学习电脑信息谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性

Page8谈计算思维进入中小学信息技术教化的必要性和可能性数字土著何以可能？——也谈计算思维进入中小学信息技术教化的必要性和可能性任友群1，隋丰蔚2，李锋3(1.华东师范高校课程与教学探讨所，上海

200062；2.华东师范高校教化信息技术学系，上海200062;3.华东师范高校开放教化学院，上海

200062)摘要：随着现实世界与虚拟世界的不断融合，数字化和计算化渐渐演化成为现代社会的基本形态特征，计算思维的作用和意义越来越突出，成为区分数字土著的重要标准，受到计算机和教化领域的广泛关注。该文通过梳理国内外学术前沿成果，分析国际基础教化改革趋势，阐述了计算思维进入中小学信息技术教化的必要性，并结合计算思维的内在特征和我国信息技术教化现状，归纳总结出计算思维教化在中小学信息技术课程落实的可行取径及与之一样的实力评估方法。关键词：数字土著；计算思维；中小学信息技术课程中图分类号：G434

文献标识码：A一、数字土著的到来现代科学的形成与发展不断变更着人们的生活方式，也渐渐转变着人们的认知结构与思维特征。利用计算机等数字工具拓展人类思维、处理问题事务是信息时代“数字移民”(DigitalImmigrants)日常工作和生活中不行或缺的一部分，更是伴随数字技术成长起来的“数字土著”(DigitalNatives)最为习惯的生存方式。2001年，美国Games2train公司CEOMarcPrensky首次提出数字土著的概念，界定其为在数字时代诞生、成长起来的一代人[1]。北京师范高校余胜泉教授进一步剖析数字土著的基本特征是在丰富的信息技术环境中成长，对新技术的习得更具优势，并擅长利用技术促进学习[2]。但是探讨结果表明，并非全部的数字土著都对技术有着天生的实力，他们运用技术的方式、方法和娴熟程度也存在着显著差异[3]。而那些仅停留在应用网络消遣和社交的下一代其实是没有资格成为数字土著的。数字技术无处不在，特殊是随着物联网、云计算、人工智能等技术的快速发展和普及，现实世界与虚拟世界不断渗透融合，计算优势在许多行业领域都显示出变革性的意义。为了适应计算强度日益增加的信息社会，更好地相识和改造世界，人们就有必要深化地感知生活中的计算，理解计算机科学的基本学问。然而，由于多年来计算机科学在基础教化课程中的呈现核心内容并不稳定，或偏向于程序设计语言、或偏向于技术工具应用，许多人对计算的理解还停留于数值计算和工具操作层面，很少有机会能体验到计算机处理非数值型数据的过程和方法，获得对计算的基本理解，亦难以形成基于这种理解的计算思维方式。基于此，又何以能培育出合格的数字土著、抑或数字公民。2005年6

月，美国总统信息技术询问委员会(President'sInformationTechnologyAdvisoryCommittee，PITAC)在探讨报告《计算科学：确保美国竞争力》(ComputationalScience:EnsuringAmerica'sCompetitiveness)中提出，21世纪科学上最重要的、经济上最有前途的探讨前沿都有可能通过先进的计算科学与技术解决，应将计算科学长期置于国家科学与技术领域的中心地位[4]。计算科学的重要性与日俱增，学生对计算学科的爱好却不断下降，这一冲突引起了美国政府及相关部门的留意。2005年底至2006年初，美国国家科学基金会(NationalScienceFoundation，NSF)组织计算教化与科学相关领域专家深化探讨、分析了计算教化面临的诸多问题和挑战，如提高计算教化质量，增加学科连结，满意企业人才需求等，提出全面改革美国计算教化、强化训练中小学生抽象思维和写作实力的建议[5-7]。