引思维之路辟计算之径

李艺+荆晓虹

对话嘉宾：

李艺：教授，教育技术学博士生导师，南京师范大学教育技术学科带头人，兼任2013—2017全国普通高校教育技术与方法专业教学指导委员会/教育技术学专业教学指导分委员会副主任委员、中国教育技术协会信息技术教育专业委员会副主任委员、第二届全国基础教育课程教材专家工作委员会委员、第二届全国教师教育课程资源专家委员会教育技术及综合实践工作委员会委员、全国教育科学规划学科规划组成员等职。研究方向为中小学信息技术课程、教育游戏研发与应用、汉字信息标识与处理、教育技术哲学等。

对话嘉宾：

荆晓虹：江苏省丹阳高级中学信息技术学科高级教师，镇江市学科带头人，同时从事信息学奥林匹克竞赛辅导工作。曾获江苏省信息技术科普先进工作者、镇江市“十佳教师”等荣誉称号。2012年被评为镇江市高中拔尖人才培养优秀教练；2014年被评为全国信息学奥林匹克竞赛优秀指导教师；2015年在“一师一优课”评比中，所讲的课被评为省级优课。曾主持省教研重点课题“基于计算思维培养的高中信息技术教学模式研究”等多项课题，多篇论文在省级、国家级期刊发表，2016年4月，论文《基于计算思维培养的“做中学”教学模式探究》被中国人民大学《复印报刊资料》转载。

在新课标中，信息技术学科的核心素养被界定为：信息意识、计算思维、数字化实践力、信息社会责任。对于核心素养中的“计算思维”，我们该如何解读呢？这个问题很重要，因为它将引导我们明确课程价值和教学目标，实施有意义的教学活动。那么，计算思维是什么？

荆晓虹：李教授，您好！新课标已经明确了信息技术学科的核心素养，围绕核心素养继续进行课程建设应该是下一步工作的重心。当前，随着信息技术的普及应用，对信息的感知、判断和再利用，已经深刻影响着每个人的生活。例如，我们外出旅行，就可利用相关设备、技术感知和旅行相关的信息，如气候、景点、交通工具等，并运用合适的工具对信息进行加工，为出行做充分的准备。在活动过程中，我们都围绕着信息技术工具的应用，进行数据的收集与处理，也进行着思考，并且思考问题和解决问题的方法也因受信息技术的影响而发生改变，这些应该和信息技术核心素养密切相关，与计算思维密切相关吧？

李艺：是的。人类认识自然与社会的过程是从感性走向理性的，感性是靠人类基本的五官感知与心理感受，而理性则必然依赖思维，合理的思维是理性的保障。人的进步，首先是思维的进步。在信息社会，现实世界中的事物将被数字化，以“数据抽象和自动化处理”为代表的计算方式正改变着人们的行为方式和心理历程，这种转变，若需要一个标签来标识的话，计算思维应该是不二之选。我们甚至可以说，计算思维正逐步成为人们解决问题的一种重要思维方式。

从生活的角度看核心素养的表现，对指导教师教学活动的开展有启发作用。数字化环境需要我们对信息发展变化过程有敏锐的感知能力，能够根据问题的需要自觉主动地获取、加工、表达和交流信息。与此同时，我们还要对信息来源的可靠性、内容正确性以及问题解决的有效性作出判断。在解决问题的过程中，我们用着别人的成果，同时也应该自觉形成创造和奉献的意识和责任，要遵守信息社会的法律法规，安全地使用信息技术，养成信息社会学习、工作、生活的良好习惯，共同建设具有多元文化的信息社会。因此，培养具有信息意识、计算思维、数字化实践力、信息社会责任的公民是基础教育阶段信息技术学科的重要目标。

荆晓虹：从课程实践的角度看，我们似乎必须向现实生活寻找答案。以旅行为例，我们可以将问题分解为选择旅行地点、选择旅行线路、制订游玩计划等子问题。对每一个子问题，我们再抽象问题特征，建立结构模型，对数据进行分析和组织。我们可以将计划旅行的各个景点与景点间的线路抽象为图结构的模型，采集相关数据并对数据进行合理组织，借助工具进行计算和分析。这样，一个个生活中的问题就转变成为一个个寻求利用数字化工具自动解决方案的问题。我所说的这些，似乎都和“计算思维”有关，因此我觉得核心素养中“计算思维”是最基础的。李教授怎样看这个问题呢？

