计算思维训练

计算思维训练——润物于无声处，潜移于默化中小学信息技术教学中培养学生计算思维的实践与思考【摘要】随着信息技术的高速发展，各种技术手段与人们日常生活的关系正在越来越密切，计算思维也正在逐步走出计算机科学的范畴，走进人们的生活。信息时代里，计算思维将会是每一个人都需要具备的普遍技能。小学阶段，引入计算思维能力的培养已经成为信息技术教育的一个重要趋势。本文通过分析计算思维的发展趋势，阐述小学阶段引入计算思维训练的必要性，并结合实践总结出计算思维训练在小学信息技术课程中开展的可行模式：润“技”，怎样做；润“理”，为什么这样做；润“境”，如何做得更好。分层次推进，润物于无声处，潜移于默化中。信息化社会里，技术的高速发展，不但改变着人们的生活方式，也在影响着人们的认知方式和思维方式。利用计算机或其它数字化终端工具去处理学习、工作、生活中的事务是每一个信息时代公民所须具备的能力。对于信息技术教师来讲，信息技术教育也不能只着眼于技术的教育，更应该重视发展学生利用所学技术去解决实际问题的能力，促进学生学科思维的发展。正如恩格斯所说：“每个时代的理论思维，包括我们时代的理论思维，都是历史的产物，在不同的时代有着非常不同的形式，因此有着非常不同的内容。”可以说，信息时代赋予了计算思维的不同形式和内容。一』计算思维的概念界定与特征分析计算思维的概念对于我们来说，是一个“舶来品”，为了更好地了解计算思维的概念和内涵，笔者对计算思维的相关研究和发展的文献进行了简要的梳理：1996年，美国麻省理工学院MIT)的SeymourPapert教授最早提出了“计算思维”的概念。2006年，美国卡内基•梅隆大学周以真教授对计算思维的概念进行了界定：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。周教授对计算思维的界定让计算思维逐渐走向了前台。2011年，美国国际教育技术协会(ISTE)联合计算机科学教师协会(CSTA)基于计算思维的表现性特征，给出了一个操作性定义：计算思维是一种解决问题的过程，该过程包括明确问题、分析数据、抽象、设计算法、评估最优方案、迁移解决方法六个要素2。2011年，美国国家科学基金会启动了CE21计划，目的是提高K-14(中小学阶段到大学一、二年级)老师与学生的计算思维能力。国家科学基金会希望通过这项计划，使人们在科学和工程以及社会和经济技术方面的思维模式发生根本性的变化，为美国创造更多的新财富，并最终改善美国人民的生活质量。2012年3月，英国教育部终止了原有的ECT国家课程标准，并于2013年9月公布了全新的以计算思维为核心的计算课程学习计划。2013年，中科院自动化研究所王飞跃教授认为，“计算思维是一种以抽象、算法和规模为特征的解决问题之思维方式。广义而言，计算思维是基于可计算的手段，以定量化的方式进行的思维过程狭义而言，计算思维是数据驱动的思维过程”12014年2月，美国CollegeBoard发布了新版的计算机科学原理课程框架，课程主要是为高中生设计的，重点是计算思维的实践和一些核心概念。2017年，美国纽约市教育局宣布，2017-2018学年增设12所小学参加初级软件工程项目(SEPjr)。通过计算机和“不插电”活动一一如基于块编码、机器人等学习基本的计算机科学概念。研究认为，通过计算机科学教育，可以培养学生计算思维、创造力和批判性思维2。通过对文献的梳理发现：(1)对于计算思维概念的定义，虽然周以真教授提出的界定在计算思维的推广中起到了很大的作用，但是人们对于计算思维的理解依然存在着一定的差异性，究其原因可以发现这主要是由于分析的图1.计算思维问题求解模型角度和侧重点不同造成的。笔者认为，如果从问题求解的角度去建立模型(图1)，并以此来界定“计算思维”的概念是一种比较形象的方式，正如2017年教育部出台的《普通高中信息技术课程标准》中对于计算思维的描述是这样的：计算思维是指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的过程中产生的一系列思维活动。