基于软件应用的计算思维能力培养教学设计

林 旺，孙洪涛

(1.中央民族大学 信息工程学院，北京 100081；2.中央民族大学 现代教育技术部，北京 100081)

基于软件应用的计算思维能力培养教学设计

林 旺1，孙洪涛2

(1.中央民族大学 信息工程学院，北京 100081；2.中央民族大学 现代教育技术部，北京 100081)

如何培养计算思维能力在大学计算机基础教学中备受关注。目前，相关教学应用研究多集中于算法与程序设计等内容，对软件应用类课程少有涉及。为探索此类教学中的计算思维培养，该文对计算思维的定义演变和相关教学研究进行了分析，阐明了计算思维过程是借助技术的问题解决，培养计算思维能力的软件应用教学可以从基于活动的问题解决角度进行设计。该文将计算思维方法与设计思维步骤相结合，提炼出了软件应用教学中计算思维能力培养的教学设计原则，最后通过一个教学案例对教学设计过程进行了介绍。

计算思维；设计思维；教学设计

一、背景与问题

自周以真教授提出计算思维(Computational Thinking, CT)以来，信息技术对思维模式的深层次影响日益在教育领域引起关注。以周以真为代表的研究者认为计算思维可以成为读、写、算之后的第四种基本能力，将在21世纪中叶成为人人必备的基本技能[1]。计算思维在信息技术教育相关领域引起了广泛反响。研究者和教学者开始关注如何通过课程教学培养计算思维能力,将其视为信息技术课程的内在价值[2]。在我国，大学计算机基础课程作为高校公共必修课程，成为了高等教育计算思维能力培养的重要阵地，几年来一系列基于计算思维的教学改革举措不断出台。

2010年，北京大学、清华大学等9所985院校组成的联盟发布《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》强调要把培养学生的“计算思维”能力作为计算机基础教学的核心任务[3]。2012年，教育部高教司批准了“以计算思维为导向的大学计算机基础课程研究”等22个大学计算机课程改革项目，推动以大学生计算思维能力培养为重点的大学计算机课程改革[4]。2013年，教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会正式发布了《计算思维教学改革宣言》，进一步明确了计算思维培养在大学计算机基础课程教学中的中心地位，并把计算思维的培养提升到了创新人才培养和国家发展的高度。同时，宣言也指出了，“将计算思维培养作为大学通识教育的一部分，还存在许多深层次的理论性、制度性和技术性的问题迫切需要予以解决”，教学改革“面临的最大挑战就是构建培养计算思维能力的教学体系”[5]。

可见，在计算思维能力培养日益受到重视的同时，计算思维培养与计算基础课程结合的一些实际困难也逐渐凸显。计算思维强调对计算科学与工程领域的模式与方法的抽取和拓展应用，此类应用对于与程序设计与算法、计算机组成原理、网络体系结构等内容的教学有较为明确的结合点，教学相对容易开展。目前的计算思维课程教学研究大多针对此类教学内容展开。但对于非计算机专业的学生而言，软件应用类教学内容在课程中占据较大比重。如何在软件应用教学中进行计算思维培养，对计算思维能力培养融入通识教育之中至关重要。

二、计算思维的含义与发展

计算思维代表着信息技术领域的思维模式发展。但计算思维并非全新事物，学习计算机支持下的问题解决过程，培养思维能力可谓由来已久。上个世纪80年代，麻省理工学院Papert教授所倡导的LOGO语言学习就是其中的典型代表[6]。2000年，DiSessa提出了计算素养(Computational Literacy)[7]，阐明了与计算思维类似的思想，并特别强调了计算作为探索其他学科的工具与媒介方面的作用。

与之前的研究相比，计算思维更为全面深入地提出了计算科学对思维模式和问题解决的重要影响。计算思维将其针对的领域拓展到了前所未有的广阔疆界，其内涵仍在不断深化和发展之中。周以真教授在2006年首次提出计算思维时，将其表述为应用计算机科学领域的基础概念进行问题解决、系统设计和人类行为理解。她认为抽象和自动化是计算思维最显著的两大重要特征，计算思维还包括递归、平行思考、抽象、分解等方法。这个定义强调了计算思维的作用和普适性，并对计算思维的外延进行了描述，强调了计算机科学领域的方法和原则对问题解决的作用。2010年，她进一步将计算思维表述为一种思考过程，通过对问题和解决方案的清晰表述，使问题解决可以由具备信息处理功能的代理程序高效完成[8]。可以看出，对问题进行发现和抽象，对问题及其解决方案进行表述，采取信息技术方法和手段将其处理完成是计算思维的核心所在。这个定义再次突出了问题解决。