李艺：信息科学与技术在促成社会高度信息化的同时，也拓宽和革新了传统的思维方式，以“抽象”和“自动化”为精髓的计算思维已成为信息社会中处理问题的重要思维方式。从这个意义上讲，我们要通过信息技术课程给中小学生以系统的、科学的“计算思维”的教育，因为，中小学生身处多元、互动、开放的信息化环境，将要面对的是充满新奇的、变幻莫测的未来信息世界，只有帮助他们建立科学的思维方式，才能使其理解高速發展的信息世界，正确认识技术、个人、社会的内在关系，发挥信息技术的积极因素。而在这个“科学的思维方式”之中，计算思维就是重要一员。具有系统、科学的计算思维能力的学生可以在“学技术”“用技术”的基础上，批判性地认识技术变革给予信息环境带来的整体影响，并应用学科思维解决现实生活中的问题。在基础教育中，合适的内容和合适的方法是课程设计与实施中的重要问题，作为具有丰富教学经验的优秀一线教师，荆老师您觉得计算思维中有哪些是适合中学生的？

荆晓虹：李教授，我学习过您及其他专家在计算思维方面的文章。钟柏昌等专家提出计算思维可以分解为“对象化思维和过程思维”“抽象思维和可视化思维”“工程思维和自动化思维”三单元六概念的结构，并对每个部分都进行了比较详细的刻画。[1]在您的文章中，您是站在信息技术课程的核心素养体系设计的立场上，对核心素养体系进行了刻画，给出了“对象与管理”“设计与制作”“系统与工程”“规则与安全”“合作与协作”“伦理与道德”五单元十概念的结构，这实际上也是一种“学科思维”的结构方式。

对比以上两种结构，同时借鉴了过往经验，我选取并提炼出以“抽象”与“自动化”为核心，并且涵盖与现代信息社会生活密切相关的诸如“问题解决”“数据应用”“信息搜索”“交互协作”等多组概念的计算思维框架，具体包括抽象和分层抽象、自动化（排序的思维、算法思维、问题求解思维）、关联的思维、聚集成库的思维、化整为零、不同性能资源的组合优化、分工合作与协同求解复杂系统问题等计算思维。提炼出这些具体内容有助于比较顺利地将这些思维的培养在中学信息技术课上落地生根。但思维是抽象的，还需为其找到实施教学的抓手，所以我认为您在《谈核心素养》一文中提出的“双基层”应该是抓手，是计算思维依附的载体。这个问题您怎么看？

如何在信息技术课程中落实计算思维？

李艺：在课程设计的意义上认识计算思维是一回事，将其落实到具体的教学中又是另一回事。在具体的信息技术课程教学中，如何像语文课培养学生阅读写字一样，去关注和培养学生计算思维，是教师面临的重要问题，如前所述，走进生活并走出生活，应该是很好的方法，也还有其他类似的抽象类比、化繁为简的方法。计算机科学知识与“计算思维”之间的关系要妥善处理，中小学生虽然可以通过学习计算机科学与技术的过程而获得计算思维的能力，但深奥难懂的专业知识显然不容易实施教学，因此也必然不能获得较好的“计算思维”教学效果。

不同学科的研究对象与方法不同，其知识表达形式亦不相同。例如，“0”和“1”作为信息技术学科最基本的符号，连同程序设计形式化语言一起，是信息技术学科表达的基础，也是表达“抽象”思维的重要内容，不可或缺。只有学会使用该学科特定的符号、概念、公式等表达方式，并运用本学科的基本符号、术语、概念表达思想、意见与观点，才能学会运用该学科特有的思维方式进行思考与表达。学习程序设计相关知识和技能固然是培养计算思维的主要途径，然而由于抽象符号的枯涩难懂，导致重要知识难以普及。近年来，为了普及程序设计知识及算法思维，降低程序设计学习的难度，许多优秀的图形化程序设计平台相继出现。学习者可以通过可视的图形化平台进行知识的学习和操作实践，达到理解抽象、算法、自动化等计算思维的目标。

