湯?，|，胡秋玲

（湖南第一師范學(xué)院 a.信息科學(xué)與工程學(xué)院；b.圖書(shū)館，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

小學(xué)教育中計(jì)算思維方式培養(yǎng)

湯希瑋a，胡秋玲b

（湖南第一師范學(xué)院 a.信息科學(xué)與工程學(xué)院；b.圖書(shū)館，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

計(jì)算思維是信息社會(huì)公民需要具備的基本技能。在中小學(xué)教育領(lǐng)域，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)并沒(méi)有引起足夠的重視。小學(xué)教育中計(jì)算思維的培養(yǎng)，要從培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維意識(shí)、制定培養(yǎng)計(jì)算思維的標(biāo)準(zhǔn)和提高小學(xué)教師信息技術(shù)素養(yǎng)三方面著手。

計(jì)算思維；小學(xué)教育；指令化；案例

引言

現(xiàn)代社會(huì)，信息技術(shù)對(duì)人類(lèi)的影響無(wú)處不在。不斷推陳出新的電子產(chǎn)品，不斷升級(jí)換代的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，一方面深刻改變了人們的衣食住行，使生活更加方便和美好，另一方面也對(duì)人們的適應(yīng)能力提出了新的要求。信息時(shí)代的新公民不僅需要具備閱讀、寫(xiě)作、算術(shù)等傳統(tǒng)技能，更需要具備一種全新的能力——計(jì)算思維。當(dāng)前，在大學(xué)教育中，計(jì)算思維方式的培養(yǎng)已經(jīng)逐步融入大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課的教學(xué)當(dāng)中，一些知名高校已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在總結(jié)了多年的計(jì)算思維教學(xué)活動(dòng)之后，在MOOC平臺(tái)推出了《計(jì)算思維導(dǎo)論》課程。但是，中小學(xué)教育，尤其是小學(xué)教育，人們對(duì)小學(xué)生信息素養(yǎng)的期望仍然停留在初步的信息技術(shù)知識(shí)的傳授上，忽略了計(jì)算思維的培養(yǎng)。本文將從計(jì)算思維的概念和特征出發(fā)，探討小學(xué)教育中計(jì)算思維方式培養(yǎng)過(guò)程，以及面臨的問(wèn)題和可能的解決措施。

一、計(jì)算思維

計(jì)算思維（Computational Thinking）是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的一系列思維活動(dòng)，它基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念和基本理論求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)行為[1]。具體而言，計(jì)算思維關(guān)注并行處理，用遞歸的方法解決問(wèn)題；計(jì)算思維通過(guò)抽象和分解的方式，應(yīng)對(duì)龐雜的任務(wù)或設(shè)計(jì)復(fù)雜的系統(tǒng)，它采用簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)模型刻畫(huà)系統(tǒng)的行為，并且能保證用戶(hù)在不理解任何細(xì)節(jié)的情況下，安全地使用、調(diào)整和影響一個(gè)大型系統(tǒng)的信息；計(jì)算思維基于啟發(fā)式推理求解問(wèn)題，在不確定的情況下進(jìn)行規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度，它還利用海量數(shù)據(jù)加快運(yùn)算進(jìn)程，能很好權(quán)衡處理能力和存儲(chǔ)空間。

計(jì)算思維具有如下特點(diǎn)：

1.概念層面的思維

計(jì)算思維并不等同于程序設(shè)計(jì)，就像計(jì)算機(jī)科學(xué)不僅僅是計(jì)算機(jī)編程一樣，它要求像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣，在抽象的多層次多角度上思考問(wèn)題。

2.本質(zhì)是人的一種思維方式

計(jì)算思維是人的一種思維方式，而不是計(jì)算機(jī)的思維方式。它是人類(lèi)求解問(wèn)題的一個(gè)重要選擇，但并不是要人類(lèi)象計(jì)算機(jī)一樣思考。

