信息技术课程中计算思维培养的研究_计算思维培养

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信息技术课程中计算思维培养的研究

赵大江1，李葆华2(陕西师范大学 计算机科学学院，陕西 西安 710062)

摘要：计算思维是当今国内外计算机领域极度关注的一个概念，也是中小学信息技术教育应当着重研究的课题。文章首先论述了计算思维的概念与内涵，接着阐述了信息技术课程的现状及计算思维教育的必要性，最后进一步总结出在中小学信息技术课程中培养学生计算思维的方法策略，以便能有效的培养学生的计算思维能力。

关键词：计算思维；信息素养；学科价值；信息技术课程

图书分类号：G632.0

作者简介：赵大江（1993-），男，宁夏西吉人，陕西师范大学计算机科学学院2010级本科生；李葆华（1960-），男，河南温县人，陕西师范大学计算机科学学院副教授，主要从事计算机应用和教师教育研究。

信息技术的快速发展,标志着教育信息化革命的到来。面对瞬息万变的信息化社会环境，以信息素养为教学目标的信息技术教育无论从社会需要还是个人需要方面都已不合时宜。因此，信息技术学科的改革是社会发展的必然趋势，培养社会需要的信息技术人才是对信息技术课程最基本的要求。将计算思维引入信息技术课程中，不仅能够体现信息技术学科的价值，更能够培养出社会需要的具有思维能力的人才。

一、计算思维 1．概念与内涵

计算思维是目前备受关注的一个基础性概念，它不仅涉及到计算机科学本质问题，更影响着计算机学科的未来走向。计算思维研究的先行者当为麻省理工学院教授和美国卡内基·梅隆大学（CMU）的周以真教授（Jeannette M.Wing）。周以真曾在一篇名为《计算思维》的文章中这样定义计算思维的：“计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。”

计算思维的本质是抽象和自动化。就像每个人都具备“读、写、算”（也称3R）能力一样，计算思维也应当是每个人具备的基本能力[2]。首先，计算思维是概念化，不是程序化。它要求能够在抽象的多个层次上思维。其次，计算思维是所有人都应具有的基本技能，而并非计算机科学家所专有。所以，我们除了教育和培养学生其他能力之外还应加入计算思维能力的培养。再者，计算思维是一种基础的，不是机械的技能，它遵循的是一种递归思想，并行生活学习之中。譬如去上课之前，我们会（MIT）的西蒙·派珀特（Seymour Papert）处理。最后，计算思维可以带入每个人的尽可能的把课程需要的物品放进包里，这就是“预置和缓存”； 如果我们丢了东西，通常会原路返回去找，这就是“回推”。由此可见，计算思维就在我们的日常生活学习中，它应当成为我们赖以生存的一种能力。

2．国内外研究综述

在国外，“计算思维”得到了包括美国、英国在内的诸多欧美国家的教育专家的普遍认同，以及众多组织的认可，其中比较有名的有美国计算机协会(ACM)、美国国家计算机科学技术教师协会(CSTA)、卡内基·梅隆大学(CMU)、美国数学研究所(AIM)等[3]。

在国内，目前针对计算思维所开展的研究主要体现在高等教育领域，例如2010年7月19日至20日，清华大学、北京大学等九所知名高校在西安交通大学举办了C9高校联盟计算机基础课程研讨会，发表了C9高校联盟计算机基础教学发展战略联合声明，声明的核心是认为大学计算机基础教学具有重要地位，并且计算机基础教学的核心任务就是培养学生的计算思维能力[4]。周以真教授认为计算思维应该是每个人具有的基本技能，而不仅仅属于计算机科学家[5]。所以，不仅要在高等教育阶段培养学生的计算思维，还应更早的培养，譬如在中小学信息技术课程中进行培养。