另外，教师们还可以借助学生使用大众化工具的既有经验，为计算思维铺垫基础。根据信息技术课程以往的经验，与大众信息加工工具应用相关的基本知识和技能是信息社会学习和生活的基本武器，也是实施“计算思维”教学的主要抓手。实际上，我国基础教育领域实施信息技术教育（前期称为计算机教育）已有数十年，在小学、初中乃至高中的所有课程经验中，基于图形用户界面的大众化工具的使用，如文字编辑、多媒体制作、网络工具使用和基于网络的交流等，都聚集了计算思维的大量运用，这些是教师培养学生计算思维的肥沃土壤。同时，在过去大众化工具的研究和使用过程中，教师们积累了大量的教学经验，对相关知识和技能教学的核心要素也十分清晰，这些都是协助计算思维教学的有力武器。

荆晓虹：是的，我有过一些教学实践，曾尝试利用大众工具软件培养学生的计算思维。我曾利用“在Excel中绘制二次函数”的问题，让学生学习和体验简单的数据抽象、自动计算、算法、数据可视化等专业知识和相关计算思维。

算法和数据结构知识是呈现计算思维的重要内容，但往往因为它的抽象而使教学难以实施。教师同样可以借助大众工具和图形化表示，帮助学生理解其内涵。我举一个例子：在地图上标出小明家和博物馆的位置，以及两地的步行线路，问小明从家走到博物馆，最近的路应该怎样走？

教学时，我通过如下过程培养学生的思维方式。

①利用画图、Word等工具，帮助学生将问题抽象重述（如图1所示，小明现在A地，要去往B地的博物馆，他想要最快到达，应该怎样走呢）。

②对问题进行分析，设计算法，建立搜索树模型（如图2）。

③利用模型描述算法，用表格记录计算过程（如下页表）。

④发现规律并化简。列举当前位置向下走的每一种可能，将新到达的位置依次加入到“队伍”后面，并将上述操作过程提炼为能够解决同类问题更一般的方案，算法步骤如下：

步骤一：将起始点放入队中；步骤二：从队中取出即将走下去的位置；步骤三：选择可以走下去的一种走法，将新到达的结点添加到队后面，计算并记录当前路径长度；步骤四：如果还可以有其他走法，转到步骤三，否则转到步骤五；步骤五：如果队中结点还没走完，则定位到队中待继续走的下一个结点并转到步骤二，否则转到步骤六；步骤六：比较所有当前位置是B的路径长度，选择一个最短的走法。

⑤算法形式化表示（可以抽象为流程图或者伪代码描述）。教师根据学生对上述过程的理解情况，将自然语言描述的算法描述为流程图或者伪代码，使学生进一步理解抽象的概念及思維方法。

⑥将上述过程自动化。将电子表格计算过程中的用时数据存储到指定的单元格内，并在计算时引用这些单元格，当用时数据发生变化时，仍然可以求解，从而让学生更深入地理解抽象以及自动化的思维。这就为下一步抽象为能够完成自动计算的计算机程序作铺垫。

李艺：这些教学实践要继续坚持，以不断积累经验。另外，我们还可以通过提供数字化学习环境，设计有效的数字化实践活动实施计算思维的培养。

在数字化时代，信息技术的飞速发展使得不同地域的人们可以跨时空连为一体，共同工作、学习和生活。人们通过新环境下的社会实践，不断改变着现实生活条件，同时也改变着自己的思维方式。一方面，人们不仅需要具备相应的生存能力，更需要用数字化实践能力去适应相应的生存环境并发展自我；另一方面，培养某种思维能力必须使学习者在教学活动中运用、发展这种思维能力，特定数字化环境下的问题情境能够促使计算思维的产生。在数字化学习环境下，当学生试图解决某一问题时，需要先对已有的知识进行理解，使之内化为自身知识结构的一部分，然后综合运用知识来解决问题。对知识的综合运用有赖于思维，学生综合运用知识解决问题的过程也就自然而然地锻炼了思维。

