小学教育中计算思维方式培养

汤希玮，胡秋玲

（湖南第一师范学院 a.信息科学与工程学院；b.图书馆，湖南 长沙 410205）

小学教育中计算思维方式培养

汤希玮a，胡秋玲b

（湖南第一师范学院 a.信息科学与工程学院；b.图书馆，湖南 长沙 410205）

计算思维是信息社会公民需要具备的基本技能。在中小学教育领域，计算思维能力的培养并没有引起足够的重视。小学教育中计算思维的培养，要从培养学生的计算思维意识、制定培养计算思维的标准和提高小学教师信息技术素养三方面着手。

计算思维；小学教育；指令化；案例

引言

现代社会，信息技术对人类的影响无处不在。不断推陈出新的电子产品，不断升级换代的计算机网络，一方面深刻改变了人们的衣食住行，使生活更加方便和美好，另一方面也对人们的适应能力提出了新的要求。信息时代的新公民不仅需要具备阅读、写作、算术等传统技能，更需要具备一种全新的能力——计算思维。当前，在大学教育中，计算思维方式的培养已经逐步融入大学计算机基础课的教学当中，一些知名高校已经取得了长足的进展。例如，哈尔滨工业大学在总结了多年的计算思维教学活动之后，在MOOC平台推出了《计算思维导论》课程。但是，中小学教育，尤其是小学教育，人们对小学生信息素养的期望仍然停留在初步的信息技术知识的传授上，忽略了计算思维的培养。本文将从计算思维的概念和特征出发，探讨小学教育中计算思维方式培养过程，以及面临的问题和可能的解决措施。

一、计算思维

计算思维（Computational Thinking）是计算机科学领域的一系列思维活动，它基于计算机科学的基本概念和基本理论求解问题、设计系统和理解人类行为[1]。具体而言，计算思维关注并行处理，用递归的方法解决问题；计算思维通过抽象和分解的方式，应对庞杂的任务或设计复杂的系统，它采用简洁的数学模型刻画系统的行为，并且能保证用户在不理解任何细节的情况下，安全地使用、调整和影响一个大型系统的信息；计算思维基于启发式推理求解问题，在不确定的情况下进行规划、学习和调度，它还利用海量数据加快运算进程，能很好权衡处理能力和存储空间。

计算思维具有如下特点：

1.概念层面的思维

计算思维并不等同于程序设计，就像计算机科学不仅仅是计算机编程一样，它要求像计算机科学家一样，在抽象的多层次多角度上思考问题。

2.本质是人的一种思维方式

计算思维是人的一种思维方式，而不是计算机的思维方式。它是人类求解问题的一个重要选择，但并不是要人类象计算机一样思考。

3.数学思维和工程思维的结晶

数学这种形式化的工具促进了计算机科学的诞生，解决问题的计算机算法通常脱胎于数学思维。另一方面，计算机科学又与工程思维有密切的联系，因为人们设计和建造的系统必须能够与现实世界交流，而计算设备的限制迫使计算机科学家必须从工程角度看问题并计算性地思考。

4.是一种思想，而不是人工产品

软件和硬件产品作为计算思维的产物以物理形势呈现并时刻触及人类的生活，但更重要的是，它还作为一种求解问题、管理日常生活、与他人交流和互动的计算概念而存在。

总之，计算思维作为一种解决问题的方法，能够沟通计算机科学与其他学科领域，淡化具体专业，强调运用计算概念、原理解决问题的过程。

二、基于计算思维培养的小学语文课教学设计

早在 2006年，卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon University）的周以真教授就提出要在学校开展计算思维教育[2]。五年之后，国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会（CSTA）在美国国家科学基金会（NFS）的支持下，研发出了一套计算思维教师资源[3]，该资源给出了K-12教育（指美国从幼儿园到12年级的教育）中计算思维的操作定义、词汇、进阶图标、学习经验和使用场景。该资源指出，从小培养学生的计算思维技能，对他们将来从事医学、历史、法律、教育或其他专业性工作具有深远的影响，能开拓他们解决问题的新视野。同时，解决问题的技能会随着学生年龄的增长变得越来越复杂，因此，在小学教育中培养学生的计算思维方式，实际上奠定了贯穿于他们的学术生涯和职业生涯中技能发展的基础[4]。本部分将通过设计一个具体的案例阐明计算思维如何贯穿到小学教育活动中。

