]王飞跃.面向计算社会的计算素质培养：计算思维与计算文化[J].工业和信息化教育，2013（6）：4-8.

    [8]陈国良.计算思维导论[M].北京：高等教育出版社，

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    [9]李锋，赵健.高中信息技术课程标准修订：理念与内容[J].中国电化教育，2016（12）：4-9.