如何设计培养计算思维的教学活动？

荆晓虹：近年来，虚拟现实学习环境、网络学习环境、数字化校园、数字化学习等研究十分火热，甚至已经形成了许多比较成熟的平台。但我感觉部分教师在运用信息技术构建学习环境时，过分强调了学习环境“实体”的构建，机器和技术只有实体，没有灵魂。我认为，利用信息技术构建学习环境除了包括应用信息技术构建环境实体外，还应依据学习理论进行科学的教学设计，并在教学设计的过程中将教育理念的“灵魂”赋予“实体”。面向计算思维培养的数字化环境应该是要创造一个优质的教学环境，此种环境除了能改进教师的教学方法，改善学生的学习效果外，还应是一个多元的、互动性高的、能培养学生主动探索问题并有利于解决问题的环境，是一个生动活泼、富有创意的教学或学习环境。

李艺：信息技术课程是学生接触信息技术、掌握信息技术并充分应用信息技术到现实世界中进行探索的重要课程，数字化环境为探索过程提供了便利。思维能力为解决问题提供有力支持，也从问题解决中获得了提升，问题解决是思维培养的重要途径。教师通过问题解决的过程，阐述并讲解计算机科学基础概念及知识，如数据抽象、数学建模、选择算法、设计程序等，传授计算机科学中的原理和方法；在知识“贯通”的过程中渗透0和1的思维、抽象思维、算法思维、问题求解思维等计算思维，使学生巩固并理解相关知识和原理；最后让学生通过运用相关的计算思维解决新环境下的问题或新问题，加深理解计算思维，并提升解决问题的能力。这样，以“问题”为中心，形成知识、能力和思维相辅相成、互相促进的良好稳定的三角结构。

新课标也明确提出：培养学生运用数字化资源、数字化工具和数字化平台，开展自主学习与群体协作。在信息技术学科教学中，提供数字化学习环境，设计有效的数字化实践活动，是培养学生计算思维的重要途径。数字化学习环境以学习环境设计理论为指导思想，它具有稳定的教学活动结构框架和活动程序。在课堂教学实施中，教师创设基于信息技术应用的新型学习环境，从而营造一种具有信息技术特征的课堂氛围。荆老师应该也有一些有益的经验可以跟大家一起分享吧。

荆晓虹：在具体教学中，我主要通过设计教学活动，让学生在数字化学习环境中，自主探究或者合作解决问题，体验分析问题、搜索资源、采集数据、加工数据、分析数据、解决问题并分享结论的整个过程，每一个环节都尽量设计包容多种解决方案的子问题，充分渗透计算思维的应用。例如，我通过提供多种工具，在采集数据环节，让学生体验不同层级的抽象，在加工数据环节，让学生体验不同程度的自动化过程等。

教师可以设计基于信息技术应用的实验环境，利用与生活相关的问题，引导学生将生活经验迁移到问题情境中，在数字化学习环境中寻求解决方案。例如，我设计了一个问题：小明家的商店出售牛奶，妈妈告诉小明，牛奶如果卖价高了，售出的量就小，卖价低一些，售出量就会增加，但也不能一味降低價格。妈妈给上高一的小明出了一个难题，怎样定价才能保证一天的盈利达到100元呢？学生思考回顾并得出解决问题的一般过程，即发现问题、明确问题、提出解决方法、检验解决方法。在此过程中，学生要先确立问题解决中的难点和要素，并初步了解抽象的概念和学习抽象的方法。在对数据进行加工的环节引入自动计算的概念，归纳运用自动计算工具（计算机）解决问题的一般过程：分析现实问题、搜集问题的数据、建立数学模型、设计算法并自动计算。这样，学生通过数字化环境下的一个实验既解决了生活中的一个问题，也发展了计算思维能力。

又如，我让学生在数字化学习环境中调查当前中学生数字阅读的状况。学生进行了问卷调查，并从一堆有关数字阅读的信息（微信、微博、网络空间等）中提取信息。学生将收集到的信息分离、提纯和简略之后抽象为待加工的数据，稍复杂的问题还需要将信息分类、分层抽象，可以认识和把握数据间的关系，选择不同功能的加工工具辅助加工，如表格数据可以借助Excel、Access等工具软件加工处理。计算机抽象的数据可以用更丰富的结构存贮信息，从而实现更多的加工需求，并借助程序设计方法实现更智能化加工。学生通过解决简单问题，理解数据、数据抽象方法、数据存贮结构等概念，建立基础知识学习与问题解决的联系。数字化学习环境保障了所有活动环节的顺利进展，让学生通过体验提高学习品质。设计学生活动时，我尽量考虑融入对学生计算思维的培养。李教授，您觉得还有其他思考角度吗？

