计算思维与计算机学科知识关系分析

计算思维的思维属性之困惑

在中小学开展计算思维教育，有着鲜明的时代意义。面对计算机技术的迅猛发展和计算机教学内容需要相对稳定的矛盾，计算思维教育的提出无疑开辟了一个新的路径。在当前知识爆炸的时代，传统的知识教育局限性越来越明显，思维教育需另觅新径。因此，在以传统知识教育为主的教育体系中，开展计算思维教育，是一项有意义的教育教学探索实践。

首先界定，计算思维是一种思维，而不是知识，否则，本文的分析就没有意义了。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》指出：“计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决实施方案的过程中产生的一系列思维活动。”从高中课程标准中的界定可以看出，计算思维是一系列的思维活动。因此，开展计算思维教育，是属于思维教育，而不是知识教育。

然而，当我们继续追问计算思维教育需要学什么的时候，其答案往往会产生困惑和矛盾。如果有人说，“计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”就是计算思维的学习内容，估计有很多人会反对，因为这是典型的陈述性知识。但事实上，在教学实践中，在不少文献中，都有意无意地把“某某是某某”的有关计算机学科的陈述性知识作为计算思维的学习内容，或认定就是计算思维的一部分。

有一位教师将某一单元的教学目标设定为“理解影响网络传输质量的基本因素，熟悉TCP/IP等协议的功能和作用，掌握使用基本网络命令查询联网状态及配置情况的操作”。我们可以发现，这位教师明确了有关“计算机网络”部分知识与技能的学习要求。那么，这段描述能否成为学生关于计算思维的学业要求呢？显然应该不是，否则的话，具有思维特征的计算思维与计算机学科的知识技能就等同了，或者说，学生达到了这些知识与技能的学习要求也就等同于达到了计算思维教学要求。因此，计算思维的教学实践似乎有这样一种现象：设想的教学目标是计算思维，具体的目标实施仍然是计算机学科知识。

在上述讨论中，“计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”是一陈述性知识，不是计算思维。那么，“知道计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”是不是计算思维呢？一般而言，“知道计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”是可以用于描述相关知识的学业要求的，即表明学生对“计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”这一陈述性知识掌握的程度是“知道”。如果把“知道”看作是一个动词，在“知道”计算机系统是由硬件系统和软件系统组成这一陈述性知识的过程中，学生的计算思维是否也得到了培养了呢？这个问题其实可以转化为：在计算机学科知识的学习过程中，学生是否可以获得计算思维？这是计算思维教育的途径问题，同时也涉及到计算思维教育的评价问题，即是否可以通过衡量学生对“知道计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”这一知识点掌握的程度来作为学生计算思维的评价依据。

知识与思维

知识与思维是密不可分的。同样，计算思维作为一种计算机学科思维，计算机学科知识与计算思维也是密不可分的。

知识是人类在长期认识世界、改造世界的过程中所获得的成果和经验的总和，是在实践基础上产生又经过实践检验的客观的反映。人们从外界获得种种信息，然后通过思维的加工，从而形成知识，这些知识以语言、符号或者表象的形式存在于人们的大脑之中。例如，我们的祖先通过每天的观察与感受，得知太阳从东方升起，这就形成了知识。人们为了交流与改造世界，就需要将头脑中的知识表达出来加以应用，从而以语言、文字或符号等形式表达，从而形成了物质形态的知识。“太阳从东方升起”这一知识，可以用文字、图案来表示。

知识往往是以概念形式表述的。知识是一种概念，概念是对一类事物共同本质属性概括的结果。例如，“笔是一种书写的工具”，描述的就是笔的共有属性，无论铅笔、钢笔，都具备这一属性。概念的这些属性在空间或时间之间的联系，形成了概念结构。概念结构揭示了知识内涵各组成因素之间的联系，例如牛顿第二定律，反映物体受力时与物体运动变化的关系，即F=ma；又如，计算机系统是由硬件系统和软件系统组成，反映了计算机软硬件之间的关系。同样，人类制造了计算机这一人造物，使得计算机可以通过硬件和软件协调工作，所以就有了“计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”这一知识。

知识符合逻辑结构。逻辑结构是指概念、判断、推理的结构形式，它不研究概念、判断、推理的具体内容，而是研究结构形式，主要是推理和判断的形式。推理有演绎和归纳，都是从一个或几个判断推出另一个判断。推理是知识间的联系，是知识联系的一种常用方法。例如，人们可以从天上有乌云，做出即将要下雨的判断。当你知道了“计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”这一知识以后，你在采购计算机的时候，经过判断，就不会只购买硬件，不购买软件了。