二、信息技术课程的现状与计算思维教育的必要性

在中小学信息技术课程中培养学生的计算思维能力，主要考虑到以信息素养为课程总目标的信息技术课程在当今信息化社会环境下突显出的缺陷与不足，而计算

思维无论从学科的作用与价值方面还是教育意义方面都能够很好的解决这些问题，从而使信息技术课程更大程度的体现其学科价值和作用。

1．信息技术课程的现状：信息素养 众所周知，信息技术学科是从计算机基础教育发展而来的。在计算机教育阶段，我们要普及计算机的应用，因此，在这一

阶段我们注重计算机基本技能教育是正确的。新课改后，全面提升信息素养成为了我国信息技术课程的总目标。然而，随着学科的发展，这样的课程总目标已不能完全体现信息技术课程的学科价值。信息技术课程的学科价值主要体现在社会价值和个人价值两个方面。社会价值方面，即信息技术课程的工具价值，就是要培养学生成为信息社会发展需要的人；个人价值方面，即促进学生的思维发展，使得他们具备创造性思维、批判性思维等。从这个方面来看，信息素养就显得比较虚泛、宽扁，缺乏信息技术的学科立场，而一旦追求学科深度，就易陷入技术操练的狭隘怪圈。

2．信息技术课程中计算思维培养的作用与价值

周以真教授曾在访谈录《计算思维改变信息技术课程》中提到：用信息科学的基本方法观察目前的信息技术课程，课程

主要围绕人、信息、工具（技术）三者的关系展开，信息是研究的对象，人是主体，可以处理信息，工具位于人与信息之间，在一定程度和范围内帮助和替代人处理信息[5]。同时提出，信息技术课程围绕三种关系进行教学：第一种关系，“人是怎么处理信息的”反映了人和信息的最基本关系。信息存在的价值体现在人需要信息、依赖信息，只有当信息能给人带来某种价值的时候，人才会对信息进行处理并接受，否则将被丢弃。第二种关系，“人是怎么运用工具处理信息的”，反映了人有效使用工具础。

计算思维在信息技术课程中的价值体现取决于信息技术课程本身的学科价值的体现。而信息技术课程的学科价值，从本质上讲,是指它对人和社会的效用和意义的意识和用工具高效处理信息的基本能力。[6]。因此，在信息技术课程中引入计算思目前，以提升信息素养为课程目标的信息技术课程主要就是反映了这种关系的学习要求。第三种关系，“工具是如何处理信息的”反映了工具信息学的学科思想和方法论。

在信息技术课程中引入计算思维就是为了充分体现第三种关系。其一，基于计算思维的学科思想可以迁移至其他应用。譬如解决生活学习中遇到的一些问题、精密敏锐的思维能力也会对学习其他学科如数学、物理等有所帮助。其二，有助于应对信息技术的快速发展。随着信息技术的飞速发展，信息工具的更新、替代同样非常迅速。因此，学生不能把掌握某种信息技术工具技能作为学习的目标，教师亦不能将其作为教学的目标。其三，为学生以后学习信息技术专业储备知识基础。目前，对于刚进大学学习计算机有关专业的学生而言，信息技术知识是陌生的。他们甚至连最基本的office办公软件以及操作系统都不了解，这是中小学信息技术教育的重大失误。按照我国信息技术教育标准，他们应该是信息技术基础知识的掌握者和应用者，而现在他们不但不是，反而是“信息技术领域中的文盲”。因此，在中小学信息技术教育中引入计算思维，即可以引领中小学信息技术课程的可持续发展，又可以为高等计算机教育的学习打下夯实的基

维，从学科的角度而言，就是为了能够更多地、更大程度地体现信息技术课程的学科价值以及它能够为社会、为人类创造的价值，这就是信息技术课程社会价值的体现。从学生的角度而言，培养学生的计算思维能力，使学生拥有更好、更多的生存能力，解决生活学习中遇到的实际问题，从而更好的认识和适应这个社会。

3．计算思维的教育意义

从社会结构组成角度来看，人是信息社会组成的主体部分，只有当人们正确理解信息社会的普遍特征，创造性地使用信息技术时，信息技术革命才能真正地到来[7]。因此，在信息技术课程中发展学生的计算思维，就不只是让学生简单地适应信息化环境，同样还需要引导学生理解信息化社会系统，将这种思维方式合理地应用于个

