中小学计算思维的内容挖掘及其操作实践

    王张艳　管海蓉

    

    计算思维作为与理论思维（以数学学科为代表）、实证思维（以物理学科为代表）并称的三大科学思维之一，逐渐被部分国家定为信息技术课程的核心培养目标。[1]我国在把計算思维融入一线教学这方面的研究主要是针对高等教育，而且大部分偏理论性研究。因此，如何较好地将计算思维培养融入中小学信息技术教学实践中，是我们研究的重点。钟柏昌和李艺教授将计算思维概括为三组有关联的思维结构：对象化思维和过程思维、抽象思维和可视化思维、工程思维和自动化思维。[2]王荣良教授认为，计算思维源于数学，同时又有工程属性。计算思维的数学方法包括抽象、构造、递归、形式化等，计算思维的工程方法包括系统方法、分治法、结构化方法、面向对象方法等。[3]参照以上观点，结合信息技术课程，本文主要探讨计算思维中的对象与属性思维、数字化思维、抽象思维在具体教学中的应用，并结合王静雯老师的《网络交流——QQ即时通讯》教学设计进行具体探讨。

    《网络交流——QQ即时通讯》是苏教版小学信息技术教材网络基础单元的学习内容，教学对象是三年级学生，作为数字时代原住民，他们对信息技术的敏感性和基础应用能力较强。本课的设计不仅要让学生掌握工具的操作方法，更要拓展即时通讯软件在现实工作、生活中的作用。

    ● 对象与属性思维联结现实世界与计算机世界

    对象是对现实世界中事物的抽象。例如，现实世界中汽车有自己的状态，如车型、质量、牌照等。抽象而成的汽车也有自己的属性，如在VB程序设计中，“汽车”这个对象具有名称、大小、长宽比等属性，而这里的属性就是由现实中汽车的状态抽象而来的。

    计算机中的属性思维是将相关、相似的信息集中在一起。因此，属性思维还具有归类性，可以使有关系的知识自动联系在一起。延伸到日常生活中，可以用属性思维记住相关物品的联系。

    这种对象与属性的对应关系在信息技术教学中相当普遍，甚至可以说贯穿了整个课程的始终。Scratch、VB、Flash和DreamWeaver等软件中都有属性面板，选中相应对象后，通过修改属性面板中的属性值达到修改对象的目的，这些都是显性的对象与属性的对应。想要改变一个对象，需要先选择该对象，再寻找与对象相关的属性设置选项，可能在属性面板中，也可能是在弹出的属性菜单中。

    在《网络交流——QQ即时通讯》教学设计的活动一“登录QQ我最快”中，由于三年级的学生初次注册QQ后，并不能准确地将账号、密码等信息全部记住，因此在课前发放“我的QQ信息表”，以便学生登录。学生通过观察和使用，了解到QQ号是一串数字，在网络虚拟空间中代表操作对象，每个人的QQ号是不一样的，而且在“我的QQ信息表”中每个人的名字与QQ号一一对应。现实世界中每位学生都是一个对象，每位学生都有着不同的外貌和性格特征，这些是“学生”这个对象的属性。而在QQ软件这个虚拟世界中，QQ账号都变成了一个个对象，每位账号有着不同的数字排列，对应的头像也各不相同，在以后的使用过程中也会有不同的用户等级等，这些都是“QQ账号”这个对象所具有的不同属性。这是对象与属性思维的体现，也为学生今后学习更加复杂的对象与属性知识打下基础。

    ● 数字化思维是利用计算机处理问题的基础

    从信息视角来看，客观世界可以通过抽象方法描述成一系列由数据及关系、规律所组成的概念模型。可计算问题是计算学科研究的核心，只有可计算的问题，才能构建相应的计算模型。[4]计算思维表达了这样一个过程：将一个问题用代数语言（或其他约定的规范语言）进行形式化表达，然后按预设的规则进行有限次的字符串变换，最后得到问题的解。因此，将现实问题转换成数学问题，是计算思维实践的第一步，这也使得计算机介入问题求解成为可能。计算机科学是计算的学问，它研究什么是可计算的，以及怎样去计算。那么，如何让学生“像科学家一样思考”呢？选择一个简单可理解的生活现象进行“数学化”尝试，就是一种切实可行的选择。[5]

    在《网络交流——QQ即时通讯》教学设计的活动二“添加好友我也行”中，设定了情境——学生作为“筑梦同行 感恩成长”十岁成长礼网络交流活动的策划人要邀请嘉宾来参加活动，从而引出需要在QQ平台添加好友的任务。在活动三“沟通交流欢乐多”中，以方便和其他老师、家长、同学聚在一起开展网络交流活动为目的，提出问题：如何查找并加入一个群？

