学科思想方法：计算思维教育的一个视角
周世杰 张瑜
随着信息技术的快速发展及其在社会各领域的作用凸显，计算思维成为人们日益关注的热点。作为21世纪学生应具备的关键能力，计算思维成为信息技术教育的重要内容和主要方向。基于学科思想方法发展学生计算思维的教学，可以按照信息技术学科自身的逻辑体系组织课程内容，系统完整地展示信息技术学科领域中的知识系统和逻辑结构。这种完整的学科知识结构和严密的逻辑性，为计算思维教育提供了新的视角，有助于对学生信息素养进行连续和系统的培养，有助于学生全面、准确地了解信息科技的发展状况，也有助于信息技术学科思想的传承。
● 什么是学科思想方法
自周以真教授提出计算思维的概念以来，对它的相关研究很多。但从其构成要素来看，大部分研究是从计算科学方法论的层面对其进行定义。而从信息科技学科体系而言，它的上游学科一般认为有两个，一是计算科学，另一个是信息科学。所以，《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》在关于计算思维的定义中，明确指出了要关注学科思想方法。
1.计算思维的要素
计算思维一词由美国卡耐基·梅隆大学周以真教授在2006年3月提出。2010年后，她又将其界定为：“计算思维是与形式化问题及其解决方案相关的一个思维过程，其解决问题的表示形式应该能有效地被信息处理代替执行。”她同时指出其本质是抽象和自动化。2009年6月，美国ACM前主席Denning在《ACM通讯》上发表文章《超越计算思维》，给出了七个伟大计算原理：计算、通信、協作、自动化、记忆、评估、设计。他认为，“伟大原理”包含了周以真提出的“计算思维”内容。2012年，布伦南等人提出了计算思维三维框架：计算概念（顺序、循环、事件、并行、条件、运算、数据）、计算实践（增加与迭代、测试与调试、再利用与再混合、抽象与模块化）以及计算观念（表达、连接、质疑）。2013年，英国南安普顿大学的Cynthia Selby和John Woollard博士，为计算思维归纳了“算法思维、分解、抽象、概括和评价”五个要素，受到广泛关注和引用。
在我国，桂林电子科技大学董荣胜教授在《计算思维的结构》一书中指出：计算思维的结构，可以具体化为计算学科的抽象（感性认识）、理论（理性认识）和设计（实践）三个方面。2016年12月，任友群教授等从利用数字化技术解决问题的过程方面，将计算思维的内涵要素界定为形式化、模型化、自动化和系统化四个方面。谢忠新（2017）将计算思维要素界定为分解、模式与概括、抽象、算法思维、评估五个方面。
由上述可知，在计算思维内涵和要素方面，国内外学者主要是从计算科学方法论的角度予以归纳和提炼。
2.计算思维教育
很多专家指出，计算思维体现了信息技术学科的一种内在价值，有助于学科建设与发展。在新课标中，计算思维被定义为：“个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案中产生的一系列思维活动。”新课标在定义中，指明了发展学生计算思维，需要运用学科思想方法。
南京师范大学李艺（2016）等基于计算思维，为信息技术学科课程设计与教材编写设计了六组主题：对象与管理、规则与安全、系统与工程、设计与制作、协作与交流、伦理与道德。基于这种现状，熊璋和李锋（2019）在《信息时代·信息素养》一书中针对计算思维教育提出了三个建议：其一，掌握信息技术学科领域的思想方法;其二，将信息技术学科领域的思想方法与其他领域相结合，创新解决问题的新模式;其三，依据学科领域思想方法合理选用信息技术工具，利用信息技术工具解决问题，并能实现这种解决问题能力的迁移。三个建议和新课标定义相比，从“计算机科学领域的思想方法”到“信息技术学科领域的思想方法”，拓宽了发展学生计算思维的渠道。
● 什么是信息技术学科思想方法
南京师范大学李艺教授在《重构信息技术课程——从经验选择走向思想投射》一文中指出：“面对新的挑战，信息技术课程尚未表现出足够的自信。这种自信的缺乏，源于课程长期以来所走的经验选择道路，缺乏系统而稳定的学科思想积淀。”
众所周知，数学、化学等成熟学科都有各自的学科思想方法，并且都是从自身上游学科知识提炼而来，这些经验可以用来指导信息技术学科的思想方法梳理工作。因此，我们可以将信息技术学科思想方法界定为：在信息技术发展历程中，在解决实际问题过程中而逐步形成的具有信息技术学科特点的科学原理和技术思想。它由上游学科生发，并经过从其智慧积累之中采摘、改造并重新序化而来，具有信息技术学科知识取向且较为严谨的体系化的特征，是对信息技术学科知识的本质理解和理性分析。
