中小学生计算思维培育的路径与策略

费海明

计算思维作为信息技术领域“生发”的思维方式，目前已经成为中小学信息技术课程的核心素养培育的重要板块。随着人工智能社会的演进，培育拥有计算思维的人才显得更为重要与迫切。但计算思维是一个比较抽象的概念，源自于大学教授的计算思维如何落地中小学信息技术教育，是值得思考与探索的问题。计算思维可以如何分解，它的重要板块有哪些，人工智能时代的新元素如何照进课堂成为课程资源，又有哪些方法策略在课堂中推进计算思维的培育？这一系列思考构成了本文写作的目的。除“程序设计”外，本文想涉猎更为广泛的技术课堂来谈计算思维教育的实施，探讨中小学生计算思维培育的路径与策略。

可操作——计算思维落地于中小学课程的定位

在计算思维的视角下，任何学科的问题求解都是一个“计算”过程，计算的本质是抽象与自动化。对于计算思维的概念定义，周以真教授以外延式的形式给出：约简、嵌入、转化、仿真、递归、并行、预防、保护、恢复、冗余、容错、调度等。显然，周以真教授对计算思维的分解是基于大学信息技术学科专业背景的，有其面向开发级的特点。对于中小学生来说，计算思维的分解则需更多地指向生活应用级，这样会更接地气，更具可操作性。从南华大学黄玲玲《计算思维特征探析》一文对计算思维特征的分析中，笔者受到启发，我们可以从计算机对人的思维影响视角，去分解中小学生计算思维应具备的内容。

整个计算机是一个由硬件和软件组成的统一体，而硬件又按冯诺依曼体系自成一体，软件又由操作系统和应用软件完美融合，系统设计思想无处不在，因此，系统化是计算机的一个显著特征，系统思维是计算思维的重要组成；计算机对现实问题的求解，都需要转换成二进制——即数字化，因此，数字化思维是计算机环境下问题求解的基本思维方式；数字化的处理依赖于特定的算法，不同思维方式形成不同的算法，不同的算法對问题求解的效率不同，因此，算法思维当属计算思维的又一分支；而今的计算机不再是一座孤岛，而是通过互联网广泛联结，计算机借助不断进化的算法和几何级增量的大数据，以用户为中心，能自学习、自适应，变得越来越智能化，教育、出行、投资、营销、支付等行业被创新重塑，因此，影响着世界的互联网思维是计算思维的重要组成，其背后是智能化思维的体现。这样一来，计算思维可以分解为系统思维、数字化思维、互联网思维、算法思维和智能化思维。

图1 计算思维的分解

分解了计算思维，我们就可以结合中小学信息技术课程内容安排，将计算思维落地，融入至更为具体的技术实践活动。将中小学生的计算思维培育划分为小学阶段与初中阶段，按照由易至难、由简入深、螺旋上升的原则进行布局。

图2 中小学计算思维培育的实践载体

小学阶段的计算思维培育以技术的初级应用为主，辅以少量程序设计和机器人项目。初中阶段的计算思维培育以软硬件系统、数据分析、图像处理、动画制作和程序设计为主，其中程序设计涉及了初级算法，较之小学，更系统、更理性。

适切性——计算思维培育的课程资源开发取向

图3 计算思维课程资源的挖掘方法与设计原则

在分解计算思维的基础上，我们可以将计算思维与中小学信息技术课程内容有机融合，结合技术发展的时代元素和学生的学龄特点，开发出有着“计算思维味”的课程资源，课程资源有着基础性、模板性和范例性的特点，它能为教师的教与学生的学提供双边支持，从而为计算思维的落地提供了肥沃的土壤。