英国皇家科学院将计算思维定义为认识周围世界所存在的不同层次的计算，并应用计算机科学工具和技术理解并辨析自然系统和人工系统及其运行过程[9]。这一定义的核心在于对各种不同类型、不同层次计算问题的发现，以及通过计算机技术和工具对人工和自然系统进行剖析和理解。美国德保罗大学(DePaul University)的Settle和Perkovic基于Peter J.Denning的七个伟大计算原理(The Great Principles of Computing)提出了一个计算思维的概念框架，内容包括计算、通信、协作、记忆、自动化、评估和设计[10]。

陈国良院士和董荣胜教授在此基础上增加了抽象，提出了一个包含八个概念，三个层次的体系。其中，计算位于核心层，抽象、设计和自动化位于第二层，记忆、通信、协作和评估位于第三层[11]。这两个框架对周以真提出的计算思维外延进行了扩展和提炼，对计算思维的构成给出了更详细的解答。“设计”的出现是值得关注的。陈国良院士和董荣胜教授认为，计算思维中的设计是利用学科中的抽象、模块化、聚合和分解等方法对一个系统、程序或者对象等进行组织，并以软件开发为例解释为体系结构和处理过程的设计。可见，这种设计过程不仅限于计算机软件设计，而是具有一定的普适性，可以应用于各种学科和领域。

2011年，ISTE和CSTA提出了计算思维的操作性定义，将通过计算思维进行问题解决的过程进行了表述。这个操作定义首先将计算思维界定为问题解决的过程，在这个过程中首先，需要形成一个能够用计算机工具解决的问题，在此基础上逻辑化组织和分析数据，通过模型和仿真对数据进行抽象表示，通过算法设计实现自动化解决方案，以优化整合步骤、资源为目标，确定、分析和实施可行的解决方案。将解决方案进行总结，并迁移到其他问题的解决中[12]。这个定义对基于计算思维的问题解决过程进行了描述，较为清晰的，基于计算思维的问题解决步骤出现了。

无独有偶，Google公司对计算思维的认识也体现了技术支持下的问题解决过程，Google认为计算思维过程是问题解决技巧和技术的集合，并将计算思维过程界定为问题分解、模式识别、模式生成和抽象、算法设计[13]。

Shuchi Grover和Roy Pea对计算思维培养的相关研究进行了总结后提出了计算思维培养中的一些要素[14]。这些要素既包含着对计算思维方法的概括，也是对计算思维过程的描述。具体要素内容包括：抽象和模式生成(含建模和模拟)，信息的系统化处理，符号系统及其表征方式，流程控制的算法表示，结构化的问题分解(模块化)，迭代、递归和平行思考，条件逻辑，效率和绩效约束，系统错误监测和排除。

在上述对要素的描述中同样隐含着一个问题解决的过程。从现实生活中抽象问题、识别模式，对借助符号系统对信息进行系统化处理，对问题进行结构化分解，并通过多种计算方法形成富有逻辑性的计算步骤，最后进行提高效率，修正错误形成可用的解决方案。其中算法相关的内容，包括流程控制、条件逻辑、迭代、递归和平行思考等，被认为应用计算机科学的思维模式对解决方案的一种描述方式，而不仅限于程序设计中的算法本身。对于算法的强调，更注重将计算机科学的成果应用于各种系统化问题解决，而不仅是作为程序设计的一个步骤。

通过上述分析可以发现，从周以真2006年提出计算思维的概念以来，计算思维的内涵和特征经历了外延不断丰富，内涵不断清晰化的过程。计算思维植根于信息技术领域经过半个多世纪快速发展所积累起来的各种有效的思维方法。这些方法将思维过程与技术工具相结合，形成了独特的技术支持下的问题解决模式。这个问题解决模式不仅适用于计算科学领域，而是对各个学科有着普遍价值。计算思维的操作性定义和特征描述，为通过教学进行计算思维能力培养提供了可能。