为满意国家信息化建设需求，吸引学科人才，激发人们探究计算领域的爱好，2006年，卡内基梅隆高校周以真教授(JeannetteM.Wing)明确提出计算思维的概念，“计算思维是一种运用计算机科学基本概念求解问题，设计系统和理解人类行为的方式，涵盖了计算机科学领域广度的一系列思维工具”[8]。2010年，她再次补充定义计算思维是一种解决问题的思维过程，能够清楚、抽象地将问题和解决方案用信息处理代理(机器，或人)所能有效执行的方式表述出来[9]。计算思维能够反映计算机科学的核心概念与思想，但它并不仅仅适用于计算机科学领域。作为一种解决问题的方法，计算思维可以供应一种能够广泛应用于工作、学习和生活中的组织和分析问题的新视角；同时，它可以连结计算机科学与其他学科学问领域，提高人们对计算实力和局限性的理解。计算思维淡化专业方法实现，强调运用计算概念、方法解决问题的思维过程，面对更广范围的需求，是帮助人们理解计算本质和计算机求解问题核心思想的最佳途径，亦是数字公民的一项核心素养。因此，我们认为，数字土著不是天生的，只有那些理解数字社会运作过程，理解计算本质的下一代才是真正的数字土著。21世纪是学问经济与信息技术高速发展的时代，随着数字化进程的不断推动，社会信息化程度进一步提高，计算思维的应用越来越广泛，必需像“阅读，写作，算术”一样普及，成为每个合格公民的必备素养。二、计算思维的特征笔者将近5年来相关探讨机构和学术专家对计算思维的探讨进行了梳理：2011年，美国国际教化技术协会(InternationalSocietyforTechnologyinEducation，ISTE)联合计算机科学老师协会(ComputerScienceTeachersAssociation，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”[10]。2012年，英国学校计算课程工作小组(ComputingatSchoolWorkingGroup，CAS)在探讨报告中阐述：计算思维是识别计算，应用计算工具和技术理解人工信息系统和自然信息系统的过程，是逻辑实力、算法实力、递归实力和抽象实力的综合体现[11]。2013年，南安普顿高校JohnWoollard探讨员在“计算机科学教化创新与技术”(ITiCSE)会议报告中提出计算思维“是一项活动，通常以产品为导向，与问题解决相关(但不限于问题解决)。它是一个认知或思维过程，能够反映人们的抽象实力、分解实力、算法实力、评估实力和概括实力，其基本特征包括思维过程，抽象和分解”[12]。中国科学院自动化探讨所王飞跃教授认为，“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”[13]。分析上述定义，它们都强调了计算思维解决问题的实力特征。但是，分析维度又有所不同，ISTE和CSTA探讨机构从可操作层面分析了计算思维解决问题的过程；CAS探讨小组和JohnWoollard重点阐述了计算思维的人机交互特点和综合实力体现；王飞跃则整体概括了计算思维的基本特征和表现形式。综合已有的探讨成果，我们可以这样理解：计算思维是一种独特的解决问题的过程，反映出计算机科学的基本思想方法。通过计算思维人们可以更好地理解和分析困难问题，形成具有形式化、模块化、自动化、系统化等计算特征的问题解决方案。它主要包括以下特征：(1)采纳抽象和分解的方法形式化困难问题，建立结构模型，形成更加高效、可执行的解决方案；(2)运用计算机学科基本概念与工具方法推断、分析、综合各种信息资源，强调个体与信息系统的交互思索过程；(3)是一种独特的问题解决实力组合，融合设计、算法、批判、分析等多种思维工具，综合运用可以形成系统化的问题解决方案。三、国外基础教化改革对计算思维的引入信息技术环境的变迁与学生素养的提高，对中小学信息技术教化提出了挑战，各国政府纷纷推出基础教化改革政策，以适应信息时代社会与人类自身发展的须要。