在挖掘方面，可以把握以下三个维度。其一，从数字化生活处挖掘。将鲜活而真实的生活与计算思维习得相联结，如 “微信扫码骑摩拜单车”“远程控制智能家居”“旅游出行携程伴侣”“远程医诊方便民众”等。其二，从学生内心向往处挖掘，如从Scratch游戏设计、开源硬件动手制作等入手，让学生在“玩”中体验算法思维、智能化思维，又如“让学生解决电脑‘变卡”问题中培育系统思维。其三，从IT新技术处挖掘，如波士顿公司的“仿生机器人”、百度小秘的图像识别、腾讯的“绝艺”人工智能围棋等不断刷新学生的技术视界，成为计算思维探讨的“高大上”资源库。

在设计方面，可以遵循以下四大原则：线上线下贯通、虚拟现实融合、时尚经典并存、技术思维同行。通过对“原生”计算思维资源的“加工处理”，使课程资源充满“设计感”，让课程资源彰显魅力。

模型化——计算思维培育的教学策略集构建

图4 “计算思维”培育的策略方法集

计算思维的培育需要适切的资源和行之有效的实践性活动，这离不开教学策略与教学方法的创新与应用。在行动研究中，我们基于项目任务，以“是什么”“如何用”“为何用”“何以能”为主线，关注技术与思维的同行，构建计算思维内化的活动“模型”，提炼出“原型感知式”“技术实验式”“作品逆推式”“算法构建式”和“造物创新式”五大教学方法，培育和发展学生的计算思维。

1. 原型感知式

原型感知式是指通过典型的感性材料让学生建立起原型所映射的计算思维概念的一种教学方法。教师深入理解计算思维的概念后，将概念在其头脑中具象化，并寻求或设计与概念相匹配的“原型”让学生感知体验，通过感知后的意义讨论，可以促使学生的计算思维基本概念建立和思维的生发。

图5 “原型感知式”助力学生初识计算思维概念

原型感知的方式常见的有“典型图示法”“微视频法”“任务体验法”等。不同的原型感知方法，有着不同的感知优势，适合不同的计算思维培育。

不同种类的原型感知的教学适用度

计算思维方法 典型图示法 微视频法 任务体验法

系统化思维 ▲ ▲ ▲

数字化思维 ▲ ▲

互联网思维 ▲ ▲

算法思维 ▲ ▲ ▲

智能化思维 ▲ ▲

“典型图示法”的优势是快捷高效，由于互联网有着海量的图片资源，因此寻求原型方面不存在着搜索“压力”，而且可以通过若干典型图的呈示，较全面地覆盖概念的外延，从而减少概念内涵不完全归纳的缺陷。“微视频法”的优势在于能聚焦主题，让学生感受到个体本身无法观察到的技术微观与宏观现象，还能超越时空界限，弥补人体感官的不足。endprint

“任务体验法”的优势在于能让学生亲身沉浸在技术环境中，基于动手实践，通过自身的感官获得原型的感知。

2. 技术实验式

技术实验式是指通过提供实验环境、研究材料，通过设备搭建、软件操作、程序设计等试验性、尝试性技术活动，培育学生计算思维的一种教学方法。技术实验活动中，实验结果往往与学生在实验前的预估、猜测、假设产生强烈对比，让学生产生强烈的认知冲突，学生不得不修正头脑原图式去迎接新概念，以获得实验现象与理论解析的一致性，在此过程中会发展学生的计算思维能力。

图6 “技术实验式”助力思维的深化

例如，要让学生了解压缩软件的工作原理和价值意义，教师可以和学生一起开展一次压缩实验。在压缩实验中，学生一致发现：位图文件压缩率非常大，但JPG图片和MP3文件压缩效果微乎其微；DOCX文档可以被压缩，但压缩效果不理想；最为惊奇的是，较小的文本文件压缩后，文件反而变大了！

“压缩文件比原文件小了，压缩软件又是如何做到的呢？”“文件反而变大了，说明了什么？”通过一步步的好奇之问，让学生愉悦地探究压缩编码的秘密，渗透数字化思维。

3. 作品逆推式

作品逆推式就是对已经完成的技术作品（成品）进行“逆向思维”的一种计算思维培育方法。“作品逆推式”通过艺术性成品的呈现，让学生对创作产生向往感，激发学生应用计算思维技术解构，分析作品“打磨”过程中需要采用的技术和思想，通过逆向推导，形成问题解决的流程与方法，最终通过巩固原计算思维，发展新计算思维。

