李偉 李澤 深圳點貓科技有限公司教學教研中心

李冰 深圳大學師范學院

夏立 深圳職業(yè)技術學院商務外語學院

● 引言

近年來，美國、英國、新加坡、以色列、日本等國家相繼將計算思維納入計算機科學課程的培養(yǎng)目標?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準（2017年版）》也將計算思維作為信息技術課程的學科核心素養(yǎng)之一。在智能時代背景下，計算思維已經(jīng)成為一種既符合個人發(fā)展需要又呼應社會發(fā)展需要的核心素養(yǎng)。

● 計算思維與計算思維實踐

按照周以真的定義，計算思維是在表述問題及其解決方案時所涉及的思維過程，確保解決方案的表征形式可被信息處理代理有效執(zhí)行。盡管該定義對計算思維的內(nèi)涵給出了確切的解釋，但對于計算思維的范圍和本質，不同學者并未形成一致意見。為了進一步澄清計算思維的內(nèi)容，許多學者嘗試將計算思維拆解成多個核心要素，但是這些清單式定義都存在系統(tǒng)性不足的問題——只識別出一些關鍵的計算思維要素，沒有揭示整體的計算問題解決過程。因此，基于對計算問題解決過程的分析，筆者構建了一個以實踐為導向的計算思維框架（如圖1）。

圖1

● 計算思維實踐的學習進階

由于每個計算思維實踐描述的都是一種復雜的能力，因此在實踐中落地這些培養(yǎng)目標時，仍然有很大的困難。為了更好地描繪出學習者的計算思維進階過程，筆者從科學教育領域借鑒了一個概念性工具——學習進階。學習進階描述的是隨著兒童在廣泛的時間跨度內(nèi)學習和研究一個主題，對該主題的思考方式逐漸復雜化的過程。筆者將每個計算思維實踐作為一個“進階變量”，為它們分別設計了包含4個水平的學習進階，最終形成了一個計算思維實踐學習進階框架。該框架可以作為計算思維教育研究者和實踐者研發(fā)課程內(nèi)容和評測工具以及設計教學活動的參照依據(jù)。

計算思維實踐1：問題定義

現(xiàn)實世界的問題都是存在于情境之中的，是模糊的、未被澄清的。明確問題是什么并以清晰的語言表述問題是問題解決過程中最關鍵的一步。

水平1-1：識別出已通過計算手段解決的問題；水平2-1：提出澄清性的問題，以了解一個問題的準確目標和具體要求；水平3-1：識別出與問題相關的顯性的或隱性的要求和限制，分析它們對問題解決過程和作品創(chuàng)造過程的影響；水平4-1：識別出現(xiàn)實情境中可以應用計算手段解決問題的機會，將其轉化成計算問題，以計算機可以處理的方式明確地表述問題。

計算思維實踐2：問題分解

問題分解是計算領域中極為常用的一種問題解決策略，常見的問題分解方式包括按照結構、功能、順序和依賴進行分解。

水平1-1：按照結構將問題分解成可以獨立解決的子問題；水平1-2：按照流程將解決問題的過程分解成多個有序的步驟；水平2-1：按照系統(tǒng)的功能組織和依賴關系將問題分解成可以獨立實現(xiàn)的子部分；水平3-1：將復雜問題進行多層次分解，先分解成子問題，然后對復雜的子問題做進一步分解，使其更加易于處理；水平4-1：從多個維度對復雜問題進行分解，并評估每個分解方案對于理解問題和解決問題的有效性。

計算思維實踐3：數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)視角是一種新的理解問題的方式。從教學實踐來看，對數(shù)據(jù)能力的培養(yǎng)往往都是先從問題調查中的數(shù)據(jù)收集和構建開始，而后使用相應的統(tǒng)計學和概率學的理論，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律并生成結論，最后再使用可視化的方式將數(shù)據(jù)結論表達出來。

水平1-1：使用計算設備和工具收集、存儲和管理數(shù)據(jù)；水平1-2：用多種可視化形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)；水平2-1：用不同的方式分類、組織和處理數(shù)據(jù)，以強調數(shù)據(jù)集的特定方面或部分；水平2-2：從數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)中識別模式，并做出預測；水平3-1：使用合適的方法并對數(shù)據(jù)進行處理或轉換，使其更加有用和可靠；水平3-2：使用數(shù)據(jù)來強調關系，預測結果或支持一項主張；水平4-1：根據(jù)計算模型的預測結果和實際收集到的數(shù)據(jù)來優(yōu)化已建構的模型。