人成长和专业发展中来，其教育意义主要表现为：其一，提高学生运用信息技术知识解决实际问题的能力。利用信息技术知识解决问题的能力既表现为解决问题的共性特征，也表现出信息技术应用的特殊性。计算思维正是将这两种方式优化结合，形成在信息化情境中解决问题特有的方法与策略。其二，提高学生对信息技术运用的批判能力。信息技术给我们的生活提供便利的同时，也引出了一系列潜在的危机。例如，当信息技术的“标准化与程序化”技术特征被利用到一定程度时，则技术要求和工艺安排就会控制人的一切活动，如此“信息技术”就有可能会异化为“控制人类自由”的绳索。因此，发展学生计算思维也正是要加强学生头脑内部信息系统与外部技术信息系统的良好互动，理解信息技术与人的相互关系，批判性地应用信息技术。通俗地讲，就是扬长避短、取其精华，不能完全依靠信息技术也不能摒弃信息技术，在应用信息技术的同时应当更多的用自己的思想来驾驭信息技术而不是让信息技术牵引你的思想。其三，提高学生在信息化社会中的自我调节能力。共同进化是信息化社会生态环境中各个要素相互作用、共同发展的趋势[8]。在信息化社会生态环境中，每一要素的变化都将引发其它要素乃至整个生态环境的变化。针对持续发展的信息化社会环境，发展学生计算思维就是要在信息化情境中不断自我完善信息认知模型，提高在信息化社会的自我调节能力。目前，在日常的学习生活中，我们使用更多是个人计算机，当然在其他领域还有工业控制计算机、嵌入式计算机、网络计算机等等，但是无论是哪一种微机类型我们都能够掌握其最基本的操作，理解其工作原理，就是因为我们学习了所有微机最根本、最基础的结构原理，即冯·诺依曼体系结构。这就是计算思维的思维方式，从本质上理解问题、解决问题。从而能够从容地应对高速发展的现代信息化社会。

三、信息技术课程中计算思维的培养 在信息技术课程中培养学生的计算思维，就必须真正的从学科价值、学科思维

方式的角度去规划设计课程，从而达到培养学生计算思维的目的。

然而，学生在信息技术学科学习的过程中怎样才能经历、感受并形成学科思维方式呢？显然，这是一个漫长的过程。学生需要在每节课上经历发现问题、提出问题、应用学科思维方式解决问题的过程。经过反复的练习之后，在学生的潜意识里就很自然的形成了这种思维方式。这种思维模式一经形成，当学生再遇到相似问题的时候就会很自然的运用这种思维方式去解决问题。这就需要摒弃目前的以每个知识点为主线，按知识点将课程内容划分成模块的教学组织模式，摒弃目前盛行的段落式课堂教学模式。经过不断的归纳、分析和查阅研究，总结出以下几点在信息技术课程中培养学生计算思维的策略。

1．提高信息技术课程地位

通过调查研究发现，目前中小学信息技术课程开设情况不太乐观，其主要原因就是课程地位低下。由于高考、中考这种应试型教育制度的执行，从学校到家长、学生只是一味的追求考高分，并不注重学

生实际能力的提高和素质的培养。由此，因为信息技术课程与升学没有直接关系，所以其并不被重视。这就直接导致了信息技术教师以及学生表现出对这门学科态度的散漫和积极性的降低。近几年全国大国省市都出现了这样一个问题：在高考、中考中，有很多成绩优异的高分学生，这些学生不可谓不品学兼优，但是在每年的全国青少年信息学奥林匹克获奖名单中，却

很少看见这些学生的名字。这就说明，能考高分的学生不一定具备更高的思维能力，不一定具有更好的操作技能。因此，无论是要培养计算思维还是信息素养，要想让学生学到更多的知识和技能，具备更多的一个章节的内容了。对获取信息的过程与方法以及策略与技巧不熟练，那么就不能够准确的获取信息；没有价值的信息也就基本能力就必须提高信息技术课程的地位。没有必要再对其进行加工，更没有必要表这是在信息技术课程中培养学生计算思维最基本的要求。