三、我国计算思维教学探索

我国计算思维能力培养的教学探索，目前在中小学少有开展[15]，重要集中与大学计算机基础课程。教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员通过《计算思维教学改革宣言》大力倡导计算思维在教学中的应用，并在《计算机基础课程教学基本要求》中提出了4×3知识体系结构和1+X 课程体系[16]，为计算思维能力培养的教学提出了实践性指导。

众多研究者和教学实践者也从不同的角度探讨了如何通过计算机基础课程教学培养计算思维能力，相关研究可以分为课程内容研究和教学模式研究两大类。其中，课程内容研究针对计算思维能力培养，对现有的计算机基础课程内容的设置进行了革新。如朱鸣华提出的概论、数据的表示与存储、计算机系统组成、操作系统、计算机网络基础与应用、程序设计基础与算法、数据库系统和信息安全等8个单元的教学内容[17]；龚沛曾和杨志强提出在教学中弱化Office等软件应用内容，用6周时间开展计算思维和程序设计算法教学[18]；陆汉权、何钦铭和徐镜春提出了计算机历史、计算模型、处理器模型、编码与存储、算法和程序、操作系统和计算机网络等构成的内容框架[19]。总体而言，此类研究倾向于将教学内容侧重于算法和程序设计、计算机系统组成和计算机网络等，注重介绍这些内容中所涵盖的计算思维应用，研究中较少涉及具体的教学模式与过程。

在教学模式研究中，研究者提出了一些可以用于计算思维能力培养的教学模式，包括探究教学模式[20]、任务驱动式[21]、网络自主学习模式[22]、基于问题的教学模式[23]等。此类研究中，各种教学模式多被表述为几个教学要素的函数，如探究教学模式被表示为教师动作集、学生动作集、探究问题和计算思维的函数。此类教学模式研究，其教学应用范围基本上都以算法和程序设计为主，对于软件应用类课程少有涉及。

通过对国内研究的梳理可以发现，现有的计算思维能力培养相关课程对于程序设计等为代表的偏重计算机专业的内容有着很大的偏重，而软件应用类教学内容如何与计算思维能力培养相结合尚少有研究者涉及。

在以非计算机专业为主要受众的计算机基础课程中，软件应用类教学内容占据了很大比重，如Office软件应用、网络工具应用、网页制作、视频编辑等，这类教学内容与程序设计和计算机体系结构等内容差别显著，对于软件应用的技能和通过软件进行制作和设计有着较高要求。这同样十分符合计算思维中通过工具实现问题解决的目标。但在具体教学中，软件应用与程序设计等内容有着很大差异。现有研究所形成的模式较难支持软件应用教学中的计算思维能力培养。

笔者认为，软件应用类教学内容中同样蕴含着大量计算思维的元素，但其表现形式却与程序设计等有所不同。软件应用类课程的核心并不仅仅是对软件功能的介绍，而是应用软件完成的各种任务，这些任务大多与设计密切相关。从前述对于计算思维定义的演变可以看出，基于计算机工具开展的问题解决是计算思维的核心所在，对于应用软件而言，问题解决常常表现为设计过程。因此，对设计过程和计算思维要素的对比有助于明晰两者之间的关系，进而为此类教学内容的教学设计提供依据。

四、计算思维与设计思维

与计算思维在学术界和IT产业界引起巨大反响的同时，另一种思维模式在更为广阔的范围引起了人们的注意，这就是设计思维(Design Thinking)。以苹果公司和IDEO等为代表的企业将设计的力量呈现在了人们的面前。

设计思维是另一类系统化思考模式，其核心关注通过设计过程实现问题解决。在设计思维的相关研究中，设计思维常常被认为是一个问题解决的过程，通过识别、理解、探索、定义和解决问题实现创新产品的设计[24]。

