以能力培养推动计算思维形成——基于工具软件的信息技术教学

范谊

（广州市海珠区教育发展中心，广东 广州 510300）

以能力培养推动计算思维形成
——基于工具软件的信息技术教学

范谊

（广州市海珠区教育发展中心，广东 广州 510300）

本文从分析信息素养培养存在的问题入手，说明在中小学信息技术教学中开展计算思维训练的必要性。探讨了在工具软件教学中，计算思维的培养内容、培养方法和评价方向，提出了“感受原理”“带着问题学习操作”“采用富思考性的教法组织学习”等观点，并结合课堂教学案例，说明如何培养学生分解、抽象、建模和转化四方面的能力，从而促进计算思维的形成。

计算思维；工具软件；能力培养；信息技术；信息素养

一、中小学信息技术教学面临的问题

脱胎于计算机课程的信息技术，根据教学的载体和内容不同，其内涵也由“计算机文化”“计算机工具”到达了“信息素养”阶段，但即使是信息素养教育的主阵地——信息技术课堂，其落实情况也并不理想。

（一）信息素养呈现形式具有一定的内隐性

“计算机文化”以程序设计为抓手，“计算机工具”以各类工具软件应用为支撑，不但载体的外显特征突出，其培养目标以知识与技能为主，也具有明显的可测量性。培养信息素养并非抛弃上述载体，而是强调培养内容的丰富和层次的提高。但一方面依附于旧课程内容的新培养要求，如基于程序设计或工具软件而培养学生的实践能力、创新精神等具有强内隐性，教学中落实不易；另一方面信息技术课程所继承的原有教学内容也可能使部分教师只看到外显内容的“旧”，忽视了培养要求内核的“新”，导致了教学依旧，培养效果停滞不前。

（二）信息素养构成复杂，学界认识不一

信息素养是与读、写、算同等重要的基本能力，纷纭复杂的信息社会对信息素养的要求是多方面的，1998年美国图书馆协会和教育传播协会制定了学生学习的九大信息素养标准。我国学者也对信息素养进行了解读，如李克东的“三基本点”、桑新民的“三层次六方面说”、祝智庭的“两维度理论”、钟志贤的“八能力观”、李艺的“四层面认识”等[1]。多样的看法表明了信息素养的构成复杂而宽泛，尤其内部因素互相交织，关系互相影响，且多样的观点说明学界的认识尚有分歧，因此教师在教学中落实信息素养培养更为不易。

（三）信息素养过高的培养要求却促成“狭义工具论”的泛滥

培养信息素养各方面能力遇到的最大困难是各个组成部分既有层次关系，但又非截然分开，而是互相依存的统一体，且部分内容在课堂上难以实施。如图1中的“信息文化”，其要求明显高于信息道德，但内涵又过于宽泛，难以结合目前的信息技术教学内容而落地。可它又是信息素养培养要求中不可或缺的组成部分，无法断然放弃，这使现阶段的教学执行陷于两难境地。

图1 信息素养的四个层面

信息素养既然无法落地，老师们于是转为信奉“狭义工具论”，这使得当前的信息技术课程一边高唱信息素养之歌，一边“狭义工具论”却大行其道。所谓“狭义工具论”就是认为信息技术基础教学就是教学生怎么将计算机作为工具使用。这种认识对信息技术教育非常有害，会使学生对计算科学的认识淡化，无助于计算技术中最重要的核心思想与方法的掌握[2]，造成课程内在的、独特的价值丧失，成为“技能培训班”[3]。同时，信息技术课程教学内容“简单化”还使课堂上“能力培养”简化为“步骤学习”；“技术操练式”的教学方法依然为教师所倚重；技术思想方法的活动还流于形式，缺乏实效[4]。