2．选择合适的教学策略

有效培养学生的计算思维能力，教学方法的选择尤为重要。得当的教学方法，可以更轻松地培养学生的计算思维能力，提高教学效率。因此，摒弃现有的信息技术课程的教学方法是很有必要的。采取新的教学策略是培养计算思维不可或缺的一部分。

首先，从学科特征与深层价值角度出发，按照课程知识的内在结构重新整合教学内容，使每个完全孤立的知识成为具有一定逻辑关系的相对独立的知识模块。系统性的将知识教授给学生，让学生感受到知识的系统性和逻辑性；再以项目的方式为每个模块设计课堂作业，每个模块完成一个项目任务。这样既可以很好地巩固所学知识，也可以是学生体会到知识的相对独立性和相互依赖关系。在《信息技术基础》教材中，如：信息的获取、信息的加工与表达、信息资源管理等章节，通常情况下，我们的信息技术教师都会按照教材编排的顺序，授课时依次按各个章节进行。先讲完信息的获取，再讲信息的加工与表达，最后讲信息资源管理。举个最常见的例子，学习完信息的获取章节之后，再学习信息的加工与表达章节时可能学生对前一章节学习的内容还有点记忆，但是当学习信息资源管理章节时就很少有人记得第达；一个没有价值的文件资源也就无需进行存储管理。因此，教材中各章节内容之间那种相互联系，在教学的过程中不能切断，而且还要使它们的联系更加紧密。这就要采用系统性教学、整体性教学的教学策略。

其次，要改变以学科知识为中心的教学观，采用以学生为主，教师为辅的教学思想。更多的让学生自己去发现问题、提出问题、应用所学知识来分析问题、设计解决问题的方案，最后利用计算机完成方案，得出结果。在这个过程中，老师可根据实际情况，采取不同的教学策略进行教学，譬如活动式教学、探究式教学、分层教学等等。当学生在每一节信息技术课堂中都经历这样一个过程，其思维方式与思维能力就会逐渐地建立并强化起来。

再次，改变信息技术课堂结构和课时安排。目前，大多数中小学校的信息技术课一周只安排一节课（45分钟），尤其以初中和小学最为常见。这样的课时安排是非常不合理的，信息技术课程课堂相比其他课程课堂耗时更多，计算机开机、关机都会浪费一定的课堂时间，再加上信息技术

课程其特殊的学科特点，需要更多的课堂时间。根据目前的教学制度，学生不可能在课堂之外学习信息技术课程，因此在课堂之内让学生掌握所学知识并加以练习，是完成教学要求的最佳选择。如果还像以前的小课堂教学，学生可能没有时间进行深层次的思考和实践。因此，必须安排更多的课堂时间，比如两节课连排。唯有如此，学生才可能在每节课后都能感受到思维方式上的转变与思维能力的提升。

3．设计与标准一致性的教学内容

通常，教师是根据课程标准进行施教的。课程标准改变了，则相应的教材及教学内容也应相对的做出改变。教学内容与课程标准的一致性是教学内容组织的一项基本原则，主要反映在“认识程度的一致性和知识要点的一致性”两个层面[9]。

不同年龄段的学生其认知能力存在差异，同样他们对知识组织方式的接受程度存在差异。例如，低年级学生比较容易接受图形、实物等组成的形象性学习内容，高年级学生则对程序设计语言、基本算法等抽象性学习内容具有较高的理解能力。因此，计算思维教学内容的组织上应与学生的认识水平相符合，这便是认识程度的一致性。

不同的教学要求，不同的课程目标其知识的侧重点也不一样。基于计算思维的课程标准对知识要点的要求由原来的具体化转变为抽象化[11]。它不再一味的要求学生掌握某一种固定的操作方式，而是要学生通过学习计算思维，解决一系列问题。而且，要求学生学到的是非抽象的、系统的知识，既要能灵活的运用到具体的问题当中，又要能适当的将知识内分解，分散运用。因此，计算思维教学内容知识要点的设计上必须与课程标准保持一致。