李艺：运用计算机解决实际问题时，最重要的是建立数学模型，即将问题中各个要素抽象为从基本的数据类型到复杂的构造类型的各类操作对象，并设计对象处理的可行算法。问题的求解过程为：输入对象—对象处理—输出对象，关注的重点是对象及对对象的操作。现实世界中每一个利用信息技术解决的问题都是如此，包括教师的教学过程。如果教师能够把计算思维应用到自己的教学行为中，并帮助学生清晰地解读行为，学生就会更充分地理解计算思维，更深刻地认识到它的重要性，从而也会在学习过程中尽量去应用计算思维。

荆晓虹：对呀，课堂教学的过程也可以从计算思维的角度去思考。一次教学活动可以被抽象成一个求解问题模型，教学中的各个要素则被抽象为具有各种性质的对象，教学过程被分段抽象成施加到对象上的各种操作。如果把怎样上好一节课看作一个待解决的问题，教师会重点考虑问题的输入是什么，问题的输出是什么，我们可以借助的结构和方法有哪些，怎样操作可以减少冗余，怎样在不确定的情况下（如学情）进行规划、调整，并预估效果，从最坏的情况进行调整和系统恢复以保证最佳解决效果等。

计算思维如何实现育人价值？

计算思维作为连接虚拟世界和现实世界的桥梁，在生活中处处可见它的影子，如人们有秩序地排队与算法中的排序思维、自觉合理使用网络与关联思维、科学管理与分层抽象思维等。计算思维的培养最终也是为了育人，李教授是否可以从“育人”的意义上讲一讲这个问题？

李艺：面向计算思维的信息技术课程是期望学生将信息技术学科思维方式合理迁移至日常生活与学习之中，将学科方法渗透到解决信息问题之中，期望他的能够成为信息社会的问题解决者、革新者和创造者。我在《谈核心素养》一文中将核心素养的“双基”“问题解决”“学科思维”三层关系解读为“问题解决以双基为基础，学科思维以双基和问题解决为基础；学科思维唤醒并照耀着问题解决层和双基层，使之一并产生价值和意义”，同时又指出“思维方法和价值观，必须是经过系统的和较长时间的体验式学习活动而潜移默化到思想深处的、稳定的、可迁移的思维方式或思维模式且形成习惯”。计算思维是教学活动所要达成的目标，继而具备了计算思维的学生又是新的教学活动所要重视的对象，如此循环不断强化，才能让计算思维融入学生的意识，真正成为他们的“核心素养”。

同时，构建核心素养体系，是面向整个社会的需求，是提升我国人才培养质量，增强国家核心竞争力的关键环节。各学科在落实核心素养时，既要落实跨学科的综合性核心素养，又要彰显本学科独特的育人价值，确立学科自身的核心素养。所谓学科核心素养，粗略地说是指凸显学科本质，具有独特、重要育人价值的素养。

计算思维的育人价值是什么？或者说，学习了信息技术课程，会发生什么样的变化？这是个非常复杂的话题，或许今后我会认真思考并专门撰文讨论，此处只能泛泛而谈，不会十分严谨，仅供参考吧。例如，学习者通过学习信息技术课程，可以学会如何认识对象，理解对象可能是一个数据，也可能是众多资源的聚集，甚至是现实中的一个问题；可以多角度地认识对象，一个问题还可以重新阐述成一个便于利用工具解决的问题；通过熟悉计算方法的多样性，了解计算方法的特定性及优势，学会如何提取和描述对象的属性，自觉形成借助技术方法高效解决问题的习惯；理解对象可以选择合适的方式组织存贮，便于利用相互间的关联构建合适的结构，产生新的价值；对于身边大量的信息和资源，能够化简分解、甄别筛选、合理组织，多维度多角度地进行关联与分析，分层级地管理信息和解决问题；通过体验系统中的对象如何分解分层、协调合作的过程，理解设计系统可以使各个对象优势互补，集聚众力，发挥对象的更大价值。从而他能够认识到：人不是孤立存在的，在与他人、物、环境等各种对象的交互和交往中，要树立自我保护意识，确立良好的交往可以帮助提升生活品质的信念；正确理解竞争与合作的关系，会利用合力，有效运用资源和高效解决问题；树立面对复杂问题运用科学方法解决的勇气与信念，以及人、技术、社会和谐共存的信心。