3.數(shù)學(xué)思維和工程思維的結(jié)晶

數(shù)學(xué)這種形式化的工具促進(jìn)了計(jì)算機(jī)科學(xué)的誕生，解決問(wèn)題的計(jì)算機(jī)算法通常脫胎于數(shù)學(xué)思維。另一方面，計(jì)算機(jī)科學(xué)又與工程思維有密切的聯(lián)系，因?yàn)槿藗冊(cè)O(shè)計(jì)和建造的系統(tǒng)必須能夠與現(xiàn)實(shí)世界交流，而計(jì)算設(shè)備的限制迫使計(jì)算機(jī)科學(xué)家必須從工程角度看問(wèn)題并計(jì)算性地思考。

4.是一種思想，而不是人工產(chǎn)品

軟件和硬件產(chǎn)品作為計(jì)算思維的產(chǎn)物以物理形勢(shì)呈現(xiàn)并時(shí)刻觸及人類(lèi)的生活，但更重要的是，它還作為一種求解問(wèn)題、管理日常生活、與他人交流和互動(dòng)的計(jì)算概念而存在。

總之，計(jì)算思維作為一種解決問(wèn)題的方法，能夠溝通計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科領(lǐng)域，淡化具體專(zhuān)業(yè)，強(qiáng)調(diào)運(yùn)用計(jì)算概念、原理解決問(wèn)題的過(guò)程。

二、基于計(jì)算思維培養(yǎng)的小學(xué)語(yǔ)文課教學(xué)設(shè)計(jì)

早在 2006年，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的周以真教授就提出要在學(xué)校開(kāi)展計(jì)算思維教育[2]。五年之后，國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NFS）的支持下，研發(fā)出了一套計(jì)算思維教師資源[3]，該資源給出了K-12教育（指美國(guó)從幼兒園到12年級(jí)的教育）中計(jì)算思維的操作定義、詞匯、進(jìn)階圖標(biāo)、學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和使用場(chǎng)景。該資源指出，從小培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維技能，對(duì)他們將來(lái)從事醫(yī)學(xué)、歷史、法律、教育或其他專(zhuān)業(yè)性工作具有深遠(yuǎn)的影響，能開(kāi)拓他們解決問(wèn)題的新視野。同時(shí)，解決問(wèn)題的技能會(huì)隨著學(xué)生年齡的增長(zhǎng)變得越來(lái)越復(fù)雜，因此，在小學(xué)教育中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維方式，實(shí)際上奠定了貫穿于他們的學(xué)術(shù)生涯和職業(yè)生涯中技能發(fā)展的基礎(chǔ)[4]。本部分將通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)具體的案例闡明計(jì)算思維如何貫穿到小學(xué)教育活動(dòng)中。

（一）案例過(guò)程

案例名稱(chēng)：一年級(jí)語(yǔ)文課計(jì)算思維方式培養(yǎng)。

以湖南第一師范學(xué)院第一附屬小學(xué)一年級(jí)的語(yǔ)文課為例，這次課要求學(xué)生說(shuō)出一組連續(xù)的指令完成一個(gè)任務(wù)，即告訴老師如何從當(dāng)前的教室走到毛主席曾經(jīng)坐過(guò)的八班教室的座位。課堂活動(dòng)側(cè)重于使用向前、向后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、距離、步驟等詞匯。

開(kāi)始環(huán)節(jié)：場(chǎng)景引入

教學(xué)活動(dòng)始于教師描述一個(gè)場(chǎng)景：“大家都去過(guò)毛主席曾上課的八班教室，假設(shè)我們就在八班教室，班長(zhǎng)坐的就是毛主席坐過(guò)的位子，我現(xiàn)在看不見(jiàn)，誰(shuí)能指揮我到達(dá)毛主席的座位？”。教師可以進(jìn)一步將問(wèn)題分解，比喻“我要怎么做呢？”“我要選哪個(gè)方向？”“在哪里轉(zhuǎn)彎？”等。這一課堂熱身活動(dòng)是口頭語(yǔ)言發(fā)展的一部分，關(guān)注前、后、左、右、距離、步驟等詞匯。