4．组织实践探究性的教学活动

在信息技术课程中，培养学生计算思维的最终目的是期望学生将这种思维方式

合理地迁移至日常生活与学习之中，全面提升学生的综合素质。

组织实践探究性的教学活动，这在大多数学校实现的可能性极小，因为这需要学校的硬件设备的先进和齐全。近年来，随着人们对信息技术教育重视度的不断提高，中小学校的教学设备也在不断的加强和完善。越来越多的学生愿意积极参与一些具有探究性的实践活动，例如全国青少年信息学奥林匹克联赛（NOIP），在参加竞赛的过程中，能有效激发学生学习的积极性，还可以发现并培养一些对信息技术感兴趣的学生。然而，信息学奥林匹克联赛最终能培养学生怎样的思维能力呢？通过2010年普及的一道测试题我们能够看出联赛的综合程度的高低。针对初中的学生要求是：理解题干、剖析问题、设计程序流程、编写程序并运行得出最终结果。这正是考察学生计算思维能力的一个过程，由此可以得出计算思维能力与读、写、算能力一样重要。可以这样讲，所有学科的学习都会有计算思维的存在，它已经成为当今教育体制中不可或缺的东西，却往往被我们所忽略。再如“乐高机器人设计大赛”、“程序设计竞赛”等实践活动，让学生通过实际操作设计，领悟信息技术学科的思维方式。现代心理学理论认为：思维的发展是一种富情境化的过程，脱离了真实情境的“说教式”教学就很难实现学生思维能力的迁移。格式塔心理学（1912年格式塔心理学诞生，由德国心理学家魏特海默首次创立，其代表人物还有苛勒、考夫卡等人。）的研究成果就表明“在认识迁移过程中，学习情景中各要素之间的关系起着关键性的作用，这种作用既表现为学习内容之间存在有一定的关系，也表现为学生对这一关系的领悟与理解”。显然，为了促进计算思维的学习迁移，教学活动就不应只停留于知识的讲解和技能的操练上，同样还需要创设隐含计算方法的、与学生生活学习相类似的学习情景，引导学生在其中发现计算问题，应用计算方法解决问题，将计算思维迁移于真实的问题情景中，并逐步完善这种思维方式。例如，高中“人行横道红绿灯时间转换模型”项目活动就“描述了人行横道中红绿灯的现实情境，将计算方法的问题隐含于其中。学生通过实地观察，找出影响红绿灯时间变化的变量，分析变量之间的关系，设计相关的模型，通过信息技术工具实现这种模型，检验模型实施的效果，进行相应的完善和调整。”可见，在计算思维教学实施中，为了引导学生理解学科思维方式，就需要将教学内容落实于探究性的教学活动中，在真实情境中体验与实践，促进计算思维的有效迁移。

四、结语

综上所述，计算思维就是把一个看起来困难的问题重新阐述成一个我们知道怎样解的问题，同时它跟人们的生活工作密不可分。计算思维应当跟3R能力一样，成为一种基础的、普遍的、适用的基本能力。将计算思维这一基本理念引入中小学信息技术课程中的教育与传播格外重要，通过计算思维的教育，让每个中小学生都能够“像计算机科学家一样思考[10]”。因此，培养学生的计算思维，是中小学信息技术课

程的责任和义务。

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ZHAO Da-jiang1，LI Bao-hua2(College of Computer Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)Abstract: Computational thinking is a concept in today's computer industry grave concern at home and abroad, but also primary and secondary education should be focused on IT research topic.The article first discues the concept and meaning of computational thinking, and then describes the current situation and the need for information technology courses thinking educational computing, and finally further summed students computational thinking in the curriculum of primary and secondary information technology methods and strategies, expect IT disciplines explore the thinking and methods.Key words: computational thinking;information literacy;disciplinary value;information technology course