二、培养计算思维是信息时代的教育要求

正如1972年图灵奖得主艾滋格・迪科斯特（Edsger Dijkstra）所说，“我们所使用的工具影响着我们的思维方式”，随着计算机和网络技术作为工具广泛应用于生产、生活，隐藏在众多信息工具背后的信息工具的工作方式——计算，从未如此明显地渗透进人类社会的方方面面。信息时代的海量数据终于催生出大数据时代，而数据处理的核心就是计算。人才培养需要帮助学习者建立符合时代特点的思维习惯，在上述背景下“计算思维”应运而生，相较于信息素养，它更为单一、具体，并为信息技术课程目标——培养信息时代的合格公民[5]指明了方向。

计算思维是运用计算机科学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[6]。计算思维是每个人的基本技能，不仅仅属于计算机科学家。

三、计算思维在中小学信息技术教学中的认识误区

受“狭义工具论”的干扰，目前的信息技术课堂盛行“动手做”，缺少“动脑想”。计算思维的提出有助于部分打破当下信息技术教学简单模仿之弊，对信息技术学科价值的重新厘定有助力作用。但整个计算思维的研究尚处于推进期，应用者的认识误区也比比皆是，较有代表性的认识误区如图2。

图2 计算思维的认识误区

实际上，“计算”这个词在中文里并不是一个新鲜的概念，在我国小学到大学的教育中，老师在传播知识的时候也是自觉不自觉地在传播计算文化，只是一直没有像周以真教授那样新颖、明确和系统地进行高度的概括和提升[7]。

在信息技术课程中推进计算思维教育，固然应针对新时期的特点，开发新课程，选择新工具，完全、彻底地展现计算思维，如部分地区在设计程序设计单元时，选择了MIT（麻省理工学院）开发的Scratch来取代历史悠久的Logo工具，就是认为其“模块化编程的思想”“创意编程的效果”更有利于培养计算思维，同时也要看到在相当长的时间内，工具软件仍是信息技术课程的内容主体，使用工具软件解决生活、学习中的问题仍是学生主要的信息技术应用实践。因此及时吸取开展信息素养教育时的经验、教训，对工具软件教学进行重新审视和定位，发掘明确的改进方向，找出具体的发力点，可以在教学相关内容时让学生感受计算系统的基本原理，并从中体验到计算思维的无处不在，达到教学目的。

四、以培养思维能力推动义务教育阶段计算思维教育

（一）计算思维的培养内容

计算思维的培养是以计算能力的培养为基础的[8]，周以真教授在解释计算思维概念时提到，计算思维通过约简、嵌入、转化和仿真等一系列方法把一个看起来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题。计算思维采用了抽象和分解来迎接庞杂的任务，并选择合适的方式对问题的相关方面建模使其易于处理。笔者认为提高学生运用这些方法的能力则是培养计算思维的途径。结合课程目标的阶段性要求、工具软件具体教学内容和学生的年龄特点这三方面的因素考虑，义务教育阶段应该将“问题求解”作为研究重点，着力培养学生的分解、抽象、建模和转化四方面的能力（如图3）。

图3 以能力培养促成计算思维形成

面对复杂问题的第一步是要将它化繁为简，这就需要分解能力。分解的基本原则是“同属分类”，以抽象能力为依托。

抽象指从众多的事物中抽取出共同的、本质性的特征，而舍弃其非本质的特征[9]。人类天生就有抽象的本领，每天都在自觉或不自觉地使用抽象，通过对问题本质的把握，我们可以将信息分类，并判断哪些是解决问题所不需要的，哪些可直接应用于问题解决，哪些是需要但须经过改造的。

基于抽象结果，分析问题的内在规律，提出简化假设，用学科符号建立起概括性反映现实问题的模型来解释现实问题，并接受实际的检验，这个全过程就称为建模。建模是为了更好地了解问题全貌，它有助于理清问题的结构，按标准的方式理解问题，得出清晰的解决顺序。问题越复杂，建模意义越大。但即使有模型作为指引，解决问题的过程中也必然会遇到未知的子问题，这就需要有“从未知到已知”的转化能力。