世界著名设计公司IDEO将设计思维过程定义为设计者运用自己的感知力和设计方法，将技术和商业策略可行性与用户需求相匹配，从而实现用户价值和市场机会的过程。其核心在于挖掘用户需求，将其表述为需要解决的问题，并通过设计方法提出解决方案。这个过程包括灵感(Inspiration)、设想(Ideation)和实施(Implementation)三个空间中多个设计环节的多轮迭代[25]。

斯坦福设计学院的“创造力与创新”课程中将基于设计思维的问题解决过程总结为了一系列清晰的步骤，包括同理移情(Empathize)、问题定义(Define)、设想提出(Ideate)、原型设计(Prototype)、测试改进(Test)五个步骤[26]。

其中，同理移情即在设计过程中对用户需求的理解，这种理解往往需要通过观察和交流实现；定义即对设计问题的界定，通过所收集大量信息，从设计者的视角对要解决的问题进行表述；设想即对要解决的问题提出多种可能的解决方案，头脑风暴是这个阶段的常用工具；原型即从前一阶段的各种设想中选择，通过不断迭代，逐步形成解决方案的雏形；测试即通过用户反馈对原型进行测试并改进，测试过程中设计者对用户的理解将不断加深。在上述步骤中，原型设计和测试改进是不断循环的两个阶段。

通过上述分析可以看出，与计算思维相同，设计思维过程的目标同样是问题解决。将两类思维过程进行对照(如图1所示)，可以发现许多相似之处。设计思维中的换位思考实际上是通过多种途径对用户需求的发现，其中包含很多抽象和模式识别的过程。问题定义同样需要抽象和模式识别，并在此基础上对所获得的信息进行系统化处理。设想提出阶段需要在问题分解的基础上，将可能的问题解决方式进行过程性表述。原型设计需要借助某一个基于符号系统对解决方案进行呈现，其中需要大量的迭代和平行思考。而测试改进中需要排除错误，并考虑效率和绩效改进。

通过比较可以发现，计算思维和设计思维有着密切的内在联系，计算思维的方法可以与设计思维的过程结合起来。设计思维过程提供了清晰的设计活动开展过程，便于形成教学活动；计算思维则为各个活动步骤提供具体方法。在软件应用的教学中可以将两者有机结合，可以形成软件应用类课程的一种新设计思路。

图1 计算思维与设计思维过程的对比

五、计算思维能力培养教学设计原则

着眼计算思维能力培养的软件应用类教学设计是一个系统化的过程，需要遵循教学设计的一般规律，围绕计算思维能力培养对学习活动、学习资源、学习环境等开展设计，可以总结出此类教学设计的一组原则(如右图2所示)。

以学生为中心，促进学生计算思维能力发展是教学设计的出发点，教学设计需要围绕着学生能力提升而展开。学习者分析是教学设计的起点，通过对学习者的学习需求、知识水平、特征差异等的分析，为后续教学设计奠定基础。

图2 软件应用课程的教学设计原则

计算思维培养是软件应用课程的内容核心。围绕这一核心，在教学设计上可以形成两条主线，软件操作和应用软件开展的设计活动，其中，软件操作是设计活动的前提和基础。各种应用软件都具有自己独特的功能和操作流程，其菜单布局，功能模块和操作方式的设计，均体现了应用工具进行特定类型的问题解决。通过这种思路对软件操作开展学习，不仅有助于快速掌握软件操作，同时也从软件产品的角度来学习了一个技术制品的整体架构和处理过程，从而可以深入理解计算思维的设计层面。

另外，基于软件的设计过程，遵循设计思维活动的一般流程。如上第4部分所分析的，这个流程与计算思维有着密切联系。这个阶段需要结合教学内容，将计算思维培养整合到设计活动的过程之中。

学习活动的主体是一个设计活动，遵循设计活动的一般原则和步骤。本着以学生为中心和计算思维能力培养的原则，作为学习活动主体的设计过程应当是协作性的。因此设计活动的形式应当是小组协作，要符合小组协作的方法和步骤。

协作设计活动应当是线上与线下相结合的，既有教师的集中指导，小组面对面协作；也有在线平台和工具支持下的，跨越时间和空间的协作。除了活动流程的设计之外，对于线上线下协作活动开展的指导对学习活动的效果也至关重要。