2007年，美国“21世纪技能合作组织”(Partnershipfor21stCenturySkills，P21)整合21世纪学习者应具备的基本技能，制定了“21世纪技能框架”(Frameworkfor21stCenturyLearning)，阐明培育学生数字素养在现代社会的重要性[14]。2011年，CSTA发布《美国中小学计算机科学标准》(K-12ComputerScienceStandards)，提出一个完整的计算机教化框架[15]。该框架将计算思维、计算实践和编程纳入学科基本主线，帮助学生拓宽计算视野，理解计算机科学的基本原理和方法。NSF、ISTE、美国国家科学探讨委员会(NationalResearchCouncil，NRC)、CSTA计算思维工作小组(CSTAComputationalThinkingTaskForce)等多个探讨机构对计算思维绽开探究探讨，为计算思维教化及推广供应资源和工具支持。2012年1月11日，英国教化部长MichaelGove在教化培训与技术展会(BritishEducationalTrainingandTechnologyShow，BETT)上宣布将对英国中小学计算机教化绽开全面改革。2012年3月，CAS(ComputingatSchoolWorkingGroup,CAS)提出将计算思维作为“学校计算机和信息技术课程”的一项关键内容[16]。2013年2月，英国教化部针对计算课程标准草案公开征询看法，统计结果显示，39%的反馈者表示支持将ICT更名为Computing，26%的反馈者不确定，35%的反馈者则表示坚决反对[17]。针对各界的指责建议，英国教化部进一步修改草案，于2013年9月11日正式颁布《国家课程：计算课程学习安排》(NationalCurriculuminEngland:ComputingProgrammesofStudy)。该安排重新定义ICT，明确界定了计算机科学、信息技术与数字素养的领域范围，强调计算机科学的重要性，并阐述计算课程的课程目标是引导学生理解和应用计算机科学的基本原理和概念；运用计算术语分析问题，具备编写计算机程序求解问题的实践阅历；评价和运用信息技术；成为有责任、有实力、有自信、有创建力的ICT运用者[18]。2024年6月，CAS深化分析计算思维的定义、核心概念、教学方法和评估框架，研制出计算思维培育框架，为中小学计算思维教化的开展供应指导作用[19]。2009年，新西兰教化部公布“技术背景学问和技能”(TechnologicalContextKnowledgeandSkills)安排，提出包括“编程与计算机科学”在内的五项数字技术核心培育内容，该安排于2011年起先在中学课程中实施[20]。2012年，澳大利亚课程、评估与报告管理局(AustralianCurriculum,AssessmentandReportingAuthority,ACARA)发布“中小学技术学科课程框架”(TheShapeoftheAustralianCurriculum:Technologies)[21]，将数字素养纳入学生基本实力要求，框架明确指出数字技术课程的核心内容是应用数字系统、信息和计算思维创建特定需求的解决方案。2024年4月，新加坡政府推动Code@SG运动[22]，旨在发展全民计算思维。可以看出，英国、美国等国家均已相识到技术应用取向信息技术课程的落后性，起先主动推动项目安排，将“计算科学”纳入中小学学科体系。数字素养与计算思维实力培育成为中小学信息技术教化的新趋势。四、计算思维进入中小学信息技术教化的必要性随着真实世界与虛拟世界的不断融合，数字化和计算化渐渐演化成为现代社会的基本形态特征。数字化社会对公民的基本素养提出了更高的要求，相较于早期的信息素养(InformationLiteracy)，近年来，欧美发达国家更倾向于运用“DigitalCompetence”(我们暂且翻译为数字素养)一词，以凸显现代信息技术区分于以往信息技术(计算机出现之前广泛运用的电话、广播、电视等模拟通信技术)的数字化本质，“Competence”也更侧重于体现综合性实力与胜任力[23]。