高中信息技术学科发展学生计算思维的思考与实践

■上海市青浦区第二中学 周世杰

近年来，随着信息技术的快速发展，我们进入一个全新的信息化时代。人工智能、大数据分析、自动化处理等技术的兴起，不仅改变着人们的生活和学习的方式，对人们的认知结构和思维方式也提出了新的要求。

在高中阶段的学生，正处于青年人向成年人过渡的重要时间点，提升学生的思维能力，发展学生信息素养，帮助学生理解信息环境各要素之间的关系是当代信息技术学科所要承担的一项重要责任。

2018年1月，《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）正式颁布，新课标和2003版相比，最重要的改变在于将信息素养界定为学科四大核心素养：信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。“计算思维”成为一个热词，而对于在课堂教学中如何发展学生的计算思维，我进行了相应的思考和尝试。

一、计算思维的概念和内涵

计算思维(Computational Thinking)这一概念，最早是2006年，由美国卡内基•梅隆大学计算机科学系主任周以真教授提出。

2011年，她又对这一概念进行了新的定义：“计算思维是制定问题及其解决方案所涉及的思想过程，以便解决方案以可由信息处理代理人员有效执行的形式表示”，分析周教授给出的定义，我们可以发现有两个方面特别重要：

1.计算思维是一种思想过程，是独立于技术存在的；2.计算思维是一种基于计算机科学思想解决问题的方法。

2016年，时任全国信息技术课标组组长的任友群教授等从另外的角度阐释了计算思维，他们认为：“依据计算机解决问题的方法，将问题形式化。抽象问题特征，建立结构模型，对数据进行分析和组织；形成利用数字化工具自动解决问题的方案，通过迭代的方式对其优化和完善。对解决问题的方案系统化，迁移至类似问题解决中。”

图1 计算思维四个维度

根据以上不同专家对计算思维的定义和特点分析，作为一线教师，我觉得可以这样解释计算思维的内涵（如图1），具体阐述如下：

（一）抽象

抽象包括数据抽象和过程抽象。其中数据抽象比较容易理解，我们进行的数学运算，用阿拉伯数字等代替具体的事物都是数据抽象。当然最典型的还是我们信息技术学科中信息的编码：用二进制数表示具体的信息；过程抽象其实就是将我们日常处理问题的步骤精细化，并能够用精确的计算机程序语言进行描述，也可以称为“算法”描述。

（二）模型化

模型化是指在前面抽象化、形式化处理的基础上，运用计算机科学原理知识，选择已知的问题解决模型或者建立新的模型，根据所选模型对数据、信息等进行组织和分析，从而力求发现解决问题的方式方法和途径。

（三）自动化

自动化是指在把握信息系统运行规律的基础上，运用数字化工具，对抽象出来的问题解决模型，使问题的解决按照人的要求，经过自动检测、数据处理、分析判断、操纵控制等过程，实现问题解决的目的。在这个过程中，还需要培养学生不断完善和优化过程的思想。

（四）系统化

系统化是指遵循信息处理系统的规律或方法，对零散的信息数据、算法流程等进行归类、整理或加工，进而形成问题解决的系统过程，并能够将这种思想、方法迁移到相关问题的解决中。

问题抽象为计算机处理信息提供了前提，模型化在于找到一种解决问题的过程和方法，自动化是运用计算机学科思想方法实现问题解决，系统化是对这一解决问题的过程进行总结并实现迁移。

二、基于计算思维培养的教学策略

核心素养是21世纪人人都需要具备的关键少数高级行为能力，是知识、技能、态度几个方面的统整和融合。计算思维作为信息技术学科核心素养之一，也是体现学科本质属性的思维方式，要形成计算思维，课堂教学是主阵地，为了体现上述四方面的目标，课堂教学应该遵循以下方法和步骤。