計算思維實踐4：抽象建模

模型能夠幫助人們深化對現(xiàn)實世界的理解。建構有效模型的關鍵在于理解模型與其所表示的現(xiàn)象之間的關系，包括闡述模型與現(xiàn)象之間的異同，提出影響其有效性的因素，以及識別模型所隱含的內(nèi)在假設。

水平1-1：通過繪圖或者創(chuàng)作計算作品來模擬生活中或自然中的常見現(xiàn)象；水平2-1：創(chuàng)建明確命名的變量來存儲簡單類型的數(shù)據(jù)，根據(jù)功能需求對數(shù)據(jù)進行操作；水平2-2：識別具有相同屬性和行為的對象，通過克隆等面向對象機制來進行建模；水平2-3：使用簡單數(shù)學語言和模型，描述程序中的數(shù)學關系；水平3-1：根據(jù)情境設計合理的數(shù)據(jù)結構來存儲數(shù)據(jù)，根據(jù)功能需求對數(shù)據(jù)進行操作；水平3-2：根據(jù)問題情境，選用合適的數(shù)學模型來設計解決方案；水平4-1：從類似的現(xiàn)象、過程或者代碼中提取共同特征，對差異部分進行參數(shù)化，并通過帶參函數(shù)進行封裝，形成可復用的模塊。

計算思維實踐5：算法設計

算法是完成特定任務的一系列自動化步驟，是呈現(xiàn)問題解決方案的邏輯和有序指令。通過計算機科學和技術的應用，算法已經(jīng)深刻地嵌入到現(xiàn)實世界中。

水平1-1：使用自然語言、簡單符號等設計和表達順序結構的算法；水平1-2：識別重復的現(xiàn)象、過程、模式等，并使用循環(huán)結構設計和表達算法；水平2-1：針對同一問題，發(fā)散思考，設計出多種可行的備選算法；水平2-2：組合使用順序結構、循環(huán)結構和條件選擇結構來設計并表達算法；水平3-1：使用流程圖或者偽代碼設計和表達相對復雜的算法；水平3-2：嵌套使用多種控制結構或組合使用多個判斷條件來設計并表達算法；水平4-1：對同一問題的多種算法進行比較，從效率、準確性、可讀性等角度評估算法的優(yōu)劣。

計算思維實踐6：系統(tǒng)思考

計算作品是一個復雜的系統(tǒng)，它是由相互聯(lián)系、相互作用的元素為完成特定目標而組成的整體，因此學習者應該以系統(tǒng)化的方式對計算作品進行思考和設計。

水平1-1：將系統(tǒng)作為一個黑盒，定義和測量系統(tǒng)的輸入和輸出；水平2-1：識別一個系統(tǒng)的組成元素，闡明它們的行為，并解釋元素之間的相互作用如何產(chǎn)生系統(tǒng)的特征行為；水平3-1：識別系統(tǒng)中涉及的狀態(tài)量，準確設置系統(tǒng)的初始狀態(tài)；水平3-2：分析并用自然語言、狀態(tài)圖等描述系統(tǒng)中的狀態(tài)轉換過程；水平4-1：運用模塊化和層次化思想設計系統(tǒng)，以降低耦合性，提高內(nèi)聚性，控制系統(tǒng)復雜度；水平4-2：以一種有用和有成效的方式來定義一個系統(tǒng)的邊界，創(chuàng)建一個包括所有必要元素的系統(tǒng)，能夠完成預期目標。

計算思維實踐7：作品創(chuàng)造

在問題解決的過程中，設計出解決方案并不是最終步驟，還需借助計算工具將既有方案加以實現(xiàn)，創(chuàng)造出有個人意義和社會意義的作品。

水平1-1：基于既有設計方案，實現(xiàn)計算作品；水平1-2：根據(jù)具體的期望效果、功能要求或者需求描述，實現(xiàn)計算作品；水平2-1：根據(jù)個人興趣，創(chuàng)造計算作品；水平2-2：通過改編現(xiàn)有程序的某些部分，以開發(fā)新的特性或添加更高級的功能；水平3-1：考慮現(xiàn)實需求，創(chuàng)造能解決具體問題或者對他人有價值的計算作品；水平3-2：評估現(xiàn)有的功能模塊，并將它們納入自己的設計中，以開發(fā)功能更加強大的作品；水平4-1：考慮多類用戶的視角，使用系統(tǒng)的設計過程，創(chuàng)造出能解決社會性問題的計算作品。

計算思維實踐8：實驗迭代

迭代是軟件領域的一種重要的項目開發(fā)思想。先通過低成本的方式開發(fā)出最小可行產(chǎn)品以驗證想法和收集反饋，然后通過不斷迭代優(yōu)化的方式完善產(chǎn)品以適應新的需求。