第二環(huán)節(jié)：訓(xùn)練學(xué)生

教師提出一個(gè)問(wèn)題后，隨機(jī)挑選一個(gè)學(xué)生，讓他給教師一些具體的指令到達(dá)目的地。具體步驟如下：

1.請(qǐng)求指令。教師對(duì)指定的學(xué)生說(shuō)：“請(qǐng)給我指令，讓我到達(dá)毛主席的座位。我只會(huì)告訴你我現(xiàn)在的位置是講臺(tái)后面，請(qǐng)告訴我第一個(gè)方向好嗎？”這時(shí)，教師不要修正學(xué)生給出的每一條指令，而是明確表示將按照學(xué)生給出的指令移動(dòng)，同時(shí)允許學(xué)生可以根據(jù)教師的行動(dòng)過(guò)程修改自己的指令。

2.教師嚴(yán)格依據(jù)學(xué)生的指令移動(dòng)。如果學(xué)生說(shuō)“左轉(zhuǎn)”，教師左轉(zhuǎn)之后一動(dòng)不動(dòng)，等待學(xué)生的下一步指令。如果學(xué)生接下來(lái)說(shuō)“走”，教師隨機(jī)行走，不要停止。同時(shí)要求學(xué)生給出更詳細(xì)的指令，比如要走多少步，下一步哪里轉(zhuǎn)等。

3.最后到達(dá)目的地。要求學(xué)生重復(fù)剛剛下達(dá)的指令和步驟。如果學(xué)生復(fù)述不了，請(qǐng)全班同學(xué)幫忙補(bǔ)充。

第三環(huán)節(jié)：強(qiáng)化指令

1.要學(xué)生寫(xiě)指令，每?jī)蓚€(gè)孩子一組，按照剛寫(xiě)的指令付諸行動(dòng)。一個(gè)孩子發(fā)指令，一個(gè)孩子移動(dòng)。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)經(jīng)驗(yàn)修正指令。

2.阻塞路徑，讓學(xué)生找到一種替代的方法到達(dá)座位。

3.讓學(xué)生給出至少三條到達(dá)目的地的路徑。然后，要學(xué)生評(píng)估哪條路徑最近或最快，這組學(xué)生應(yīng)該能夠解釋為什么一條路徑比其它路徑更快到達(dá)。

4.再給學(xué)生一些其他的任務(wù)，要求學(xué)生給出一系列明確的指令。

這些活動(dòng)強(qiáng)化了排列順序和不正確步驟的影響，能讓學(xué)生列出每步的步驟，明了事情發(fā)生的過(guò)程，從而學(xué)會(huì)邏輯地思考問(wèn)題，這對(duì)完成任務(wù)至關(guān)重要。而讓學(xué)生尋找替代方法，則進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力。

第四環(huán)節(jié)：指令應(yīng)用

這一環(huán)節(jié)主要引導(dǎo)學(xué)生將本課程學(xué)到的指令化方法應(yīng)用到實(shí)際的生活和相關(guān)的職業(yè)活動(dòng)中，思考相關(guān)的問(wèn)題。例如：

1.科學(xué)研究中，經(jīng)常需要用到指令化方法?？蒲腥藛T通常需要再現(xiàn)前人的實(shí)驗(yàn)，這時(shí)，實(shí)驗(yàn)的步驟和順序?qū)λ头浅Ｖ匾?/p>

2.每天起床到上學(xué)的過(guò)程中，用到指令來(lái)完成相關(guān)的任務(wù)。比如，起床，去衛(wèi)生間，穿衣，刷牙，洗臉，喝水，早餐等序列化動(dòng)作。

3.陶藝學(xué)習(xí)中，用到指令來(lái)做成一件陶器。

（二）案例分析

本部分需要分析以上的教學(xué)活動(dòng)從哪些方面體現(xiàn)了計(jì)算思維的培養(yǎng)。

1.訓(xùn)練學(xué)生環(huán)節(jié)

