中学生计算思维培养过程中的问题与对策

赵淼 孙巍

摘要：计算思维是中学生必备的信息素养之一，如何有效培养中学生的计算思维是值得教育工作者深入探究的。本文采用文献综述法，对中学生计算思维培养过程中存在的教学模式、教育者、课程和教学环境方面的问题进行了系统分析。同时，从研究人员、学校和国家的角度提出了相应的解决措施，以期提升中学生计算思维培养水平。

关键字：计算思维；中学生；对策

随着人工智能、大数据等新一代信息技术的迅猛发展，计算思维已成为当今社会必备的信息素养之一。因此，如何培养具备计算思维的人才已成为国内外研究的热点问题。举例来说，经济合作与发展组织教育（OECD）2030项目将计算思维划分为学习者未来需要具备的六大复合能力之一，并将其内容融入了许多国家的课程改革目标和内容中[1]。2022年3月，教育部发布的《信息科技课程标准》将计算思维列为信息科技学科的核心素养之一[2]。

这表明，培养中学生的计算思维已成为提高国民信息素养、贯彻实施“教育面向未来”方针以及增强国际竞争力的迫切需求。然而，目前我国中小学生的计算思维培养和实施层面存在一些问题。因此，本文从计算思维培养的视角出发，分析了目前在中学阶段计算思维培养所面临的困境，并提出了相应的解决策略，旨在为培养中学生的计算思维提供理论和实践的参考。

一、计算思维的内涵与研究现状

（一）计算思维相关研究

司马迁在《九章算术》一书中首次提出了计算思维的概念，该定义主要用于解决数学问题。随着计算机科学的发展，2006年，卡内基梅隆大学的周以真教授（Wing）提出了计算思维的内涵，即：运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及理解人类行为的一系列思维活动，涵盖了计算机科学的广度。其他学者从不同角度对此进行了补充说明：从综合视角来看，Hemmendinger等认为计算思维是一种跨学科的综合性思维能力；从专业视角来看，Papert等人认为计算思维是与计算机操作相关的能力[3]。在我国最新颁布的义务教育《信息科技课程标准》中，计算思维被定义为个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动。该定义明确指出了具备计算思维的学生在解决问题过程中的特征，因此对于培养中学生的计算思维具有指导意义。综上所述，计算思维是人类学习计算机问题求解的一系列思维过程，是科学思维的一种新方法，为人们理解信息化、数字化、智能化的世界提供了新的视角。

（二）中学阶段计算思维的研究现状

笔者利用知网平台（CNKI）进行检索，在中等教育范围内，以关键词“计算思维”为基准，排除了会议期刊等无关文章，最终筛选出319篇文章作为研究对象。借助研究工具citespace6.1进行可视化分析，得出了以下的共现图谱（见图1）。从图中可以看出，“计算思维”这个关键词的圆圈直径最大，说明它是近年来的研究热点。其次是“人工智能”“信息技术”“编程教育”“核心素养”等关键词，它们相对于“计算思维”而言直径较小，但外圈呈暖色，说明它们在计算思维领域也备受关注，是研究的热点之一。因此可以得出以下结论：人工智能与计算思维密切相关，信息技术（科技）课程是中学阶段培养计算思维的重要载体，编程教育是实现计算思维发展的有效途径，而计算思维在核心素养的培养中占据重要地位。

二、中学生计算思维培养过程中存在的问题

（一）缺乏创新性的教学模式

在我国中学阶段，计算思维的培养主要依托于信息科技课程，以编程和算法知识为主要内容，集中在教学模式和教学方法等方面。然而，如果教育者只是简单地套用传统的教学模式，很难真正培养学生的计算思维。部分教师认为学生在使用编程工具的过程中会改变自身的思维方式，因此在教学过程中注重完成教学目标，提前展示编程代码和算法思路，并不愿意探索创新的教学模式。他们过分强调解决问题的步骤和最终结果，缺乏对提升学生计算思维技能的教学引导。此外，目前关于计算思维培养的研究有大约90%是集中在高等教育的计算机类课程上，相对较少研究针对基础教育阶段的信息科技课程教学方法。将大学甚至研究生阶段需要学习的理论知识过早地呈现给基础知识储备不足、认知能力尚待发展的中学生，会导致学生对计算思维的学习失去兴趣，从而影响到他们形成计算思维能力。