培养计算思维的学习活动需求将决定学习环境的设计。学习环境要能有效支持在线学习，支持学习过程中的各种教学交互；要能有效支持在线协作，支持交流、分享、展示和协同工作。学习环境往往由多种工具组成，这些工具也决定了教与学开展的具体环节。

六、教学设计案例

根据以上设计要素，可以对基于计算思维培养的软件应用教学开展设计。案例来自是中央民族大学的精品课程“大学计算机基础”中的网页制作部分。根据前述教学设计原则和以学生为中心的教学设计流程[27]，对网页制作部分进行了如下教学设计。

(一)学习者分析

参与学习的学生来自全校各个文科院系的大一新生。通过学期初的测试和对学生的访谈发现，这些学生具备计算机应用的一般技能，对网络应用和通讯工具非常熟悉，但对小组协作和在线学习了解较少，时间管理和学习规划能力较差。

(二)基于计算思维的教学内容分析

从计算思维的视角对网页制作部分的教学内容进行解析，从软件操作和网页设计两方面提炼计算机思维能力的教学要点(如下表所示)。

基于计算思维的教学内容分析

(三)基于设计过程的学习活动设计

学习活动流程遵循设计活动的流程，在此基础上将教师的指导和软件学习整合其中，流程如图3所示。为了促进小组协作的顺利开展，教师设计了对小组分工、任务规划、时间管理的辅导。同时，设计了一些过程控制环节，要求学生提交小组设计过程中各个环节的阶段性成果，如提交网站规划文档、展示所收集的资源等，并在设计活动的中期，设计了一次面对面教学，对网站规划和所搜集的资源进行集中展示和评价。后来的教学实施过程证明，这一设计有效促进了协作任务的完成。

图3 教与学活动流程

(四)学习资源制作与整合

通过对学习内容的分解和学习活动的设计，教师可以形成教学资源清单，开始教学资源的制作，并根据学习活动设计的序列，对学习资源进行整合。

(五)学习环境设计

学习环境需要支持基于资源的学习、小组协作和师生、生生之间便捷交流。在本案例中，Moodle平台和QQ群构成了信息化学习环境。各种教学资源通过Moodle教学平台提供给学生进行学习。Moodle平台中的讨论区和QQ群是师生、生生交互的支持工具。QQ群中的交互具有很强的即时性，具有较高的灵活性和较快的响应时间。Moodle讨论区则呈现较为系统的讨论，包括QQ群讨论的汇总和学会的典型问题等等。QQ交互的即时性还有助于提高学生在线学习的存在感，构建学习共同体。

七、总结

计算思维能力的培养已经成为了大学计算基础课程改革的核心。软件应用是计算机基础课程的重要组成部分。探讨如何在软件应用教学中培养计算思维能力，对大学生特别是非计算机专业学生有着重要的实践意义。计算思维涵盖了信息技术领域蓬勃发展过程之中所形成的思维模式。这些思维模式具有一定的普适性。将计算思维的方法与设计思维的步骤相结合，围绕计算思维对教学内容进行重构，对教与学的过程进行系统化设计，可以最终形成有效的基于软件应用的计算思维培养解决方案。

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

[2] 李锋,王吉庆.计算思维:信息技术课程的一种内在价值[J].中国电化教育，2013，(8):19-23.

[3] C9高校联盟.九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010，(9)：4-9.

[4]耿国华.以计算思维为指导 提升大学文科计算机教学质量[J].中国大学教学，2013，(10)：12-15.

[5] 教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会.计算思维教学改革宣言[J].中国大学教学，2013，(7)：7-10.

[6] Papert, S. Situating constructionism[A]. I. Harel and S. Papert (Eds.),Constructionism[C]. Norwood, NJ: Ablex,1991.1–11.

[7] DiSessa, A. A. Changing minds: Computers, learning, and literacy[M].Cambridge: MIT Press,2000.

[8] Jeannette M. Wing.Computational Thinking: What and Why? [DB/OL]. http://www.cs.cmu.edu/～CompThink/resources/TheLinkWing.pdf,2014-07-20.

[9]Royal Society. Shut down or restart: The way forward for computing in UK schools. [DB/OL]. http://royalsociety.org/education/policy/computing-in-schools/report/,2014-06-20.