荆晓虹：想不到信息技术课程还有这么多宝藏可以挖掘啊！对于计算思维的育人价值我是这样理解的。例如，抽象是信息技术的首要特征，现实世界到虚拟世界的第一步转换便是抽象，因此抽象思维是计算思维中的重要组成部分。对于育人来讲，信息技术学科中的抽象可以帮助学生从不同的角度观察和分析事物、多个维度建立联系、分层级地分解和化简事物，更具有普遍意义。这一认识客观世界的独特方式，是每个社会公民无论从事何种职业都不可或缺的基本素养。这些便是抽象思维所独有的、最核心的育人价值。所以說，计算思维最终目标是塑造人的品质。最后，李教授能否从课程建设者的角度给一线教师提些建议呢？

李艺：我认为在“核心素养”的概念下把握课程，应该从“学科思维”“问题解决”“双基（基础知识、基本技能）”三个层面同步推进，缺一不可。借鉴哈尔滨工业大学战德臣等学者在将计算思维落实到高校相关专业或课程之中的研究成果，教师可以构建问题解决、知识技能和思维三者相辅相成、互相促进的良好稳定的三角结构，使得“知识/术语”随着“思维”的讲解而介绍，“思维”随着“知识”的贯通而形成，（行为）能力随着思维的理解而提高[2]，采用如下页图3所示的三角结构来引导计算思维在教学中的落实问题。

图3可以解读为：以信息社会人类解决的社会/自然问题为背景，并将问题以适合基础教育阶段学生理解的层次呈现出来，通过问题解决/分析的过程，将知识/概念的讲解、行为/能力的提升、计算思维的培养三个方面互相融合和促进，使得知识/概念在解决问题的行为中得到巩固，同时也体现出知识/概念对问题解决的必要支持；使得计算思维在问题解决过程中得到更深刻的认识，同时计算思维也指导实施更加有效的行为；问题解决为枯涩的概念与抽象的思维间架设了桥梁，使思维借助知识更具体化，思维也使知识更系统。在计算思维的引领下，随着知识、能力和学科思维的不断提升，学生的内在思维品质也会在潜移默化中得到强化和提升。

参考文献：

[1]钟柏昌，李艺.详论计算思维——科学涵义与社会价值解析[J].江汉学术，2016（2）：88-97.

[2]战德臣，聂兰顺.大学计算机：计算思维导论[M].北京：电子工业出版社，2013.

对话印象

2013年，我领衔的工作室有幸请来了信息技术教育专家李艺教授。在工作室的第一次活动中，我上了一节教学研究课。在课上，我打破“学经典，用经典”的常规算法教学思路，尝试引导学生在开放的实验环境中构建“经典算法”。但由于学生实践能力的差异，导致教学目标的达成率并不高，这让我很是沮丧。“我平时只带三五个学生，四五十个学生的课堂不容易啊。”李教授幽默而深刻的话语让我沮丧的心情得到平复，也让我明白了教学中应该更加关注学情和教学资源，应该从关注自己的“教”转移到关注学生的“学”。

在李教授的引领下，我开始系统地学习计算思维，研究计算思维在教学中的培养方式，开始探索学科发展的新道路。李教授非常忙碌，向李教授请教的过程，包括此次对话，大多是借助网络和电话完成的。在李教授线上、线下的精心指导下，我的学科思路逐渐清晰起来。回忆走过的三年，我的内心充满感激。

最近两年，由于新课程体系设计和新教材的编写工作，我更加频繁地请教李教授。每次请教都能让我收获满满的精神食粮，让我不断超越昨天的自己。在此，特别感谢李教授与我进行的这一场对话！愿与更多的同仁交流与分享！

——荆晓虹