    解决问题的方法有多种，经过探究，学生发现查找具体QQ号码是最优的解决方式，因为QQ账号具有唯一性。现实与网络生活中的个人有很多特质，如身高、地域、QQ名称等，这些特质可能存在很高程度的相似性，不能作为区分彼此的特征。最好的区分办法就是“数字化”，使每个人具有独一无二的数字特征（身份证号、QQ号）。这样可以把复杂的问题用数字化的方法简化且高效地进行表征。QQ号是操作对象在QQ虚拟空间中的数字标识，计算机依据数字标识可以准确查找出相应的操作对象，这与计算机在处理数据时将各种符号转化为1和0组成的字符串是相似的道理。这样的活动设计对于培养学生的数字化思维、计算思维大有裨益。

    该活动还可以在其他课时中进一步拓展和延伸。例如，在现实情境中，越来越多的情况是可以扫描二维码访问网页、登录QQ及添加好友，这些网址和数字又是如何变成二维码的呢？不认识的二维码计算机是如何识别出来的呢？这些都涉及二进制的转化和信息的数字化，可以留给学生进一步思考或课外查阅。这样可以帮助学生了解计算机的基本工作原理，学会“像计算机科学家那样思考问题”。

    ● 抽象思维有助于抓住问题的核心

    周以真教授将计算思维的本质归纳为抽象与自动化，其中抽象是手段，自动化是目的。可以说，抽象，是计算思维的关键。因此，培养学生的抽象思维是解决计算思维在信息技术课堂上落地生根这一问题的重要途径。

    抽象是指在思维过程中对同类事物去掉其次要的、现象的方面，抽取其主要的、共性的方面。数学抽象的特点是抛开现实世界的物理、化学和生物等特性，仅保留其数的关系和空间的形式。计算思维中的抽象比数学抽象更加丰富，它要依据计算模型对现实世界中要处理对象的属性、规则、方法进行抽象和形式化表达，为构建计算机世界提供依据。现实世界、计算机世界与反映计算思维的抽象、自动化以及设计的关系如下图所示。[6]

    与数学、物理等一般学科的抽象相比，计算机科学中的抽象常常有多层，且目的是為自动化服务的。它是把现实中的事物或解决问题的过程，通过化简等方式，抓住其关键特征，降低其复杂度。在《网络交流——QQ即时通讯》教学设计中，每一个环节都设计了精简的板书来凝练各个任务的核心要求和问题的关键所在，最终形成了“选择对象—收集信息—添加好友—沟通交流”这一任务解决流程图，帮助学生将复杂问题通过抓关键特征的方式进行简化和提取，有助于培养学生的抽象思维能力。

    ● 结语

    以对象与属性思维、数字化思维、抽象思维作为突破口，是在实际的信息技术教学中培养学生计算思维的一个尝试。通过培养对象与属性思维，帮助学生建立现实世界与计算机世界的对应关系。利用数字化思维，将具体问题分解、转化为计算机可以处理的数字问题，以简化问题表征，提高问题解决效率。抽象思维的应用，可以帮助学生抓住事物核心特征，将复杂问题分解。

    在实际教学中，如何贯彻“数字化”的思想呢？一是将看似需要主观判断的问题情境用“数字化”的方式进行表示和描述，通过数据的梳理来解决问题。二是用“数字化”表示的方法使学生体验计算科学中“自动化”的原理，揭开计算机工作原理的神秘面纱。培养对象与属性思维，应当注意强化“先选中再操作”的理念，并在不同章节融会贯通，还要注意厘清对象与其属性的关系，注意区分公有属性与特有属性。而要培养抽象思维，不仅要注意教学案例的选择要贴近学生认知，对案例的熟悉程度和理解程度是对问题抽象和分解的基础，还要注意分解问题，引导学生将一个大而复杂的问题分解为若干个更易实现和解决的小问题。在分解的基础上，针对每个小问题，形成解决问题的方法。在此过程中，教师也可以试着举一反三，逐渐引入工程思维、自动化思维等更加复杂的计算思维意识的培养。

    培养学生的计算思维，需要学生在一个较长的时期内，通过每节课的学习逐步建立并形成起来。教无定法，教师只有在教学设计中融入计算思维，不断地改善自己的教学策略，提高学生学习的热情和积极性，才能让学生在自主、协作、交流、分享的过程中，发展计算思维，才能让计算思维在信息技术教学中落地生根，让每一位学生学会创造性地思考。

    参考文献：

    [1]谭浩强.研究计算思维，坚持面向应用[J].计算机教育，2012（21）：45-49.

    [2]钟柏昌，李艺.计算思维的概念演进与信息技术课程的价值追求[J].课程·教材·教法，2015（07）.

    [3]王荣良.计算思维的方法观[J].中国信息技术教育，2016（06）.

    [4]王荣良.计算思维对中小学信息技术课程的影响初探[J].中国教育技术装备，2012（27）：56-57.

    [5][6]王荣良.计算思维究竟是什么[J].中国信息技术教育，2015（23）.