[10] Settle, A and Perkovic, L. Computational Thinking across the Curriculum: A Conceptual Framework[DB/OL]. http://via.library.depaul.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1013&context=tr, 2014-07-23.

[11] 陈国良，董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学，2011，(1)：7-11.

[12] International Society for Technology in Education (ISTE) and the Computer Science Teachers Association (CSTA). Computational Thinking a Digital Age Skill for All[DB/OL]. http://www.iste.org/docs/ct-documents/ct-presentation-high-school-example4F02DE386341.ppt?sfvrsn=2,2014-07-18.

[13] Google. Exploring Computational Thinking [DB/OL]. http://www.google.com/edu/computational-thinking/index.html, 2014-07-15.

[14] Shuchi Grover and Roy Pea. Computational Thinking in K–12: A Review of the State of the Field [J]. Educational Researcher, 2013，(1)：38-43.

[15] 王旭卿.从计算思维到计算参与：美国中小学程序设计教学的社会化转向与启示[J].中国电化教育，2014，(3):97-100.

[16] 教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会.高等学校计算机基础教学发展战略研究报告暨计算机基础课程教学基本要求[M].北京：高等教育出版社，2009.

[17] 朱鸣华，赵铭伟，赵晶等. 计算机基础教学中计算思维能力培养的探讨[J].中国大学教学，2012，(3) ：33-35.

[18] 龚沛曾，杨志强.大学计算机基础教学中的计算思维培养[J].中国大学教学，2012，(5)：51-54.

[19] 陆汉权，何钦铭，徐镜春.基于计算思维的“大学计算机基础”课程教学内容设计[J].中国大学教学,2012，(9)：55-58.

[20] 牟琴，谭良.基于计算思维的探究教学模式研究[J].中国远程教育，2010，(11)：40-45.

[21] 牟琴，谭良，周雄峻.基于计算思维的任务驱动式教学模式的研究[J].现代教育技术，2011，(6)：44-49.

[22] 牟琴，谭良，吴长城.基于计算思维的网络自主学习模式的研究[J].电化教育研究，2011，(5)：53-60.

[23] 张蕾. 面向计算思维的WPBL教学模式研究[J].电化教育研究，2014，(3)：100-105.

[24] 尹碧菊，李彦，熊艳等. 设计思维研究现状及发展趋势[J].计算机集成制造系统，2013，(6) ：1165-1176.

[25] Brown T. Design Thingking[J]. Harvard Business Review, 2008,(866)：84-92.

[26] Plattner.H. An Introduction to Design Thinking Process Guide [DB/OL] .https://dschool.stanford.edu/sandbox/groups/designresources/wiki/36873/attachments/8a846/ModeGuideBOOTCAMP2010.pdf?sess ionID=e36ca0f6ff6cc9bca33e69612aa1c115826ca2eb,2014-07-17.

[27] 李爽，陈丽. "以学生为中心"的教学原理与实践指南[M].北京：中央广播电视大学出版社，2011.

林旺：副教授，研究方向为教育信息化(lw_cun@163.com)。

孙洪涛：高级工程师，博士，研究方向为远程教育、教师专业发展(sunhtao@gmail.com)。

2014年8月12日

责任编辑：宋灵青

Instruction Design of Software Application Course to Computational Thinking Capability Cultivation

Lin Wang1, Sun Hongtao2
(1. School of Information Enginerring, Minzu University of China, Beijing 100081; 2. Educational Technology Center,Minzu University of China, Beijing 100081 )

It has been attached great importance to cultivate Computational Thinking(CT) ability in computer basis courses. Current research mainly focus on algorithm and programming. Few research involved software application courses. To explore the possibility to cultivate CT ability in these courses. This paper analysis the evolution of the definition of CT and instruction related research, and illustrate that CT process is problem solving supported by technology. To cultivate CT, software application courses can be designed through the prospective of activities based problem solving. This paper integrates the method of CT and steps of Design Thinking,proposes the principles of instruction design in software application for CT cultivation, and introduces detailed design process with a teaching case.

Computational Thinking; Design Thinking, Instruction Design

G434

A

1006—9860(2014)11—0122—06