通过这样的概念界定，可以指导我们梳理信息技术学科思想方法的思路。
思路一：在上游学科中寻找，如信息熵思想、图灵机理论等。
信息熵思想。1948年，香农提出了“信息熵”的概念，解决了对信息的量化度量等问题，用来描述信源的不确定度。
图灵机思想。图灵于1936年在其论文《论可计算数及其在判定问题上的应用》中提出了一个计算模型，该模型是用机器来模拟人们日常用纸笔进行数学计算的过程，这个模拟装置就是图灵机。
思路二：从信息技术的发展历程中寻找，如符号化思想、标准化思想、对象管理思想等。
符号化思想。现代计算机作为处理信息的工具，只能处理数字（二进制数）。要想让计算机帮助我们处理需要的信息，必须将文字、图片、声音、视频等信息载体转换为数字（二进制数）。所以我们可以认为计算机的符号化思想，就是能够有意识地使用计算机的符号0和1来解释和解决现实的问题。
标准化思想。为了减少信息技术在发展和应用中所产生的不必要的复杂性，经协商一致或在发展过程中自然形成大家必须遵守的一些规则。它具有动态变化性和普适性等特征。
对象管理思想。在信息技术学科内容中，所有的软件和工具的操作中都涉及对象、属性等问题，将这些实体或关系抽象化后形成数字化对象，并对其进行操作、修改，达到有效管理，这种思想和方法，可以合理构建对象之间的结构化关系，实现对象之间更好地联系，形成一个有效的信息化系统。
思路三：从教学实践中寻找一些经典算法，如枚举、递归、迭代、分治和回溯等。
算法是计算机的灵魂，算法不仅是一种解决问题的方式，更蕴含着丰富的学科思想，可以说，算法与计算思维关系密切。因此，在算法设计中一些经典的算法也可以归入信息技术学科思想方法。
发展学生计算思维有助于学生理解信息环境中各要素之间的关系，也体现了当代信息技术课程的一项重要价值。同时，计算思维教育需要提炼信息技术学科的思想方法，并通过设计适合学生学习的方式，引导学生形成以学科思想方法观察事物和问题求解的能力，发展与之相适应的思维方法与创新能力，提升学生的信息素养。
● 如何开展学科思想方法视角下的计算思维教育
学科思想方法是学科教学的灵魂。信息技术学科思想方法是在认识信息科技知识技能以及利用信息技术解决实际问题的过程中提炼出的学科观点，是对信息技术学科的本质、特征及价值的认识，是发现问题并利用信息技术解决问题的指导思想。
基于以上认识，笔者在教学实践中，从学科思想方法的视角，已经做了一些尝试。例如，笔者在教学字符编码、计算机硬件型号、USB接口标准和IP地址等内容时，曾融入相关内容，引导学生理解在信息技术发展的过程中，为了避免不必要的冲突，一些规则的逐步形成过程，从而让学生了解标准化思想的特点和价值。再如，在教学“信息”的概念时，笔者以“找人”的情境游戏引入，通过信息的出现，逐步清晰要找的人的特征，即“消除了不确定性”。课后，笔者将“信息熵”的相关知识制作成微视频，通过微信公众号发布给学生，让学生课后自主学习。通过现有尝试笔者发现，在教学实践中，选择恰当的教学内容，设计合理的教学活动，渗透学科思想方法，有利于提升学生的学習品质。
上海市信息科技学科新教材将在20201年9月份使用，除了以上初步教学实践，笔者还计划进行以下尝试。
其一，基于计算思维教育的现状和已有经验，在进一步梳理信息科技学科思想方法的基础上，进行“学科思想方法视角下发展学生计算思维的教学实践”，该计划主要包括三方面的主要内容：①通过文献研究、经验梳理等方式，进一步归纳、凝练信息科技学科的思想方法;②对照课标课程结构，梳理课程内容，选取与学科思想方法联系密切的知识点，进行教材内容分析，并在此基础上，寻找学科思想方法、计算思维要素与课程内容的“链接点”，围绕“链接点”，统整教学内容;③采用课例开发、案例分析、策略归纳等方式，总结学科思想方法视角下发展学生计算思维的教学策略。
其二，基于新课标，寻找信息科技学科思想方法、计算思维要素与课程内容之间的“链接点”，并整合教学内容，解决“课程内容”与“思想方法”脱节的问题，为发展学生计算思维提供新的“抓手”。当然，信息科技学科思想方法与计算思维要素、课程内容之间有着比较复杂的交织关系，以上设想可能存在很大的实践难度。