要求學(xué)生提供準(zhǔn)確的實(shí)際的路徑指令。這里培養(yǎng)了學(xué)生的算法思維即用一系列確定的步驟解決問(wèn)題或完成任務(wù)。

2.指令強(qiáng)化環(huán)節(jié)

（1）寫(xiě)指令。它實(shí)際上是通過(guò)要學(xué)生對(duì)路徑進(jìn)行分段，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生將復(fù)雜問(wèn)題分解成眾多簡(jiǎn)單問(wèn)題的能力。這是計(jì)算思維中的核心能力即問(wèn)題分解。

（2）尋找替代方法。它培養(yǎng)學(xué)生處理算法中的不確定性和模糊事物的能力。

（3）評(píng)估路徑。它培養(yǎng)了學(xué)生有關(guān)計(jì)算思維中最優(yōu)化問(wèn)題求解的能力。

（4）完成不同的任務(wù)。它培養(yǎng)學(xué)生將指令化思想遷移到其他需要這種能力的場(chǎng)景中。

三、計(jì)算思維培養(yǎng)的對(duì)策

（一）培養(yǎng)計(jì)算思維的意識(shí)

我們國(guó)家在上世紀(jì)80年代就開(kāi)始在部分中小學(xué)開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)課程，本世紀(jì)初在北京召開(kāi)的“全國(guó)中小學(xué)信息技術(shù)教育工作會(huì)議”標(biāo)志著中小學(xué)信息技術(shù)教育全面發(fā)展。后來(lái)，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》的制定進(jìn)一步推動(dòng)了信息技術(shù)課程的發(fā)展。但是，信息技術(shù)課程中有關(guān)信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，一直沒(méi)有觸及一個(gè)深層次的問(wèn)題即計(jì)算機(jī)到底是工具還是一種思想。在實(shí)際的教學(xué)當(dāng)中，人們相信計(jì)算思維的培養(yǎng)就是教小學(xué)生編程序。教學(xué)中非常重視編程語(yǔ)言的傳授和算法細(xì)節(jié)的描述，強(qiáng)調(diào)用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言解決實(shí)際問(wèn)題的能力。這實(shí)際上是一個(gè)誤區(qū)，很多時(shí)候不過(guò)是將大學(xué)新生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課的部分內(nèi)容下放到小學(xué)，且不說(shuō)有多少小學(xué)生能聽(tīng)懂學(xué)會(huì)，權(quán)想想小學(xué)生的語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)等課程的學(xué)習(xí)所花費(fèi)的時(shí)間，就能明白將大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課的相關(guān)內(nèi)容下放對(duì)小學(xué)生是一個(gè)多么大的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)。其效果必然大打折扣，導(dǎo)致在小學(xué)教育中培養(yǎng)計(jì)算思維成為一句空話。

真正的計(jì)算思維培養(yǎng)，不是教小學(xué)生編好程序，而是引導(dǎo)他們像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考問(wèn)題，將計(jì)算思維中的分解、遞歸、建模等思想貫徹到語(yǔ)文、數(shù)學(xué)等課程的教學(xué)中去，培養(yǎng)學(xué)生在日常的學(xué)習(xí)和生活中有意識(shí)地將復(fù)雜問(wèn)題分解為若干易于管理的簡(jiǎn)單問(wèn)題并分步驟有次序解決的能力。

（二）制定培養(yǎng)計(jì)算思維的標(biāo)準(zhǔn)

目前在小學(xué)教育中，既沒(méi)有統(tǒng)一的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有操作性強(qiáng)的教學(xué)大綱來(lái)指導(dǎo)小學(xué)教師應(yīng)該如何培養(yǎng)小學(xué)生的計(jì)算思維。而在信息技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家，如美國(guó)2011年就出現(xiàn)了“CSTAK-12計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)（2011）”，該標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)地描述了小學(xué)（K1-6）、初中（K6-9）、高中（K9-12）三個(gè)不同水平階段的具體要求。2016年9月，該標(biāo)準(zhǔn)的修訂版正式發(fā)布，新版本進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了計(jì)算思維在小學(xué)教育和中學(xué)教育中的地位和具體的實(shí)施方式。