为了帮助学生正确地理解信息社会本质特征，创建性地运用信息技术，提升数字素养，成为合格的数字公民，计算思维实力培育成为信息技术教化的新趋势。数字素养不仅包括外在的数字化工具应用实力，也反映着内在的利用计算解决问题的思维过程。其中，数字化工具应用实力体现为人们在工作、就业、学习、休闲以及社会参加中，自信、批判和创新性运用信息技术的实力，强调人们在检索、获得、存储、制作、展示和交换信息的基础上，进行网络交互和合作[24]。计算思维教化也就不能只停留在信息技术工具的运用层面，它更留意引导学生接触计算机科学，理解技术背后的学问和原理，发展学生应用信息技术解决实际问题的实力。由于不同年龄段学生的认知实力不同，信息技术教化的实力培育方式和内容标准也应有所区分。小学阶段适合培育学生的数字化工具应用实力，尝试体验程序限制的自动化技术工具，学习简洁的信息技术学问，培育信息意识；初中阶段在熬炼学生驾驭基本信息技术技能的同时，应留意与生活情境相连结，引导他们接触一些计算机科学概念，将培育方式由形象化、详细化逐步转向抽象化、概念化；中学阶段则应培育学生发觉问题，创建性地思索问题，以及清楚地表达解决方案的实力。从小学到中学，学生认知水平和思维实力不断提高，在适当渐渐降低信息技术教化中数字化工具应用实力培育所占比重的同时，可以适当提高计算思维实力培育所占比重(如下页图1所示)。其教化意义主要表现在：(1)提高学生的信息技术学问与技能水平。在信息化和经济全球化深度融合的社会环境下，信息素养既表现为个人应用信息技术工具和方法处理信息、解决问题的实力，也表现在与他人进行信息合作时必要的计算机科学学问储备，计算思维正是这两种实力的综合体现。(2)提高学生应用信息技术思索问题、解决问题的实力，而不是软件操作技能。现今，信息技术变革快速，各种应用软件层出不穷。若逐一操练工具技能，只会使学生乏累不堪，甚至被技术操控。为了提高学生对数字世界的理解实力，必需引导学生理解技术表象背后相对一样的算法原理，正确地看待技术，批判性地运用技术。(3)提高学生的自主创新实力。通过发展计算思维，支持学生运用一系列的计算概念和方法处理数据，建构模型，创建现实作品，使学生不仅仅作为工具的运用者，也成为工具的创建者。计算思维的作用和意义越来越突出，世界各国纷纷结合国情推出实施方案，确保它在中小学信息教化中落实。美国《中小学计算机科学标准》分阶段设计了计算思维的教学实施方案，建议在K-6年级，将学习内容设计成创建性和探究性活动，嵌入到社会科学、语言艺术、数学和科学课程中；7-9年级，学校可以依据状况开设独立的计算机课程，也可以整合学科内容到其他课程中；10-12年级以必修课的方式达成学习目标。与美国混合式教学不同，英国则实行独立开课模式。自1988年以来，信息技术课程就始终作为英国中小学生的必修课程。为顺应时代发展，该课程先后经验了从信息技术(InformationTechnology，IT)到信息通信技术(InformationandCommunicationTechnology，ICT)，再到计算(Computing)的变革。英国教化部于2024年9月引入新的计算机教学大纲，将课程要求划分为四个阶段：K-2年级，理解算法概念，能够创建和调试简洁的程序等；3-6年级，编程解决实际问题，了解计算机网络，有效运用搜寻技术等；7-9年级，理解几个反映计算思维的关键算法，驾驭1-2门程序设计语言解决计算问题，熟识计算机组成等；10-11年级，培育计算机科学、数字媒体和信息技术的学问、实力和创建力，发展问题分析、解决、设计和计算思维实力等。五、计算思维进入我国中小学信息技术教化的可能性中小学信息技术课程是信息技术教化的基本途径，应当顺应时代趋势，变更过度技术化取向[25]的现状，留意培育学生在信息化环境下解决实际问题的实力，发展学生的技术意识与思维方式。