知识是一个系统，一个学科、一本书、一章、一节、一个知识点都是一个系统。不同的学科要求，对知识阐述的范畴会有所不同。对于不同的学习者，同样的文字描述，某一知识所涵盖的知识系统是不同的。“计算机组成”对于计算机学科的本科生而言，是一门课程；对于一名中学生来说，可能只是知道计算机由硬件和软件组成，或计算机由主机及外围设备组成就可以了。

知识的产生、理解、应用离不开思维。知识的概念特征反映了知识需要通过归纳与抽象来获得事物的共同属性。知识的逻辑结构反映了知识在应用过程中需要推理与判断。无论归纳与抽象，无论推理与判断，都需要思维。

客观事物必须在大脑中得到表征，表征是大脑对客观事物的反映。事物在大脑中的表征有语言和表象，语言和表象都是思维的材料或载体。如果事物在大脑中没有反映，例如没有见过的一个人，或是一件未知的事，思维是很难把握的。客观事物在大脑中往往就是以知识的形式表征的。学生在观察、使用计算机的过程中，接触计算机的操作界面，运行计算机的程序，使用计算机的输入输出设备，体验计算机处理数据的过程，就会在大脑中对计算机有了表象的表征。学生在学习“计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”这一知识的时候，会在大脑中产生关于这一知识的语言表征。这两种表征是通过思维朴素交织的。如果没有表象的表征，所谓的“计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”知识只是一串字符，学生最多也只是死记硬背。没有语言表征，知识的学习很难归纳与重用，也很难交流。人们从外界获得种种信息，经过思维的加工形成知识，以语言、符号、表象的形式存储在大脑中，是观念形态的知识。为了交流与改造世界，人们需要把头脑中的知识表达出來加以应用，变成了口头语言、书籍等，是物质形态的知识。句子是说话、写文章的基本单位，它表达了一个完整的意思。句子是由词或词组按照一定的语法规则构成。句子的结构，成为了知识体系的最常用也是最基本的方法。

思维作为人们认识工具的作用是凸显的。学习是一种认识过程，是人们获得、理解知识和表达、运用知识或经验的过程，学习一刻也离不开思维这个工具。所以，思维作为认识工具，是学习的工具，而且是有效的学习工具。

知识学习过程中思维的作用

在计算机学科知识的学习过程中，是否可以达到计算思维培养的目标呢？

仍以计算机组成为例，在计算机学科中，计算机组成是一个知识体系。假如，在高中阶段，对学生的要求是：知道“计算机是由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大逻辑部件组成”。显然，“计算机是由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大逻辑部件组成”是一陈述性知识，“知道”是描述这一知识的掌握程度。一个学习者，要达到“知道”“计算机组成”这一陈述性知识的学习要求，就需要使用其观察能力、阅读能力、想象能力、理解能力、记忆能力，在头脑中记住，并且在需要的时候表达出来。

那么在学习“计算机组成”这一知识的时候，是否运用了思维呢？答案是肯定的。既然学习“计算机组成”时需要使用思维，那么该学习者的思维一定能得到锻炼与培养。现在来分析一下，学习“计算机组成”知识时，是怎样运用思维的。

思维作为学习工具，有通用性和可操作性两个特点。

思维的通用性是指思维方法跨越语言种类和学科，具有普遍性的意义。思维可以用语言来表达，全世界有很多种语言，不论语言千差万别，但人们使用的思维方法基本相同。例如，不同国家的人，尽管使用语言不同，但绘制的工程图、几何图、地形图很容易看懂，因为大家使用的思维方法是基本相同的。一个学生，同时需要学多门课程，虽然课程内容不同，但是，他们运用和理解内容所需要的思维方法也是基本相通的。

演绎法，是抽象思维的一种方法，是从一般到特殊的方法。三段论是演绎推理的主要形式，它撇开概念、判断、推理的具体内容，具有普遍意义。语文课中培养学生再造想象能力，不仅是学生阅读理解文学作品的需要，也是数学、物理学科中解应用题时对情境进行再造想象的需要。写作课和美术课在思维方法上也有共同点，两者都需要培养学生学会细致观察，只是它们的表达方式有所不同。