转化是解决问题的重要一环，成功转化的前提同样有赖于对问题本质的把握，可见培养计算思维所需的四项基本能力中，抽象能力居于核心地位，能力之间互相影响，互相作用。

（二）计算思维的培养方法

“狭义工具论”对信息技术教学的一大困扰是只关心“学生如何应用计算机处理信息”，却无视“学生是否知晓计算机为何能处理信息”[10]，导致“学科学习”异化成“盲目操作”。这样的教学表面看起来“高效”，大批学生能成功模仿教师示范，但对所学知识遗忘得既快又多，学生不知如何运用知识解决实际问题。为适应计算思维教育的特点，信息技术应将一直倡导的学习方法——“做中学”，更清晰地命名为“做中思、思中学”。

1.感受计算机工作原理

事实上，学习使用工具需要思维参与，只有理解工具所解决的问题本质是什么，问题存在环境是什么，有无其他工具可以替代解决问题等，才能超越工具，将工具内化为思维的一部分。因此信息技术教学要结合学生与知识特点，适度、适当地介绍知识原理，为教学注入活力。

图4 用课件呈现选择排序的实现过程

像目前教学Excel排序这一知识点，师生关注的均是操作的实现过程，但实际上排序的知识相当丰富，仅常用算法就有8种。其中“插入排序”和“选择排序”算法比较直观。图4是排序实例，课件以动画的形式展示排序过程，并让学生思考：

①计算机用了几轮完成了对2、6、4、1四个数字的排序？

②首轮排序时，计算机为何将2作为比较数，将6、4、1作为被比较数？

③比较数和被比较数间的比较，会出现几种可能性？动画中计算机分别作了怎样的处理？

④如果将数列顺序调整为1、4、2、6，每轮的排序过程和结果又是怎样的？

经过讨论，即使是小学生也能理解排序是怎样实现的。这样教学就不再仅停留在操作层面上，而是进一步拓宽了学生的思维，激起他们无穷的好奇心，体验算法的科学、严密。

计算机科学家严谨地分析了人类的思维过程与特点，并将其方法赋予计算机，使计算机能模拟人的思维去工作。现在借学生使用计算机的过程，通过感受计算机解决问题的原理去理解这种反复优化后的思维方法，对培养学生思维有正向促进作用。

2.带着问题学习操作

除拓展内容、介绍知识原理培养计算思维外，学习工具操作本身也应调整方向，以计算思维的视角改进“机械训练”式教学。目前的信息技术课堂，自主学习并不鲜见，但以图5学习Excel“自定义筛选”为例，若只有学习任务，没有具体要求跟进，学习很容易局限于照猫画虎，离图则寸步难行，更遑论知识迁移。相反，有的老师则让学生带着以下问题，再看书自学，取得了较好效果。

思考：

①针对同一字段，最多可以设置几个筛选条件？

②如何正确填写“自定义自动筛选方式”对话框？

③条件框之间的“与”和“或”各是什么意思？

图5 带着问题学习填写“自定义自动筛选方式”对话框

上述问题聚焦于“自定义筛选”的重、难点，学习不能仅停留在照教材文字步骤或插图完成操作，而是要深化思索知识特征、知识内部诸因素的关系，充分锻炼学生思维。

3.采用更富思考性的教法组织学习

众所周知，知识分陈述性、程序性和策略性三种。开展计算思维教育虽然仍需要以一定的陈述性知识为基础，但针对思维自身特点，程序性知识和策略性知识更不容忽视。学习应摒弃简单的模仿教学，尽可能地选用如图6或图7的自主式、探究式学习方法，如有必要还可为学生提供学习支架以保障学习过程顺利进行。