(一)现状分析：中小学计算思维教化开展的软硬件基础2000年以来，我国已经初步形成了以信息技术课程为主干的中小学信息技术教化体系。目前，100%的中学、95%的初中和50%的小学开设了信息技术课程。通过“校校通”工程、“农村中小学现代远程教化工程”等工程项目的实施，中小学信息化基础设施得到持续改善，整体上基本能满意信息技术教化的须要[26]。在师资上，中小学信息技术课师资总量持续增长，生师比逐年下降，城乡差异渐渐缩小。截至2010年底，全国共有小学信息技术专任老师10.8万人，初中信息技术专任老师8.8万人，中学信息技术专任老师3.8万人[27]。2012年教化部中学信息技术课程标准实施状况调研结果显示，中学信息技术老师中具有本科以上学历，计算机、教化技术和数学相关专业教化背景的比例已达到90.9%。学生方面，大多数中学生在小学和初中就学习过信息技术课程，其中高达44.3%的学生认为《信息技术基础》与初中所学内容的重复比例在20%-50%之间。非零起点的中学生占据了较大比例，但是他们对信息技术课程的相识仍多停留在操作层面[28]。信息技术教化硬件条件逐步改善，教研队伍整体素养与实力持续增加，学生信息技术基础不断提升，为计算思维教化在中小学信息技术课程的开展奠定了基础。(二)可行取径：中小学计算思维教化落实的策略方法计算思维是一种运用计算概念和工具解决实际问题的过程(如下页图2所示)。它是一种须要系统培育、熬炼的科学思维方式，分析其特征和我国信息技术教化现状，可以将计算思维从方法习得、工具应用、思维迁移三个层面与中小学信息技术课程融合并落实：其一，方法习得。信息时代，计算方法渗透到了社会生产和生活的方方面面，为了帮助学生更好地理解和适应数字社会环境，信息技术课程的开设就不能只停留在肤浅的信息技能操练上，还须要帮助学生理解计算思维涵盖的一系列计算概念和方法，如递归、抽象、形式化等；引导学生识别隐藏在生活中的“计算”问题；培育学生运用算法思想高效解决问题的实力；熬炼学生运用流程图等工具清楚地表达个人思想等。其二，工具应用。这里的工具是指能够有效帮助人们理解和解决问题的思维工具，而不是用于处理信息的软硬件应用程序。计算思维是一种独特的实力组合，它的强大正是在于运用了多种推理方式，尽而可以完成许多事情的探讨和开发。如分析问题的过程运用到了设计思维，从发觉问题、分析问题到原型迭代，帮助我们更加明确问题需求；解决问题的过程则主要运用了算法思维和批判思维，从而能够形成更加有效、高效的解决方案。信息技术课程应当留意培育学生综合运用多种思维工具解决问题的实力，例如，让学生参加简洁的产品研发实践，体验程序设计的实施过程，直观地感受计算思维。其三，思维迁移。在信息技术课程中，不仅须要普及计算机科学概念，更须要引导学生将计算思维合理地应用至日常生活与学习之中，形成一种思维习惯。计算思维反映了计算机科学领域解决问题的思维过程，迁移到应用信息技术解决实际问题的情境中，主要表现为问题分析、工具选择、自动化解决方案、选择最优方案和通用解决方案可以通过运用这五大要素举例分析日常生活中真实的问题情境，让学生体验运用计算思维求解问题的一般过程和方法，最终达到能够在实际问题中敏捷地迁移和应用计算思维的目标。(三)理论实践：理解计算思维与程序设计的内在联系计算思维包含了一系列计算机科学思想，而这些概念方法最为直观的理解和表达方式就是程序设计语言。NRC计算思维工作小组在探讨报告(ReportofaWorkshopontheScopeandNatureofComputationalThinking)[29]中提出，计算思维与其他基本实力(阅读、写作、说话、算术)一样，都是为了描述和说明宇宙中困难的问题情境。正如语言素养不只是写作，计算思维也不仅仅是程序设计，但程序设计作为一种理解和表达计算思维的方式，是发展计算思维的一个重要切入点。现今，Scratch、Blockly、Kodu等可视化编程工具日益丰富，极大地降低了学生参加程序开发的难度。