思维作为学习工具的意义在于，以有限的思维方法去掌握无限的知识，解决无限的问题。思维的这种表征心理，在大脑中是可以操作的，也就是可以进行各种思维加工。

思维是大脑中的操作，必然表现为一个过程。例如，三段论有两个前提、一个结论，其中两个前提就是两个判断，每个判断都可以看作是思维的结果，但这个结果是过程性的，而最后的结果是终结性结果。因此，思维具有一定的指向性，即思维活动是有指向、有目的的。思维的目的，也是认识的目的，二者是一致的。思维的指向性是思维的可操作性的一种反映。

人的认识活动一刻也离不开思维。无论学习还是工作，人们需要不断地运用思维。一位作家，在深入生活的基础上，把丰富的生活感受、体验，通过思维加工，形成一个个鲜活的艺术形象。在这个过程中，作家是通过观察，把客观世界转化为主观世界，即对生活体验进行分解、剖析，抽取其中某些共同的特点，成为思维的元素，然后将这些思维元素综合成一个个艺术形象。数学家则采用不同于作家的认识方法，面对形形色色的客观世界，数学家的方法是舍弃具体内容，只研究数量关系和空间形状。例如，数学家推算圆面积的计算方法，他不会去关心圆的颜色，而是会考虑以圆心为顶点，以圆半径为等腰，画上一个个等腰三角形，计算等腰三角形面积之和。随着三角形数量的增加，其面积之和无限接近圆面积。也就是说，数学家通过关注圆、等腰三角形以及三角形数量和面积关系，来解决圆面积问题。

分析以上生活实例，可以发现：第一，思维存在于知识的学习与运用之中，思维无处不在，因为生活中無处不需要知识的学习与应用；第二，通过对知识的运用，会产生新的知识，而新知识的产生，思维起到了关键的作用；第三，思维是有方法的，不同的知识领域，需要使用不同的思维方法。

学生在学习“计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”这一知识时，就会运用思维。如果采取的是机械记忆方法，则思维的运用是很少的，且思维方法单一。如果学生基于理解，通过硬件的作用、软件的作用，分析硬件与软件的关系，从而推导出“计算机系统是由硬件系统和软件系统组成”这一知识，那么，学生是将已有的旧知识“硬件的作用”“软件的作用”与新学知识联系起来，从而在大脑中形成了新知识。产生这种联系，就需要学科思维来实现。

因此，对知识的理解过程，通常分为两步：第一步，把新知识和有关旧知识联系起来；第二步，进行思维加工。前者是思维材料，后者是思维方法。思维方法有一般方法，也有特殊方法，不同的学科，有不同的特殊思维方法，即学科方法。在学习计算机学科知识的时候，如果使用计算机学科方法思考问题，则可能就是运用了计算思维。因此，在计算机学科知识的学习过程中，教师引导学生运用计算机学科方法思考问题，是可以培养学生计算思维的。

运用旧知识，产生新知识，可以培养思维；运用已掌握的知识解决问题，也可以培养思维。因此，运用已学会的计算机学科知识，完成一项具体的任务也是计算思维教育的途径之一。基于“计算机系统是由硬件系统和软件系统”知识，学生开发一个应用系统，其中必然会基于相关的计算机学科方法来思考问题，解决问题，计算思维得到了培养。但是，并不是运用计算机学科知识完成某项工作就一定能实现计算思维教育，例如，依据“计算机系统是由硬件系统和软件系统”这一知识，采购计算机时，既购买了硬件设备，也购买了相应的软件，其中产生作用的思维是一般性的逻辑判断，并不属于计算思维。

大部分思维，特别是科学类思维，都是由以下两种方法支持其思维活动的：一种是基本方法，即逻辑，这是推演思维活动的最基本工具，否则，人们就可评价说“思维不合逻辑”，即推演是不合理的；另一种就是其对应的学科方法。计算思维体现的是机械计算，是人脑对实现机械计算的计算装置及其计算实现过程的反映。人脑对计算实施原理与过程的思考，必定需要由计算的方法来规范，这样，人们才能理解计算，并运用计算来设计系统，解决问题，指导人们的行为，这就是计算思维。其中，方法是计算思维的具体内容表达，方法学习是计算思维教育的有效途径。

计算机具有自动化属性。计算机自动化的实现，是按照预先设置的规则，一步一步地执行有限步骤完成的。计算机的自动化具有一定的通用性，通过改变预设的规则序列，可以变化计算机的功能。对计算机操作规则序列的安排，就是构造。设计与制造计算机的人，会对现实世界需要计算机完成的功能进行分析与抽象，并且明确地表达，然后构造计算机的运行规则序列，实现计算机的自动执行。因此，在“抽象—形式化表达—构造—自动化”的实施路径中，人所运用的思维方法就是计算思维，经历“抽象—形式化表达—构造—自动化”过程，可以有效地实施计算思维教育。