具备计算思维的学生，在信息活动中能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立模型结构、合理组织数据；通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案；总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决中。概括起来可以总结出计算思维的特征：它是人的一种技能，是抽象思维，是个体思想的体现，它不同于程序思维，不是机器的思维，更不是人造的思维模式。(2)通过对美国、英国的国家教育主管部门制定的行动计划可以发现，它们都已认识到传统以技术培训为目标的信息技术课程已经不能适应信息化时代高速发展的需求，将计算思维的训练加入到中小学的教学内容之中，并且注重了对中小学信息技术教师队伍的建设力度。学生学习信息技术课程不再是单纯的为了掌握操作的技术，而是以项目式学习为引导，通过使用所学技术去解决实际问题的能力，通过项目实践、操作的过程学会一种思维的方式，也就是计算思维，这对于学生适应信息化社会的生活方式是非常有益的。同时，这也是时代赋予我们每一名信息技术教师的重要使命。『二』计算思维培养的价值与意义显而易见，信息技术对现代社会的影响是巨大的，信息化时代里信息技术正在以其它技术从未有过的速度正在迅速向前发展，与以往的技术相比，信息技术介入当今社会的宽度和广度都是巨大的。作为信息技术学科的“核心素养”——计算思维的培养无疑具有重要的价值与意义。时代价值，计算思维是信息时代的“普世”技能互联网+、大数据、云计算、物联网、智慧城市、智慧教育等新技术的广泛推广，都在对人类的工作和生活带来巨大的改变，影响着人们的思维的方式和解决的问题的方法。数据与计算无处不在，充斥在我们每一个人的身边，在这样的时代里，计算思维的应该是每一个公民都应具备的素质与能力之一，就像阅读、计算、上网一样，如果在信息时代不能掌握这样的能力，那么就很容易被时代所抛弃。我们也可以将这一价值看做是计算思维的学科价值体现。图2中小学Th计算思维培养与信息化工具应用技能培养之间的关系教育价值，计算思维对学生的成长具有重要意义计算思维的教育价值不仅体现在计算思维可以帮助学生更快、更高效地掌握和使用信息化工具进行学习，对学习的正向推动作用，还体现在计算思维对学生全面发展的正向助推，而且随着学生的成长，这样的作用会越来越得到体现（图2）。（1）培养计算思维有利于提高学生的问题解决能力。计算思维教育是在解决问题的过程中进行的。随着学生年龄的增长，运用计算思维解决问题的能力趋于成熟，不同阶段的学生需要采取不同的活动方式。计算思维是项目化学习的一种思维方式，要求学生不仅要学会外在操作，还要学会抽象、分解、控制任务的实施；不仅要掌握解决问题的步骤，还要发展交互性思维，寻求自动化问题解决方案的过程。这样的思维方式形成对于学生其它学科的学习无疑具有重要的帮助作用。（2）培养计算思维有利于提高学生的创新能力。计算思维具有强大的创新能力，其主要体现在“计算思维问题求解模型”（见本文图1）中“界定问题、分析问题、解决问题、形成方案”四个环节中的每一个环节都需要学生去发现、去想象和创造，计算思维是分析性思维、创造性思维和实用性思维的综合体现。可以说培养计算思维的最高目标就是为了提高学生的创新能力，而创新能力正是民族进步的灵魂、经济竞争的核心。计算思维的时代价值和教育价值，让它正在走出计算机科学乃至自然科学领域，向社会科学领域拓展，显现为一种新的具有广泛意义的思想方法，并形成了丰厚的思想内涵1。『三』计算思维培养的途径与实践小学阶段计算思维的培养，说到底最终要落实到信息技术的课堂教学当中。传统的信息技术课堂注重的技术的训练，对于思维的训练提的相对较少，如果僵硬地将思维训练硬套在信息技术课堂上，学生难以接受，教师处理起来也会觉得索然无味。如何在信息技术课堂教学中培养学生的计算思维能力？