特殊是在中学阶段，学生已经有了特别好的形式运算实力，完全可以胜任程序设计任务。信息技术课程培育学生计算思维的一个重要目标是帮助学生理解计算本质，解决实际问题，而不是灌输计算理论。鉴于此，我们建议采纳基于项目的教学策略，引导学生参加真实的项目实践，体验从分析问题、程序创建到形成解决方案的完整流程，推动学生整体思维实力的提升。在项目实践过程中，学生不仅能够干脆、频繁地接触计算思维的概念和方法，进一步理解程序和算法的本质特征，感受程序语言文化，发展计算思维，还可以提高自主创新实力。2012年，美国宾夕法尼亚高校YasminB.Kafai教授将美国中小学激励创建和共享编程制品的程序设计教学实践归纳为“社会化转向”趋势，提出以“社会化转向”为特征的计算参加是培育学生计算思维的新范式[30]。随着社会的进步，微积分、程序算法等“高端”学问逐步向中小学迁移是人类发展的趋势。(四)实力评估：构建与课程目标一样的评价体系设计与课程内容相适应、可操作的实力评估方法是实现课程目标的重要保障。目前，标准化测试是中小学阶段普遍运用的学业评价方式，结合计算思维实力培育特点，笔者建议从原理理解和项目实践两方面构建评价体系，综合评估学生的思维水平。其中，原理理解旨在评判学生对计算思维相关概念和方法的理解程度，包括识别、分析计算问题，采纳抽象、分解等方法处理困难任务等，其评价方式可以沿用标准化测试方法，借助概念图、流程图等工具，可视化学生的思维过程；项目实践则重点激励学生参加计算，通过设计、开发应用软件，分析数据，抽象真实问题，建立计算模型等，感受在真实情境中运用计算思维解决问题的过程，其评价标准可以依据实际项目成果。计算思维实力培育在中小学信息技术课程中落实，不仅须要考虑物理环境、师资力气、教学策略与评估方法，还须要留意以下问题：第一，限制课程难度。信息技术课程内容的选择，既要引导学生理解计算本质，还要遵循“留意课程内容的基础性，课程内容应贴近生活，与学生和教化的特点相适应”的一般原则[31]；其次，增加偏文科类学生的计算意识。计算思维不仅仅是程序设计，更不仅仅属于理工科取向的学生。对于偏文科类的学生而言，能够有意识地尝试运用计算机程序解决实际问题，理解数字社会运转的运作过程也是驾驭计算思维的体现；第三，提升信息技术老师专业素养。计算思维的引入对信息技术老师提出了更高的实力要求，使得原来的老师可能难以胜任新的教学内容。因而，建立完善的信息技术老师准入制度，加大信息技术老师的培训力度，提升信息技术老师的专业素养至关重要。六、结束语生活在数字化、计算化和程序化的社会环境中，工具软件的操作已经成为每个人的基本技能。随着现代计算的发展和普及，每一位合格的数字公民都有必要不断提高自身信息素养和自主创新实力，理解计算的本质特征，做到可以敏捷运用计算工具和方法解决问题。中小学信息技术课程是信息技术教化的基本途径，应当顺应时代特征，担当起发展学生计算思维的重要任务，培育真正的数字土著。因此，如何有效嫁接计算思维和中小学信息技术课程，设计与之相一样的实力评估方法是信息技术教化亟待解决的问题。面对这些问题，笔者认为，中小学信息技术课程既不能脱离理论层面，也不能停留在工具层面，可以采纳方法习得、工具应用和思维迁移相结合的策略落实计算思维教化，并从原理理解和项目实践两个维度综合评估计算思维实力水平，实现计算思维和中小学信息技术课程的全面融合。计算思维教化的实施还存在着许多困难和挑战，但随着国家信息化战略发展的须要，计算思维在基础教化的重要性将会更加突出，成为中小学信息技术课程的核心目标。参考文献：[1]MarcPrensky.DigitalNatives,DigitalImmigrants[J].OntheHorizon,2001,9(5):1-6.[2][3]

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