（一）案例过程

案例名称：一年级语文课计算思维方式培养。

以湖南第一师范学院第一附属小学一年级的语文课为例，这次课要求学生说出一组连续的指令完成一个任务，即告诉老师如何从当前的教室走到毛主席曾经坐过的八班教室的座位。课堂活动侧重于使用向前、向后、左转、右转、距离、步骤等词汇。

开始环节：场景引入

教学活动始于教师描述一个场景：“大家都去过毛主席曾上课的八班教室，假设我们就在八班教室，班长坐的就是毛主席坐过的位子，我现在看不见，谁能指挥我到达毛主席的座位？”。教师可以进一步将问题分解，比喻“我要怎么做呢？”“我要选哪个方向？”“在哪里转弯？”等。这一课堂热身活动是口头语言发展的一部分，关注前、后、左、右、距离、步骤等词汇。

第二环节：训练学生

教师提出一个问题后，随机挑选一个学生，让他给教师一些具体的指令到达目的地。具体步骤如下：

1.请求指令。教师对指定的学生说：“请给我指令，让我到达毛主席的座位。我只会告诉你我现在的位置是讲台后面，请告诉我第一个方向好吗？”这时，教师不要修正学生给出的每一条指令，而是明确表示将按照学生给出的指令移动，同时允许学生可以根据教师的行动过程修改自己的指令。

2.教师严格依据学生的指令移动。如果学生说“左转”，教师左转之后一动不动，等待学生的下一步指令。如果学生接下来说“走”，教师随机行走，不要停止。同时要求学生给出更详细的指令，比如要走多少步，下一步哪里转等。

3.最后到达目的地。要求学生重复刚刚下达的指令和步骤。如果学生复述不了，请全班同学帮忙补充。

第三环节：强化指令

1.要学生写指令，每两个孩子一组，按照刚写的指令付诸行动。一个孩子发指令，一个孩子移动。引导学生根据经验修正指令。

2.阻塞路径，让学生找到一种替代的方法到达座位。

3.让学生给出至少三条到达目的地的路径。然后，要学生评估哪条路径最近或最快，这组学生应该能够解释为什么一条路径比其它路径更快到达。

4.再给学生一些其他的任务，要求学生给出一系列明确的指令。

这些活动强化了排列顺序和不正确步骤的影响，能让学生列出每步的步骤，明了事情发生的过程，从而学会逻辑地思考问题，这对完成任务至关重要。而让学生寻找替代方法，则进一步培养了学生的创造力。

第四环节：指令应用

这一环节主要引导学生将本课程学到的指令化方法应用到实际的生活和相关的职业活动中，思考相关的问题。例如：

1.科学研究中，经常需要用到指令化方法。科研人员通常需要再现前人的实验，这时，实验的步骤和顺序对他就非常重要。

2.每天起床到上学的过程中，用到指令来完成相关的任务。比如，起床，去卫生间，穿衣，刷牙，洗脸，喝水，早餐等序列化动作。

3.陶艺学习中，用到指令来做成一件陶器。

（二）案例分析

本部分需要分析以上的教学活动从哪些方面体现了计算思维的培养。

1.训练学生环节

要求学生提供准确的实际的路径指令。这里培养了学生的算法思维即用一系列确定的步骤解决问题或完成任务。

2.指令强化环节

（1）写指令。它实际上是通过要学生对路径进行分段，达到培养学生将复杂问题分解成众多简单问题的能力。这是计算思维中的核心能力即问题分解。

（2）寻找替代方法。它培养学生处理算法中的不确定性和模糊事物的能力。

（3）评估路径。它培养了学生有关计算思维中最优化问题求解的能力。

（4）完成不同的任务。它培养学生将指令化思想迁移到其他需要这种能力的场景中。

三、计算思维培养的对策

（一）培养计算思维的意识

我们国家在上世纪80年代就开始在部分中小学开设计算机课程，本世纪初在北京召开的“全国中小学信息技术教育工作会议”标志着中小学信息技术教育全面发展。后来，《普通高中信息技术课程标准（实验）》的制定进一步推动了信息技术课程的发展。但是，信息技术课程中有关信息素养的培养，一直没有触及一个深层次的问题即计算机到底是工具还是一种思想。在实际的教学当中，人们相信计算思维的培养就是教小学生编程序。教学中非常重视编程语言的传授和算法细节的描述，强调用程序设计语言解决实际问题的能力。这实际上是一个误区，很多时候不过是将大学新生计算机基础课的部分内容下放到小学，且不说有多少小学生能听懂学会，权想想小学生的语文、数学、英语等课程的学习所花费的时间，就能明白将大学计算机基础课的相关内容下放对小学生是一个多么大的学业负担。其效果必然大打折扣，导致在小学教育中培养计算思维成为一句空话。