图6 培养计算思维的自主式学习

图7 培养计算思维的探究式学习

（三）培养计算思维能力的案例

1.分解能力

长期以来“导入”的作用被局限于激趣、引出教学内容，计算思维视角下，可考虑在此环节通过对知识分类，培养学生分解能力。

教学片段1：对比导入，了解PowerPoint自定义动画和切换效果的特点

师：带着以下问题，观看PPT课件。

●两个课件的内容、形式有何特点？

●你喜欢哪一个？为什么？

生：两个课件内容一样，但一个有动画，一个没有。有动画的表达效果更形象、生动，更令人喜欢。

师：第二份作品使用了不少动画，先记一下动画出现的时间（放映视图），再看一下幻灯片的实际内容（普通视图），小组讨论，动画可以分成哪两类？

生：一类动画针对的是幻灯片内的对象，在播放本页时出现 ；另一类动画只在播放完本页所有内容后出现。

师：针对幻灯片页面上文字、图片等对象的动画称自定义动画，幻灯片之间的动画称切换，也叫过渡效果。

“对比”是信息技术课堂上常用的导入方法，但“对比”更应关注知识分类。像上例，通过比较动画出现时间和动画载体，不但在分类过程中了解两个知识的一些基本特点，明确各自的功能边界，也锻炼了学生的分解能力。

现实中“分”与“合”是对立统一的，培养分解能力还要在教学时对工具软件窗口全貌、组织结构等作必要介绍，使学生了解为何此命令在该菜单（或选项卡）中，与旁边的其他命令是何关系，形成有机的“分”与“合”，力求对工具软件功能的理解能做到“合”则浑然一体，“分”则自成系统。

2.抽象能力

教学片段2：带着问题尝试Excel分类汇总的操作

师：请带着以下问题，边阅读教材第31页，边尝试操作。

●排序在分类汇总中起到了什么作用？

●分类汇总的操作步骤是怎样的？

生：操作，同桌讨论操作步骤、方法……

从上例可以看到教师布置的任务并不只是完成操作，而是要在操作中理解知识关键点的作用，总结方法、步骤。归纳操作步骤是对具体动作的抽象，要求学生提炼操作的本质内容，并将其条理化，这一要求对学生的挑战显然高于仅会操作。因为学生在尝试中操作步骤凌乱，对知识的理解是模糊的，初步成功后不立即进行梳理，遗忘、歧义将随之大量产生。及时进行概括、归纳，有利于将关注点聚焦于知识的本质，动态调整自身的知识网络，更好地区分相近知识点，抽象能力将随之发展。

3.建模能力

建模是处理、解决复杂问题的重要步骤，在义务教育阶段工具软件新授教学中运用建模并不多见，但大部分工具软件在完成单元学习后通常有制作作品的任务，而设计作品结构图，制作工作分工与进度表都是培养建模能力绝佳的练兵场。

相比于新授课上所学的单一技能任务，制作单元作品可谓巨型任务，不但知识运用的复杂度高，所涉及小组合作制作、人员协同完成等制作要求也对学生构成了挑战，因此事先对任务建模可以避免盲目制作，提高任务完成质量。

表1 Flash动画作品《爸爸去哪儿》分镜头脚本设计

表1源自九年级学生设计，可视为该作品的内容模型。它已经搭好了故事框架，展现出制作团队围绕任务主题，设计内容的能力，余下的只是技术选择和技术实现，可以预计良好的作品模型必将帮助作品制作顺利开展。

在建模过程中，老师要让学生明确即使是围绕同一主题，实现模型也有多种可能性，鼓励学生多视角思考，看谁的模型创意最好。此外，如果能够借用上一个单元任务模型（含分工、工作进度安排）的话，那么工作重点将放在新工具软件与旧工具软件的不同地方，节省大量制作时间的同时又将关注点置于不同软件的本质之处。

4.转化能力

从未知到已知需要的手段是转化，其能力培养以抽象出知识的本质为基础，但逆向思维训练无疑有助于转化能力的形成。

在“制作表格”的课堂上经常看到的是老师让学生模仿样例制作表格，即使有时间也更愿意让学生修饰表格，展现“创意”，这对于思维训练显然是不充分的。下面的例题从另一个角度让学生将文字转化为表格，训练的是对内容的分类、整理，对表格行、列的空间理解，比起美化表格，这一训练更接近于“制作表格”的本质。