（一）把握学科核心知识，明确问题

信息技术的学科知识是计算思维形成的重要载体，在课堂教学中，教师应厘清学科知识结构，在头脑中建立整套教材内容的印象，然后结合自己的理解，将学科核心知识与现实生活实际相联系，并以实际问题的形式作为课堂教学研究内容。对学科知识的操作、讨论等素材来自真实情境，知识技能服务于问题，才能让学生在兴趣中学习。然后引导学生分析问题，抽象问题本质，并形式化后辨别能否用信息处理系统来解决。

（二）问题设计有序推进，设计方案

在教学结构中，教师根据学科内容设计问题，但有些问题往往偏大，引导学生时需要铺设思维台阶，减少思维的难度，寻求思维的最近发展区。学生根据教师的指导，通过细化问题，分析问题解决的步骤，并形成过程序列，以此形成设计方案并构建自己的抽象模型。

（三）运用学科知识技能，实践解决

学科知识是计算思维形成的载体，但是只有学科知识是不足以形成计算思维的。知识只有在学生解决问题的实践活动中才会发生价值。计算思维的形成是学科基本知识和学科实践活动相互作用的结果。在实际的课堂教学中，关联学科知识和计算思维培养，应该依托于学生的实践活动，在问题解决中逐步形成，如通过编程实践来解决实际问题。

（四）对话讨论适度开放，修订完善

学习本质上是一种思考后的对话，在对话中跟自身原有经验、同伴经验碰撞，在碰撞中产生新的思维火花。当前在信息技术课堂教学中，很多教师都能注意讨论环节的设计，但对话讨论的问题设计要有一定的开放度，如算法设计中“算法没有最好，只有更好”，适度开放的问题讨论，有利于学生对问题解决方案进行优化、完善，进而形成系统化的思想。

计算思维、学科知识以及课堂教学实践活动，三者有着互相依存、互相制约的关系，计算思维的发展依托于学科基本知识和课堂教学实践活动，而学科知识需要观照和映射计算思维并在教学活动中不断进行建构。同理，课堂教学实践活动也扎根于学科知识和学科思想方法。三者之间相互促进也相互牵制。

表1 《寻找“水仙花数”》简要环节

三、发展学生计算思维的教学实践案例及阐释

在对计算思维概念分析和内涵理解的基础上，为了验证以上教学策略。我曾以寻找“水仙花数”作为问题媒介，实践了一个教学案例，如“表1”所示。

案例阐释如下：

（一）任务有序推进，引导学生思考

如上“表1”所示，围绕问题，设计了三个层层递进的学习任务。主要考虑通过个别数的判别（人力易于完成）、几十个数的判别（人力完成耗时较长）、900个数的判别（人力完成耗时太长）等三组任务有序推进，逐步引导学生在充分分析“人思维”的基础上，理解计算机算法和程序的相应原理，以体现计算思维的抽象（运用变量代替具体数值）和自动化（算法程序自动完成）的特征。

（二）详尽算法描述，尝试问题解决

在“问题初探”环节，两分钟时间内，大多数学生都能做出正确的判断。但在接下来的环节中，我让学生描述自己解决问题的过程，学生却不能对步骤进行精确化的归纳。因此，我在此任务之后，设计了新的跟进问题：“以数字‘153’为例，描述一下你是如何判断出它是水仙花数的？”并通过教师和学生之间的课堂对话、反复追问，最后总结出这样的四个步骤：

1.明确该数的三个数位上的数字：1、5、3；

2.再分别计算出1、5、3的三次方是1、125、27；

3.对得出的三次方求和1+125+27=153；

4.根据判断“和（153）”与原数是否相等，判定其是否为水仙花数。这些步骤的明确，帮助学生能够体验到算法设计的过程，并引导学生从自然语言描述向标准的程序语言靠近，引导学生将实际问题转化为抽象的计算机程序语言符号解决问题，形成问题解决的抽象模型。

（三）思考讨论深化，启迪优化算法

计算思维不是计算机的思维，它本质上仍然是人的思维，是人在具有了计算机科学相关知识后，在理性意识支配下的一种思考活动。因此，具有一定量的计算机科学知识，可以让人们用不同的方式解决实际问题，从程序算法的角度来讲，这也可以称为算法的优化。

