人工智能时代中小学生计算思维的培养策略研究

陈英琼 韩 笑 刘凤娟

①陕西理工大学教育科学学院 ②陕西省汉中师范附属小学

本文在介绍其基本概念基础上，综述了目前的研究现状，分析了中小学生计算思维培养面临的困境，并从加快专业师资队伍建设，保障中小学计算思维教育水平；采用项目式学习法，培养中小学生形成良好的计算思维；创设实践参与机会，提高中小学生运用计算思维解决问题的能力等方面探索促进中小学生计算思维的策略，以期为中小学信息技术教育研究提供理论参考。

随着人工智能时代到来，数字化、信息化社会正加速向智能化社会转变，计算思维逐渐成为新时代公民必备的基本素养。自周以真教授正式提出计算思维便掀起了一场新的教育改革浪潮。为抓住此次教育改革的机遇，我国先于2017年发布的《新一代人工智能发展规划》文件中要求在中小学阶段设置人工智能相关课程并逐步推广编程教育[1]，即通过编程教育实现培养学生计算思维的目的。随后在2018年《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中将计算思维作为信息技术学科核心素养[2]。由此可见，为培养能灵活应用人工智能技术的创新型人才，解除中小学生计算思维培养存在的困境已刻不容缓。

1 计算思维的概念

理解和提炼计算思维的概念是研究计算思维培养策略的基本前提。计算思维从孕育、萌芽再到成型，其概念（内涵）一直争议不断，各领域学者对计算思维的概念理解难以统一[3]。国外，周以真教授对“Computational Thinking” 的定义获得的认同较多，她认为计算思维是与形式化问题及其解决方案相关的思维过程，其解决问题的表示形式应该能有效地被信息处理代理执行[4]。国内，《普通高中信息技术课程标准（2017版2020年修订）》中对计算思维的定义比较权威，即计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动[5]。以上两种观点都基于问题解决视角，也是被大多数学者们接受的观点。综上所述，计算思维是基于算法和问题求解的一系列思维过程。运用计算思维可以把复杂问题转化为可计算问题并实现解决方案和问题的自动化处理，是一种新的科学思维方法，为人们理解信息化世界提供了新的视角。

2 计算思维的研究现状

为了解计算思维领域的研究热点，文章依托中国知网平台，以“计算思维”为关键词在核心期刊数据库中共检索到398篇文献，结合CiteSpace,V5.0.R1SE软件对国内外计算思维研究内容进行可视化分析，得到计算思维关键词共现图谱（见图1）。

图1 计算思维关键词共现图谱

文章对排名前十的高频关键词进行统计，其词频与中心度分布情况如表1高频关键词中心度和词频所示。除过“计算思维”主题检索词外取排名靠前的关键词分别是：教学改革、人工智能、大学计算机基础、信息技术、信息技术课程等。其中，关键词中心度最靠前的是“计算思维”，心度值为1.28，其次是“教学改革”和“人工智能”，中心度值分别为0.13和0.11。

现基于以上数据对计算思维的研究现状简要分析：从计算思维概念看，李廉从现代科学思维体系角度认为计算思维是人类科学思维中以形式化、程序化和机械化为特征的思维形式[6]；从教学改革看，牟琴等提出了基于计算思维的探究教学模式[7]、网络自主学习模式[8]和任务驱动式教学模式等[9]；从人工智能看，罗海凤等认为计算思维有助于人们理解和适应信息化社会，是人工智能时代的必备心智素养[10]；从信息技术看，任友群等通过分析国内外基础教育改革趋势阐述了通过信息技术课程来发展学生计算思维的重要性[11]；从编程教育看，傅骞等通过实验研究得出图形化编程工具和文本编程工具都可以提高学生计算思维水平的结论[12]。综上可知，中小学信息技术正在开展以计算思维为核心的教学改革，其中编程教育是实现计算思维培养目的的有效手段，人工智能与计算思维的联系也愈发紧密。下面，本文从计算思维培养视角切入，分析目前中小学阶段计算思维培养所面临的困境，然后提出与困境对应的中小学生计算思维培养策略。

3 中小学生计算思维培养面临的困境

（1）国内信息技术学科专业师资紧缺，计算思维教学难以真正落实。信息技术课程是培养学生计算思维的主要途径，但计算思维内容并未在我国信息技术教学中体现，最主要的原因是缺少既懂得计算机科学理论又有教育专业背景的教师队伍[13]。一方面是学校在招聘信息技术教师时更倾向计算机专业学生，虽然他们精通计算机科学理论和操作，但缺少教育学基础和教学经验；另一方面在岗教师不了解计算思维的教学内容和教学方法，即使具备一定的教学经验，但没有专业指导和系统的训练，其教学效果往往达不到预期教学目标。没有充足的专业师资且计算思维教学无法落实，这是我国中小学生计算思维培养目前面临的首要困境。