图7 “作品逆推式”产生“温故而知新“的效应

例如，在教学“美妙的海洋世界”一课时，在课堂导入伊始出示已经完成的作品，在学生赞叹于海洋世界的绚丽多姿时，适时激发学生逆向思考一个问题：“老师的美术功底很差，但是却能把一条普通的鱼做成了一幅这么美丽的图画，你来猜一猜，这是如何做到的？”

图8“遇见好朋友”作品的逆推分析

学生通过原始素材与最终作品的对比，会调用原本的数字化处理思维思考问题解决的方案：“要用到复制”“不同的大小是通过缩放实现的”“还有翻转”“用圆形画水中的气泡”……接着，教师进一步引导学生归纳数字化处理的完整方案。

4. 算法构建式

算法构建式是让学生对任务实践中的技术进行抽象，从个别到一般构建算法、再从一般到个别检验算法，在此过程中培育计算思维的一种教学方法。“算法构建式”教学方法应注重循序渐进，使学生从实例到算法雏形，再从算法雏形向算法初级模型演化，最终 “回到实例”，检验算法的“适用性”，计算思维得以自然构建。

图9“算法构建式”通过逐步抽象使模型不断演进

例如，在教学循环的自主建模时，十进制转二进制是一个比较经典的例子。可以让学生用短除法体验整个求解的过程，然后让学生观察短除法的算式并提问：哪些部分是一直重复做的？重复做时，什么在变，什么没有变？当什么时候“重复做事”停止了？最终我们要输出的是“谁”？

图10 进制转换循环体的抽象与建模

在探讨关键点后，可以让学生用变量a、变量b、数组r分别标识被除数、除数和动态更新的r数组，并让学生写出循环中止的条件和重复做的事件（循环体）。这样，学生在纸上就可以描绘朦胧的算法模型，在此基础上，无论是用C++、python、VB等程序语言来“表达”，都会水到渠成。

最后，再从一般至特殊。通过例举特殊样例，考验选排算法模型的“何以能”，使学生深刻领会了循环体令计算机自动化“推进”的机理，从而提高了算法的自主建模能力，使学生形成了“循环求解”方面的计算思维。当然本题还可以在理解循环的基础上，可以让学生尝试递归求解，培育学生“递归求解”方面的计算思维。

5. 造物创新式

造物创新式是指通过创客类的创作活动，让学生在创新的驱动下，灵活应用计算思维，创造性地运用计算思维实现创新发明的一种教学方法。我们鼓励学生从生活畅想出发，确定自身的创作主题，在后面过程中让学生拥有Ardunio等基本技能，通过展示讲演的舞台，让学生深度思考“为何创”和“何以能”，最终让学生在与伙伴的分享学习中，将创新落地，将想象物变成现实。“造物创新式”给予学生最大的思维调用度，加之拓展视野的引导，可以提高学生灵活应用、创新造物的计算思维水平。

图11 创造驱动让学生的计算思维火花迸发

例如，学生在接触了几天传感器后，根据生活经验，设想了一种“智能水杯”——能检测温度和水量并给用户温馨提示。指导教师了解这个孩子的创意后，首先肯定了这个很有生活味的创意，然后让学生看微信跑步圈和逗人的小冰、度秘机器人，引导学生是否能通过互联网、智能化来改进创意，使得创客作品更具人性化。

图12“亲情水杯”智造体验

培育计算思维并不是让学生像机器运作一样训练自己的思维，而是要让学生像科学家或专家一樣形成用计算机求解问题的特有的思维习惯与思维方式。在这人工智能极速演进的时代，拥有计算思维的人往往能更好地洞察高度信息化的社会，更从容地胜任未来的学习与工作。让技术与思维同行，让学生与时代共鸣，在“可计算”的基础上，关注思维过程与结果的创造性，是中小学生计算思维培育的不懈追求。endprint