正确认识计算思维

知识与思维是紧密相关的。知识是学习的成果，也是思维加工的产物。知识的学习需要以人的思维为学习工具，知识学习过程也是人的思维发展过程，知识学习和思维发展可以同步进行。然而，传统的教育方式受多方面的因素影响，过分关注知识的语言表征，常以是否记忆来考察知识的学习状况，从而造成思维发展的缺失，同时在知识迁移、知识应用等方面的发展受到限制。计算思维的提出，为计算机学科领域乃至其他更多的学科领域在知识学习和思维协调发展以及学生全面发展方面提供了一种可行性。计算思维作为学业目标之一以后，可以促使计算机学科的学习更加深入和有效。

计算机学科知识是计算思维的基础，计算思维教育需要在计算机学科的知识与技能学习过程中实现。有学者认为计算思维不依赖于计算机而存在，在没有计算机的时代就已经有计算思维了。其实这种研究对计算思维教育意义不大，我们不否认计算思维与人类的其他思维方式有相通性和相似性，但也不能否认计算思维有明显的计算机学科特征。以计算机学科为基础开展计算思维教育是最为有效和完整的。当然，主张以计算机学科为基础开展计算思维教育，并不是认为计算思维的作用仅局限于计算机学科。一个具备有效运用计算思维的人，可以在其他领域发挥作用。

学习计算机学科知识也是计算思维教育的途径之一。在计算思维教育实践中，刻意回避计算机学科知识学习是片面的，关键是计算机学科知识的学习方法，即如何从旧知识出发，运用计算思维方法与新学知识联系起来，在大脑中形成新的知识。由此可以发现，通过简单判断学生是否掌握计算机学科知识来评价学生是否拥有计算思维是不合理的，因为计算思维的培养在于学生有效运用计算思维方法学习知识的过程之中。

项目学习是一种有效促进学生能力发展的学习方法，也是一种适合计算思维教育的学习方法。以项目为导向，在真实的问题情境中，学生自主地解决实际问题，可以极大地触发学生思维的意愿，积极思考，克服困难，解决问题，从而发展思维。但是，在一门普通课程中单一地使用项目学习的方法而排斥其他学习方法，忽视知识学习的重要性，往往会限制学生计算思维的发展。项目学习的实施，需要学生具备一定的知识基础，尽管在项目学习过程中也可以根据项目实施要求主动开展知识学习以弥补相关知识的缺失，但这样的知识学习是不系统的。同时，在项目实施过程中安排过多的知识学习，也会影响项目实施的效果。学生的计算思维的形成，需要系统的计算机学科知识。一个人掌握的计算机学科知识体系越完备，其计算思维也应该越健全。

计算思维只是计算机学科或相关学科的学习目标之一，而不是学习目标的全部，尤其不能以计算思维的目标取代计算机学科知识的学习。同时，计算思维也不是计算机学科唯一的学科思维。起缘于数学、电子等学科的计算机学科，许多数学的、物理的以及工程化的思维方法和求解问题的方法也在计算机学科中大量运用，这些思维方法也是学生需要学习的。

综上，围绕计算思维教育，计算机学科的知识学习是基础与核心，计算思维是计算机学科知识学习与技能训练所需要达到的一种境界。没有计算思维教育目标的建立，计算机学科知识的学习往往是机械和死板的，可以应付识记类的考试，但一定缺乏知识应用的灵活性、拓展性和創新性。如果忽略计算机学科知识的学习，或者将计算机学科知识碎片化，就会缺乏计算思维发展必要的基础。用计算思维教育代替计算机学科的知识体系教育，无论逻辑上还是实践上都是行不通的。脱离了计算机学科知识的学习，进行计算思维教育是缘木求鱼的行为。

用计算机学科的知识描述作为计算思维教育的学习目标和学业要求，表面上方便了教学的实施，实际上混淆了计算机学科知识和计算思维，就有可能出现以计算思维教育之名，行计算机知识教育之实的现象。计算思维和计算机学科一样年轻，从计算思维的概念，引伸出计算思维方法、计算思维技能、计算思维能力等概念，需要进一步地研究与辨析，这些研究将有利于细化计算思维教育的目标设置。从计算思维的教育教学到计算思维的评价，也有待于深入地实践研究。

参考文献：

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