我认为抓住一个“润”字或许是一个不错的方法——润物于无声处，潜移于默化中。将信息世界中的物作为对象去处理，用关系和动态的视野去观察对象的存在方式，分析对象之间的关系与结构，在虚拟环境中去管理和处置对象。简而言之，分三个层次推进：润“技”，怎样做；润“理”，为什么这样做；润“境”，如何做得更好1。.润“技”：怎样用技术完成操作？技能目标是信息技术课程的基础目标，也可以看作是信息技术课堂教学的底层目标，这一块内容是传统信息技术课堂上的重点内容。在这里，我们依然可以沿用传统信息技术课上的处理办法，比如以任务驱动、问题导学的方式，让学生通过教师引导、分组协作，完成教师规定的任务内容。比如《在WORD中插入图片》一节内容，引导学生将指定的图片插入到文档之中，并且根据情况调整好图片的位置和大小即完成了教学的技能要求。在这一过程当中，我们可以采取任务驱动，教学支架等形式来完成，根据需要将作品素材和半成品文档发送给学生，引导学生借助学案小组合作完成自学，并汇报小组内完成的结果。对于传统的信息技术课堂来说，到这里，教学的目标已经达成了80%以上了，达到了“润,渍也。”的效果，那么剩下的那部分目标我们该去做点什么呢？如果从计算思维训练的角度去思考，我们还可以做点什么呢？信息技术作文一门技术课程，“技术”的学习是课程教学的重要组成部分，但是在教学中切忌为了教“技术”而教“技术”，将信息技术课做成了技术讲解课、软件产品说明课。我们不但要让学生通过学习，掌握技术的使用方法，还要让学生明白怎样选择合适的技术去解决实际的问题。2.润“理”：为什么要这样用技术处理？达成了上一步的教学目标之后，我们有时候会让学生去思考这样的问题“你觉得图片放在哪里更好看一些？你觉得图片的大小和文字的环绕位置怎样调整会看起来更舒服一些呢？……”抛给学生这样的几个拓展问题，让学有余力的学生能够继续进行创作，既实现了分层教学，又达成了课堂拓展的教学目标。其实从这一步开始，我们已经开始渗透对学生计算思维的训练了。通过让学生去自主观察，思考已经完成的文档作品，通过“发现问题——抽象问题——建立模型——分析问题——寻求解决问题的办法”几个步骤，在无意间采用计算思维的模式去思索解决问题的方法。在技术教学的基础上，让学生明白在什么时机选用什么样的技术手段去操作，为什么要这样去处理。或许从学生角度去看，可以为理“解让作品看起来更美观”、“让作品看起来更规范”、“让文本和图片的混排显得更协调”，从审美的角度来重新审视练习的作品，并寻求作品创作品质提升的空间，实现了“润,饰也。”的效果。那么，一节作品的创作课到这里是否已经完美的接近尾声了呢？诚然，在这个步骤上，让学生拓展练习一下，并且分享、互评一下创作的作品，这已经是一节比较优秀的课堂设计了，那么如果从计算思维训练的角度来看，是否还有提升的空间呢？润“境”：如何去做得更好？如果从计算思维训练的角度去审视这样一节课的设计，其实还是有提升的空间的。比如对于这样一节课来讲，我们可以引导学生在达成审美视觉调整的基础上思考这样的问题“如果结合文字的内容来考虑，你觉得怎样做可以让作品的表现力更强一些呢？”，引导从图文内容表达、呈现的角度去考虑。这个时候，学生可能会想到一些解决的途径，比如：在文档中再插入多张图片，并调整多张图片之间的位置，增强文档的表现力；为文档添加背景图、花边，增加文档的视觉效果，更容易引起观众的注意力；结合文档的内容，选择与文字所表达的内容最贴近的图片放在文档之中，并根据需要，适当根据图片与主题相关度调整图片的大小、位置，为图片添加修饰，增强作品的表现力……这样的训练，正是计算思维训练的初衷，放飞学生的想象力与创造力，根据需要去选择合适的技术手段完成作品的创作，也是项目学习的设计理念。更重要的是，学生通过这样一次作品的创作过程可，以形成自己的“解决方案”，并很容易就能将“方案”转移到其它信息课创作练习之中，解决实际的应用问题。『四』计算思维培养的困境与反思生活在高度信息化的社会环境中，信息化工具的使用已经成为每个人的基本技能。随着技术的不断进步，每一位的信息时代的数字公民都有必要不断