例：根据内容制作合适的Word表格

思考：应该制作一个几行几列的表格才能容纳下面内容？为什么？

姓名 性别 出生日期 毕业学校

马小东 男 1999年3月14日 春风路小学

李辉 男 1999年6月24日 红山口小学

刘芳芳 女 1999年4月18日 海棠小学

图8是在学生掌握Excel分类汇总的基本操作步骤后，通过改错形式的提高任务来辨析理解分类汇总为什么要先排序，实现从“理解原理”到“正确操作”的跨越。

图8 错误的Excel分类汇总样例

（四）评价计算思维的培养成效

与评价信息技术操作技能相比，计算思维发展的成效显然更难以捉摸，两者的评价差异见表2，究其原因是思维的多样化决定的。

表2 操作技能与计算思维评价特点比较

要充分反映思维发展，测试内容须有一定的复杂度。像Excel单元中求跳水比赛成绩（函数与公式混合使用）、将成绩分数转换为等级，Flash单元中利用半成品完成交互动画制作等都可作为典型的计算思维测试题。但评价不能再视技能达成为唯一标准，相反应秉持“设计出问题解决方案比掌握解决问题的具体步骤更重要”的理念，可从表3的四个维度出发，设计描述式量规评估学生计算思维能力。

表3 计算思维能力发展评价标准框架

“信息素养”这一概念由于理论和实践上存在着泛化缺陷，因此始终未能较好解决信息技术课程面临的种种问题。与“信息素养”相比，“计算思维”紧扣时代发展的脉搏，以人机互动的视角，主抓合理思考这一本质，更能指明信息技术课程的发展方向。

参考文献

[1]李艺.信息技术课程：设计与建设[M].北京：高等教育出版社,2004.61-72.

[2]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.

[3][10]王荣良.计算思维教育[M].上海：上海科技教育出版社,2014.164-165.

[4]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)：19-20.

[5]顾建军,李艺,董玉崎.普通高中技术课程标准（实验）解读 [M].武汉：湖北教育出版社,2004：300.

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

[7]陈国良.计算思维：大学计算教育的振兴科学工程研究的创新[DB/OL].http://www.ccf.org.cn/resources/1190201776262/ digital/cnccpdf/chenguoliang2011-12-12-10_03_14.pdf,2011-12-12.

[8]李廉.计算思维——概念与挑战[J].中国大学教学,2012，(1)：12.

[9]好 搜 百 科 .抽 象 [DB/OL].http://baike.haosou.com/doc/ 291077-308141.html,2015-02-26.

（责任编辑 孙震华）

Facilitate the Development of Computational Thinking through Capacity Building—Teaching Information Technology Based on Utility Software

FAN Yi

(Haizhu District Educational Development Center,Guangzhou,Guangdong,China 510300)

This essay first analyzes the existing problems in developing information literacy,to illustrate the necessity of carrying out training in computational thinking in the teaching and learning of information technology at elementary and secondary schools.Then it explores the content,methods and evaluation direction of training in computational thinking in the teaching of utility software. Next,it proposes several ideas,combined with classroom teaching case studies,on how to cultivate de composition,abstraction,modelling,and conversion capabilities of students so as to help them develop computational thinking.These ideas include,"feelings theory","learning with questions",and "using thought-provoking teaching methods".

computational thinking;utility software;capacity building;information technology;information literacy

G434

A

2096-0069（2016）03-0062-07

2016-04-09

本文系广东省教育科学“十二五”规划2014年度教育信息技术研究项目“义务教育阶段‘计算思维’能力培养的方法与策略研究”（编号：14JXN014）研究成果。

范谊（1970— ），男，江苏泰州人，计算机高级教师，广州市海珠区教育发展中心中小学信息技术教研员，现代教育技术专业教育硕士，研究方向为中小学信息技术教材、教法。