（2）以课堂为中心的教学方法，对学生计算思维能力的培养力不从心。我国信息技术教学大多以课堂为中心，强调学生操作技能而忽视学生的思维发展。为了达到预期的教学结果，教师在教学时通常会事先将问题的设计思路和步骤剖析出来,要求学生依据教师给定的步骤依次完成任务[14]。部分教师为按时完成教学任务会直接把问题答案或源程序提供给学生，学生把教师给出的答案稍加修改或是直接复制粘贴别人的内容就算完成了作业。这种教学方法只注重结果不注重学生思维能力发展，造成学生学习被动且效率低下。没有合适的教学方法，教师对学生计算思维能力培养力不从心，这是我国中小学生计算思维培养目前面临的主要困境。

（3）中小学生参与实践的机会少，运用计算思维解决问题的能力相对欠缺。目前我国信息技术课程课时设置较少，一般一周开展一次。又因为学业水平考试的限制，教师会在有限的课时内把教学重点放在训练学生记忆和练习考试内容上面。学生由于长期缺少在信息技术课堂上动手实践的机会，其思维和能力开始停滞不前。其次，计算思维作为一种科学的思维方式，但不会仅限于解决信息技术学科内的问题[15]。但国内中小学校鲜有把计算思维与其它学科融合开展教学的案例，我国学者主要提倡借鉴国外STEM教育经验，在STEM课程中培养计算思维。缺乏实践经验，学生基于计算机解决问题的能力不足，这是我国中小学生计算思维培养目前面临的最大困境。

4 中小学生计算思维的培养策略

（1）加快专业师资队伍建设，保障中小学计算思维教育水平。解决师资紧缺问题主要从两个方面入手，一是学校通过设置相关优惠政策大力引进高质量的信息技术学科专业教师。二是对信息技术在职教师进行专业培训。因此，本文建议采用SPOC（小规模限制性在线课程）模式开展在职教师培训，该模式的私密性和限制性准入等特点有助于提升教师学习参与度并促进教师对编程的深度学习[16]。重点是训练教师掌握使用计算工具解决问题的思维方式和把这种思维方式传递给学生的教学方法。即教师通过体验分析问题、设计解决方案、利用计算工具实施方案、评价反思等具体环节了解计算思维的形成过程，总结计算思维的教学经验。这种培训方式可以在较短间内补足中小学信息技术教师的空缺，保障计算思维教学真正落实。

（2）采用项目式学习法，培养中小学生形成良好的计算思维。项目式学习是目前被普遍认可的计算思维培养法[17]，它所创设的项目活动来源于真实情境，有利于学生在参与项目过程中积极开展思维活动。文章建议基于项目式学习要素（内容、活动、情境、结果）结合计算思维概念设计教学环节[18]：①创设项目情境，激发学生的探究欲望；②设计解决方案，分析任务并利用流程图或思维导图设计问题解决方案；③实现算法，依据方案并利用所学知识和计算工具完成算法（程序）；④优化程序算法，学生在不断调试程序的过程中发散思维；⑤知识迁移，学生通过评价反思总结解决问题的最优化方案，并能迁移解决类似的实际问题。项目式学习帮助学生在重复经历使用计算思维解决真实问题的过程中逐渐形成良好的思维习惯。

（3）创设实践参与机会，提高中小学生运用计算思维解决问题的能力。《K-12计算机科学框架》认为将计算思维融入有意义的实践活动中，应在计算机科学实践中关注计算思维的培养[19]。目前的信息技术课程已无法满足学生计算思维发展的需求，因此一方面，学校可以组织以计算思维为主题的小组竞赛，参照国际计算思维挑战赛（Bebras），选择符合本校学生计算思维能力水平的内容融入比赛中。并且把参与比赛与学生总成绩挂钩，教师自然而然也会在平时的教学中给予学生更多的实践机会。另一方面，鼓励其它学科教师与信息技术教师相互合作，促进计算思维与社会、语言艺术、数学与科学等课程的整合[20]。在其他学科课程中培养学生的计算思维，为学生进行知识迁移创造了有利条件。在参与大量的实践活动中有效锻炼了中小学生运用计算思维解决问题的能力。

随着智能时代的发展，人们必然要学会并适应如何有效运用智能技术展开协同工作，因此从中小学生做起，联合社会力量，加大其计算思维能力的培养，掌握有效地信息技术，提高自身竞争力，以更好地适应未来社会发展。