浅谈高中生计算思维的培养

顾晓

摘要：随着计算机科学的高速发展，大数据、云计算、物联网等应用延伸到了生活、生产、学习的各个角落，这使得计算思维成为思考问题、解决问题的重要思维方式。而如何培养学生的计算思维，则是每一个信息技术教育工作者需要关注的内容。本文通过分析计算思维的概念和内涵以及计算思维与高中信息技术课程的关系，阐述了培养学生计算思维的重要意义。同时，笔者结合自身的教学实践，在教学中挖掘信息技术课程中蕴含的计算思维，从简单明了的生活问题入手，设计出了能够锻炼学生计算思维的课堂活动。

关键词：计算思维；信息技术；高中

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：11674-2117（2017）22-0040-03

随着计算机科学的高速发展，计算思维逐渐成为思考问题、解决问题的重要思维方式。目前，计算思维的培养已被很多发达国家列为信息技术课程的核心目标。我国正在修订的《普通高中信息技术课程标准》也把计算思维纳入信息技术的核心素养之一。2017年7月，《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》中明确指出，“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广”。由此可见，让学生接触和认识计算科学，培养学生运用计算机对现实问题进行数据分析，通过计算模拟对问题建模，通过对计算数据的探索分析从而发现问题、解决问题的能力，是每一个中小学信息技术教育工作者需要面对和挑战的新话题，而计算科学的核心思维方式则是计算思维。

● 培养学生计算思维的重要意义

1.计算思维的概念与内涵

在自然科学领域，有三大科学思维对应三大科学方法：一是以推理和演绎为特征的逻辑思维，其对应的是理论方法；二是以实验和归纳自然规律为特征的实验思维，其对应的是实验方法；三是以抽象和自动化为特征的计算思维，其对应的是计算方法。

计算思维，即在运用计算机科学领域的思想方法形成解决问题方案的过程中，所产生的一系列思维活动，其本质是对问题模型的抽象和自动化。计算思维不是说要让人像计算机一样思考，而是指人类运用计算机解决问题的思维方式。计算思维教育的宗旨在于培养学生对问题模型抽象、自动化的思维方式，它是对传统教学中注重演绎、类比和归纳的数学思维方式，注重验证新的实验思维之外的有力补充，其本质是对思维的教育。计算思维解决问题的过程模型，如图1所示。

由此可知，计算思维是人类发现问题、抽象问题、构造模型，再利用计算机自动化解决同类问题的一系列过程与方法。在信息技术高度发展的今天，信息技术工具的使用早已渗透到人类的生活、生产、学习等过程中，培养计算思维并不是要让每一个人成为计算科学家，而是培养他们使用信息技术工具解决问题的思维方法，提升其在信息社会的适应能力。

2.计算思维与高中信息技术课程

全国中小学计算机教育研究中心的李锋博士提出，“计算思维是信息技术课程的一种内在价值。计算思维作为信息技术课程中集‘逻辑能力、算法能力、递归能力、抽象能力为一体的解决问题的方式，无论从技术方法、社会需求层面还是从个体心理发展层面来看，都是以一种独特的思维方式引导学生理解信息社会，提高学生信息技术运用的批判能力、自我调节能力”。在信息技术课程中应当关注培养学生的计算思维、创新思维和批判性思维，提升他们日后在信息社会的适应能力、创新能力，这是信息技术课程的一种内在价值。

因为计算思维是学生信息素养的思想源泉，所以教师在教学设计、教学活动中应该注重对学生计算思维的培养。对学生思维的引导与教育，不是简单、机械地传授知识，而应当以学生为主体，引导他们积极思考，通过问题的抽象、形式化、构造和自动化过程，使他们领略应用计算思维解决问题的魅力。

● 在教学实践中培养学生的计算思维

1.挖掘信息技术课程中蕴含的计算思维

美国计算机科学技术教师协会认为，计算思维教育应当存在于每个课程教学中。对于我国的高中信息技术课程而言，笔者理解的则是每个模块都要能够体现计算思维的环节或过程，教师在教学过程中要充分挖掘其中所蕴含的计算思维。

例如，在“信息与信息社会”模块的《信息技术的历史》一节中讲述古人通过烽火传递信息，通过结绳记事记录信息等，这些都是古人对现实问题进行抽象，运用烽火、绳结等约定形式传递、统计数据，作为教师，应让学生明白，这表明人类在远古时代就了解到自然现象的可传递性、可存储性和可计算性，隐约体现了古人具备朴素的计算思维能力。

2.组织信息学社团活动培养学生综合实践能力

如果说高中信息技术课程是锻炼学生计算思维的试练场，那么开设“机器人”“3D打印”“计算机程序设计”等社团活动则更能够锻炼和提升学生的计算思维，让学生在思维活动中计算能够做些什么（计算理论）、如何做（算法）、能做多好（计算的效率）、能建造什么样的计算工具（计算机工程），使其在抽象、形式化、构造到自动化的过程中体会计算科学的核心价值。

3.从生活问题入手

計算思维源于生活，更广泛地应用于生活，在教学过程中，教师要发现和挖掘一些身边的问题，引导学生分析问题、解决问题，培养他们应用计算思维解决问题的能力。

例如，在《程序设计逻辑表达式》一节，笔者引入“闰年的判断”的例子，众所周知，一个回归年是365.2422天，为了以整数计算每年的天数，所以将年份分为闰年和平年，平年为365天，闰年为366天，那么如何设置闰年才能保证每年的平均天数与回归年一致呢？为什么要规定能被4整除的大多是闰年，但能被100整除而不能被400整除的年份不是闰年，能被3200整除的也不是闰年？那闰年的计算方式是什么呢？以10000年为例（注：以下算式中“/”表示整除），“10000/4=2500”（10000以内的数字4的倍数有2500个）“10000/100=100”（10000以内的数字100的倍数有100个），“10000/400=25”（10000以内的数字400的倍数有25个），“10000/3200≈3”（10000以内的数字3200的倍数有3个），而“2500-100+25-3=2422”，了解现象后，笔者引导学生对现实问题进行抽象与建模，利用数学集合知识对年份y是否为闰年的问题进行抽象（如图2）。

图中阴影部分即为闰年年份，转换成自然语言就是“能被4整除但是不能被100整除，或者能被400整除但是不能被3200整除”。假设年份为y，得到判断年份y是否为闰年的逻辑表达式为（y%4==0&&y%100！=0）||（y%400==0&&y%3200！=0）。学生通过编程实现了一个判断任意年份是否为闰年的小程序，成功的喜悦溢于言表。

这样通过计算与分析、抽象与构造，不仅激发了学生的学习动机，而且提高了他们利用计算思维解决实际问题的能力。

在信息技术学科教学中，教师不仅要注重学生计算思维的培养，还要善于发现和挖掘信息技术课程中蕴含的计算思维，从简单、明了的生活问题入手，设计出能够锻炼学生计算思维的课堂活动，避免仅传授知识和技能的机械式学习。教师在课堂中要以学生为主体，引导他们积极思考，从计算科学的思维方式出发，认识问题，分析问题，对生活、生产、学习中的问题，作出科学、专业的信息化判断，从而能够在信息社会中生存和发展。

参考文献：

[1]朱亚宗.论计算思维——计算思维的科学定位、基本原理及创新路径[J].计算机科学，2009（4）.

[2]肖广德，高丹阳.计算思维的培养：高中信息技术课程的新选择[J].现代教育技术，2015（7）.

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