（二）课程建设存在短板

在我国，中学阶段关于计算思维培养方面的课程建设仍然不够完善。信息科技作为一门边缘学科，在学生的学习时间中占比较少，这导致学生接触计算机资源的机会有限。根据赵健的调研结果，93.2%的学生对信息技术课程表示兴趣，但在面临升学压力时，40.8%的学生的信息技术课程被中高考科目所替代，这阻碍了学生学习计算思维的途径。为了解决这一问题，一些学者提出了跨学科的方式来发展学生的计算思维，将计算思维融入数学、科学、物理、化学、生物等其他学科的课程中，其中最常见的是将计算思维融入STEM教学中。张瑾等人系统梳理了国外跨学科整合计算思维的教学活动、课程模式和实施路径。

在跨学科培养中学生计算思维的教学中，计算思维与学科内容的融合不应仅仅是简单地将两者相加，而是在充分考虑到中学生的认知规律和挖掘本学科内容特点的基础上，将计算思维与学科内容有机地结合起来。因此，跨学科培养中学生计算思维的道路仍然任重道远，需要在课程设计和教学实践中不断探索，并充分利用学科教师的专业知识和教学经验，以实现计算思维与学科内容的有机融合。

（三）教师计算思维能力匮乏

根据教育部的统计数据，截至目前，我国中学的信息科技专任教师约有26.93万人，可以满足日常教学的需求。在師资队伍数量充足的情况下，教师的专业水平对于培养学生高质量的计算思维至关重要。为了加强高水平教师队伍的建设，教育部在2019年发布了《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》。然而，该文件并没有明确指出教师应该学习计算思维的路径和方法。与国外情况相比，谷歌资助的“向每位教师引入计算思维”系列课程由国际教育技术学会（ISTE）承办，向教师讲解了“计算思维”的含义和核心概念，并提供了大量的“计算思维”课程实例。此外，从教师自身的角度来看，信息科技教师的课余时间往往被辅助教育行政工作所占据，减少了学习计算思维的时间。而其他学科教师则过于注重提高学生的分数，很少有精力深入探究计算思维与本学科内容的联系，这导致学生计算思维能力薄弱的问题。

（四）基础设施有待完善

目前，我国基础教育阶段存在城乡之间和校际之间的较大数字鸿沟，这使得学习者无法充分体验以计算机为载体的计算思维。由于客观环境的限制，教师在教学过程中更容易墨守成规，只注重灌输教学内容，而不注重培养学生的计算思维。尤其是在COVID-19期间，学校的基础设施和网络环境影响着教师的授课状态和学生的思维发展。与此同时，教育部等六个部门联合印发了《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》。该指导意见指出要强化教育生态环境，加快推动教育现代化，建设教育强国。这意味着国家在发展教育方面有了更加明确的方向和重视。因此，相关部门应该加快国家方针政策的贯彻落实，将先进技术赋能于教学环境，以促进城乡之间和校际之间教育的公平性，并提高中学生的计算思维水平。这不仅对于个体学生的全面发展和适应未来社会的需求具有重要意义，也对于国家整体发展和构建创新型国家具有重大的社会意义。

三、中学生计算思维培养的应对策略

（一）强化理论研究

构建创新性的教学模式可以从革新研究队伍和完善研究过程两个方面入手。首先，在研究人员构成上，不仅应该包括教育技术领域的专家，还应该涵盖教育学、心理学和计算机领域的专家。教学模式的构建需要充分利用各个专业领域的知识，设计出能够融入计算思维逻辑的新模式。同时，研究人员还应该与一线教师展开合作，深入中学课堂，寻找当前存在的问题，并改变传统计算思维教育过于工具化的倾向。其次，在研究过程上，研究人员应该从学情分析、教学环节、教学评价以及资源辅导等方面入手，研发适合的教学工具，编写符合中学生身心发展规律的计算思维教学内容，并创新设计适宜的计算思维教学方法，从而有效提高学生的学习效果。