在实际教学中，经过前面的“三重任务”，之后我又设计一个“思考讨论”环节，讨论内容是：“如果不用枚举算法，仔细观察右边的这组数字，你能不能分析出哪些数不用计算就可以知道不是‘水仙花数’”。在这个讨论中，其实和前面的“三重任务”都有一定关联。

在判断258、371和519三个数时，已经将7、8、9三个数的三次方进行过计算，而在此，正好是教师提示的内容；这里出现的这32个数字其实还是“二次探究”时的那些数字，这些数字有些特别。“深入探究”中应用枚举算法其实是一种借助计算机强大的计算能力，牺牲效率而换取结果的计算方式。通过讨论，激发学生进一步思考的动力，包括在解决问题时计算机的速度优势，同时也要意识到算法的优化无止境，形成系统化的解决问题的思想。

四、计算思维培养的进一步思考

（一）统整学科内容，将计算思维的培养纳入有意识设计

计算思维的培养是一个系统工程，在高中信息技术教学中，应该紧紧围绕课程标准，按照原有知识结构框架，选取核心内容或概念，对知识要点一一贯通，将发展学生计算思维贯穿于信息技术课堂教学的始终，只有这样，才能起到一定的效果。这样将知识点打通的教学整体考虑，可能更有利于发展学生的计算思维。

在《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中，关于信息技术学科课程结构，必修主要包括“数据与计算”、“信息系统与社会”两个部分，其中“数据与计算”模块内容中包括数据编码、信息处理和算法与程序实现，“信息系统与社会”模块内容主要包括信息社会特征、信息系统、信息安全与社会责任等。在实际的教学实践中，必修模块中的数据编码、信息系统和算法初步是当前信息技术课堂教学的重点，所分配课时数最多，对于这三部分内容，其与前面讨论计算思维四个方面内容的关系，可以大致用“图2”表示。

图2 课程内容与计算思维内涵对照

（二）运用“二次学习”微视频，拓展学习时空，弥补课堂教学不足

“二次学习”微视频是青浦区新课堂实验提出的一个概念。是指“在课堂教学结束后，经过教师二次整理的针对一个课时或章节的学科重点、难点知识、错误知识，采用录屏的方式制作，时长在10分钟左右的，通过微信公众号及时推送发布，可以方便学生用智能手机等设备再次学习的微视频。”这里的“二次”有两层含义，一是指教师在课后对原有教学设计，结合课堂生成资源与自己的课后反思进行再开发；二是指学生在课堂学习后，进行再次学习，进入深度学习。

在前期的研究中，我们主要针对当前课程内容，将“二次学习”微视频分为三类，分别是：一节课时后的、典型例题分析以及按章节知识进行的二次学习微视频。近阶段经过对计算思维的认识和理解，我认为对于“图2”中的“学科理论”，由于课时的限制，往往在课堂教学中很难让学生了解，因此考虑可以采用“二次学习”微视频的相关制作与发布技术，将一些核心内容（如香农的信息熵思想、图灵机理论等）通过制作成学生易于理解的微视频的形式，推送给学生，以强化他们对学科知识的理解。同时，对原来的“二次学习”微视频进行加工、改造，将“计算思维”的培养融入其中。借助网络学习的优势，拓展学生学习时空，弥补课堂教学的不足。

（三）以点带面，对典型体现计算思维的内容精心设计教学案例

在信息技术学科内容中，我们可以选取部分教学内容，如算法和程序设计中的迭代和递归、信息基础章节中的“数据编码”、网络基础章节中的“IP地址”以及信息系统章节中“存储程序”等内容，对照计算思维主题思想，可以通过精心设计、研讨交流，融入计算思维能力的培养。

五、结语

基于发展学生计算思维的教学实践，需要在不断学习、实践中慢慢体会和提升，相信这条路永无止境。