水平1-1：以小步實驗、逐步添加功能的方式創(chuàng)作計算作品；水平2-1：發(fā)現(xiàn)計算作品中的不足，對其進行迭代優(yōu)化，修復存在的問題，完善其功能，優(yōu)化其性能以及提升其可靠性；水平3-1：結合團隊成員和不同用戶的反饋，不斷迭代完善計算作品，以滿足用戶需求；水平4-1：對需求進行分級，優(yōu)先實現(xiàn)核心功能，并在此基礎上逐步迭代完善計算作品。

計算思維實踐9：計劃制訂

解決計算問題以及設計和創(chuàng)作計算作品是一個復雜的過程，為了確保項目過程不會偏離目標，通常需要在具體執(zhí)行之前做出合理的計劃。

水平1-1：用圖示或者語言概述項目的開發(fā)步驟；水平2-1：制訂計劃，明確項目的目標和預期結果，清晰描述具體的開發(fā)步驟；水平3-1：評估計劃的可行性，明確關鍵功能和需求，考慮時間和資源限制；水平4-1：基于迭代思想來制訂開發(fā)計劃，管理執(zhí)行過程，根據(jù)實際情況修改計劃以適應最終目標。

計算思維實踐10：作品分析

作品分析是指從整體效果和實現(xiàn)機制等方面分析既有作品，或從外觀和交互、需求滿足程度和系統(tǒng)設計質量等方面去評估計算作品。

水平1-1：解釋代碼片段如何工作，分析代碼片段或整個程序的運行結果；水平2-1：從外觀界面和交互方式等方面評估計算作品；水平3-1：評估計算作品是否符合目標用戶需求；水平4-1：將計算作品看作一個系統(tǒng)，從模塊化和層次化等角度評估系統(tǒng)設計的質量。

計算思維實踐11：測試調試

測試調試分為兩個方面：測試和調試。測試即通過設計測試用例，系統(tǒng)性地對計算作品進行測試以發(fā)現(xiàn)其中的問題；調試即運用合適的策略定位并修復問題。

水平1-1：通過比較實際效果與期望結果，識別出異常效果，并修復計算作品中的問題；水平2-1：考慮計算作品中常見的潛在錯誤，并設計測試用例來進行測試；水平2-2：通過逐步運行和分析程序，定位并修復計算作品中非直觀的邏輯問題；水平3-1：通過復現(xiàn)問題出現(xiàn)的條件和過程，定位并修復計算作品中的在特定情況下才會出現(xiàn)的問題；水平4-1：根據(jù)出現(xiàn)問題的具體情況，選擇合適的策略來定位和修復問題。

計算思維實踐12：評論反饋

編程不僅是一項個人的創(chuàng)造性活動，更是一種社會性的實踐。學生在社群環(huán)境中創(chuàng)造并分享計算作品是一種重要的社會化學習途徑。

水平1-1：以友好和尊重的方式評論他人的作品；水平2-1：為他人提供建設性的建議，表達具體，且能清晰地組織信息；水平3-1：以改善計算作品為目的，尋求多位同伴的反饋，并能區(qū)分意見；水平4-1：以改善計算作品為目的，從多種環(huán)境或者渠道尋求不同視角的反饋建議。

● 學習進階的應用

計算思維實踐學習進階框架是培養(yǎng)計算思維的目標體系，它可用于課程大綱規(guī)劃和表現(xiàn)性任務設計。在課程大綱規(guī)劃時，設計者能夠根據(jù)學習內(nèi)容的特點規(guī)劃各單元的計算思維實踐能力目標。圖2展示了某個四單元的計算思維實踐地圖，它使得教學設計和教學評價都有了清晰的思維目標方向。

圖2

在設計表現(xiàn)性任務時，設計者能夠以本單元的計算思維實踐目標為主要依據(jù)。例如，圍繞第三單元的思維目標設計的表現(xiàn)性任務是：請你為圖3所示的掃地機器人設計算法，確保它能夠自動清理地板上的所有垃圾。圖4展示了一種可能的算法和基于某圖形化編程語言編寫的算法實現(xiàn)程序。

圖3

圖4

● 總結與展望

本研究在計算思維實踐框架的基礎上進一步澄清了每個計算思維實踐的內(nèi)涵，并為它們設計了包含4個水平的學習進階。但是目前該學習進階框架還只是一個基于理論假設的學習進階，未來筆者將基于該進階框架研發(fā)計算思維評測工具并通過實證研究來驗證其水平區(qū)分度和進階合理性，持續(xù)修訂框架，最終使其與學習者客觀的計算思維進階過程達成一致。