我們國(guó)家應(yīng)該借鑒信息技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，因地制宜，由教育主管部門(mén)組織相關(guān)的教育機(jī)構(gòu)和知名學(xué)校中的專(zhuān)家在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，制定小學(xué)教育中培養(yǎng)計(jì)算思維的行動(dòng)綱領(lǐng)。該行動(dòng)綱領(lǐng)應(yīng)該體現(xiàn)從“具體標(biāo)準(zhǔn)”向“素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)”轉(zhuǎn)變，不僅要將計(jì)算思維貫徹到科學(xué)課中，還要更加寬泛地將計(jì)算思維的培養(yǎng)貫穿到語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、音樂(lè)、社會(huì)實(shí)踐等課程中去，使學(xué)生通過(guò)在多學(xué)科領(lǐng)域中的學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)。

（三）提高小學(xué)教師信息技術(shù)素養(yǎng)

從前述案例可以看出，培養(yǎng)小學(xué)生的計(jì)算思維，不僅僅是信息技術(shù)老師的責(zé)任，其他非信息技術(shù)課程的老師也一樣責(zé)無(wú)旁貸，即需要各學(xué)科的老師共同承擔(dān)計(jì)算思維的教學(xué)任務(wù)。但是，目前的實(shí)際情況是，一方面信息技術(shù)專(zhuān)任老師短缺，另一方面是非信息技術(shù)教師的信息技術(shù)素養(yǎng)偏低。因此，一方面，國(guó)家要在師范院校繼續(xù)大力培養(yǎng)信息技術(shù)教師；另一方面，教育主管部門(mén)需要制定政策，將計(jì)算思維的學(xué)習(xí)作為教師職業(yè)發(fā)展的一部分，有計(jì)劃分批次培訓(xùn)現(xiàn)有小學(xué)教師，切實(shí)提高他們的信息技術(shù)素養(yǎng)。

結(jié)語(yǔ)

在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，計(jì)算思維方式的培養(yǎng)已經(jīng)貫穿到小學(xué)教育的日常教學(xué)活動(dòng)中，并已經(jīng)形成了操作性強(qiáng)的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。我們國(guó)家在這方面還處于起步階段，有關(guān)小學(xué)教育中培養(yǎng)計(jì)算思維能力的研究和探討工作有待進(jìn)一步展開(kāi)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]汪瓊,陳瑞江,劉娜,李文超.STaR評(píng)估與教育信息化研究[J].開(kāi)放教育研究,2004(4)：10-14.

[3]Operational Definition of Computational Thinking for k-12 Education[EB/OL].[2012-04-15].http：//www. iste.org/Libraries/PDFs/Operational_Definition_of_ Computational_Thinking.sflb.ashx.

[4]徐曉東,喬世偉.計(jì)算思維：從小學(xué)至高中《信息技術(shù)》教育的新目標(biāo)[J].教育信息技術(shù),2015(5)：3-8.

The Cultivation of Computing Thinking in Primary Education

TANG Xi-weia,HU Qiu-lingb

(a.School ofInformational Engineering;b.Library,Hunan First Normal University,Changsha,Hunan 410205)

Computing thinking is the basic skill for citizens in information society.However,the cultivation of computing thinking is not paid attention to in primary and secondary schools.Three aspects are very important for the cultivation of computing thinking for primary students,including cultivating the students computing thinking awareness,regulating the standard and improving the teachers’information technology level.

computing thinking;primary education;instruction;case

G622

A

1674-831X（2017）02-0023-04

[責(zé)任編輯：胡 偉]

2016-12-10

基礎(chǔ)教育信息化技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2015TP1017）；湖南省教學(xué)改革研究項(xiàng)目（湘教通〔2015〕118號(hào)）

湯?，|（1973-），男，湖南安鄉(xiāng)人，湖南第一師范學(xué)院副教授，博士，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究；胡秋玲（1976-），女，湖南常德人，湖南第一師范學(xué)院館員。