真正的计算思维培养，不是教小学生编好程序，而是引导他们像计算机科学家一样思考问题，将计算思维中的分解、递归、建模等思想贯彻到语文、数学等课程的教学中去，培养学生在日常的学习和生活中有意识地将复杂问题分解为若干易于管理的简单问题并分步骤有次序解决的能力。

（二）制定培养计算思维的标准

目前在小学教育中，既没有统一的教学标准也没有操作性强的教学大纲来指导小学教师应该如何培养小学生的计算思维。而在信息技术发达的国家，如美国2011年就出现了“CSTAK-12计算机科学标准（2011）”，该标准系统地描述了小学（K1-6）、初中（K6-9）、高中（K9-12）三个不同水平阶段的具体要求。2016年9月，该标准的修订版正式发布，新版本进一步强调了计算思维在小学教育和中学教育中的地位和具体的实施方式。

我们国家应该借鉴信息技术发达国家的先进经验，因地制宜，由教育主管部门组织相关的教育机构和知名学校中的专家在广泛调研的基础上，制定小学教育中培养计算思维的行动纲领。该行动纲领应该体现从“具体标准”向“素养标准”转变，不仅要将计算思维贯彻到科学课中，还要更加宽泛地将计算思维的培养贯穿到语文、数学、音乐、社会实践等课程中去，使学生通过在多学科领域中的学习实现该标准。

（三）提高小学教师信息技术素养

从前述案例可以看出，培养小学生的计算思维，不仅仅是信息技术老师的责任，其他非信息技术课程的老师也一样责无旁贷，即需要各学科的老师共同承担计算思维的教学任务。但是，目前的实际情况是，一方面信息技术专任老师短缺，另一方面是非信息技术教师的信息技术素养偏低。因此，一方面，国家要在师范院校继续大力培养信息技术教师；另一方面，教育主管部门需要制定政策，将计算思维的学习作为教师职业发展的一部分，有计划分批次培训现有小学教师，切实提高他们的信息技术素养。

结语

在欧美发达国家，计算思维方式的培养已经贯穿到小学教育的日常教学活动中，并已经形成了操作性强的教学标准。我们国家在这方面还处于起步阶段，有关小学教育中培养计算思维能力的研究和探讨工作有待进一步展开。

参考文献：

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

[2]汪琼,陈瑞江,刘娜,李文超.STaR评估与教育信息化研究[J].开放教育研究,2004(4)：10-14.

[3]Operational Definition of Computational Thinking for k-12 Education[EB/OL].[2012-04-15].http：//www. iste.org/Libraries/PDFs/Operational_Definition_of_ Computational_Thinking.sflb.ashx.

[4]徐晓东,乔世伟.计算思维：从小学至高中《信息技术》教育的新目标[J].教育信息技术,2015(5)：3-8.

The Cultivation of Computing Thinking in Primary Education

TANG Xi-weia,HU Qiu-lingb

(a.School ofInformational Engineering;b.Library,Hunan First Normal University,Changsha,Hunan 410205)

Computing thinking is the basic skill for citizens in information society.However,the cultivation of computing thinking is not paid attention to in primary and secondary schools.Three aspects are very important for the cultivation of computing thinking for primary students,including cultivating the students computing thinking awareness,regulating the standard and improving the teachers’information technology level.

computing thinking;primary education;instruction;case

G622

A

1674-831X（2017）02-0023-04

[责任编辑：胡 伟]

2016-12-10

基础教育信息化技术湖南省重点实验室（2015TP1017）；湖南省教学改革研究项目（湘教通〔2015〕118号）

汤希玮（1973-），男，湖南安乡人，湖南第一师范学院副教授，博士，主要从事计算机应用研究；胡秋玲（1976-），女，湖南常德人，湖南第一师范学院馆员。