（二）完善课程建设

为了扩展学生习得计算思维的渠道，学校需要完善课程体系的建设。首先，学校应当确保信息科技课程的排课量。在总课时不变的情况下，有必要将1%至3%的课时单独用于信息科技课程的教学。这样可以为学生提供更多的机会接触和学习计算思维相关的知识和技能。此外，学校还可以根据国内外的青少年信息学竞赛，以竞赛为导向，开展课后延时的计算思维服务。例如，提供3D打印课程、机器人编程课程等。这样的延时服务能够更好地满足学生的学习需求，培养他们的计算思维能力。其次，学校需要开发相关的校本课程，实现跨学科整合的计算思维教学。通过自主探究和合作协商的过程，学生能够发展和运用计算思维，并加深对各学科知识的理解。例如，可以利用Scratch软件构建平面直角坐标系，通过实现人物的跳跃移动，学习数理知识；还可以通过使用Python编写古诗，运用计算思维解决程序漏洞，体会古诗词的韵律之美。这样的跨学科整合可以激发学生的兴趣和创造力，进一步促进他们的计算思维发展。此外，相关部门也应该加大对课外思维培训课程的管理力度，积极响应国家双减政策，并采取必要的措施，提高对计算思维教育培训的监管力度。这样可以整顿培训市场中的资本化和无序化现象，推动计算思维教育走向规范化和专业化的发展。

（三）加强教师培训

学校需要丰富教研资源，以帮助教师成为计算思维的学习者。首先，学校应提供涉及计算思维的各学科教学案例，构建资源平台，打破校际备课过程中的信息壁垒，助力教师在后疫情时代开展计算思维培养工作。例如，定期开展在线培训活动、邀请专家进校讲座，并促进校际间的合作交流，以拓宽教育工作者的知识视野。同时，学校还应将计算思维作为职前教师引入校園的重要考察指标之一，力求建设高质量的师资队伍。对于在职教师，学校需要注重计算思维能力的考核，并设置相关的绩效机制，督促教师有效推进计算思维教育。其次，学校应减少信息科技教师的校内行政工作，鼓励其开设信息科技名师工作室，深入研究计算思维融合学科课程的教学实践。学校可以通过培训讲座和学科教研活动，引导任课教师转变对计算思维的传统观念，强调学习计算思维中涉及的抽象、分解等思维活动对提高学生学业成绩的重要性。

（四）搭建配套环境设施

为了促进校际和区域间的信息科技教育协同发展，国家应从资金、政策等维度统筹计算思维资源。

首先，国家应设立专项资金，对计算思维培养进行专门的立项支持，包括设立基于中学生计算思维教育的研究基金和项目。通过资金支持，激发科研人员和教育工作者对计算思维教育的研究和实践的热情，推动计算思维教育的创新和发展。

其次，有关部门应加强顶层设计，搭建计算思维培养平台。促进校企联合，推动计算机、平板电脑等配套设施进入校园，为计算思维教育提供技术支持。例如，可以在课堂教学、教师教研、资源建设、智慧校园等重要应用场景中积极探索促进学习者思维发展的技术支持形态，营造良好的教育技术环境。最后，学校还应借鉴试点地区的使用经验，制定计算思维的发展规划。构建多模式耦合的计算思维教学环境，同时结合各类资源，开展多样化的教学方法和活动，提升学生的计算思维能力。这样的努力将有助于促进信息化教育的公平，减小不同地区、学校之间的差距。

四、结束语

综上所述，本研究借助cite space分析得出中学阶段计算思维的研究现状，并明确了当前阻碍中学生计算思维发展的问题，最终从研究人员、学校和国家三个层面解决中学生计算思维发展问题的具体措施，即研究人员通过革新研究队伍、完善计算思维培养过程解决教学模式陈旧的问题；学校通过增加中学生信息科技课时量、跨学科培养计算思维，丰富学生计算思维的培养路径，同时还应实施教师间资源共享，构建全方位的监督体系，提高教师计算思维能力；国家通过资金拨款、政策扶持完善计算思维配套基础设施。通过这些措施的实施，将推动中学阶段计算思维的培养和发展，为社会培养更多具备计算思维能力的信息化人才。

作者单位：赵淼 孙巍 佳木斯大学教育科学学院

参  考  文  献

[1]左浩德，朱梦露，曹一鸣.“OECD2030”视域下学生复合能力的维度培养策略及启示[J]. 教育理论与实践，2022，42（7）：6.

[2]任友群，黄荣怀，熊璋.从信息技术到信息科技——关于《义务教育信息科技课程标准：2022年版》的对话[J].课程.教材.教法，2022，42（12）：21-31.

[3]刘敏娜，张倩苇.国外计算思维教育研究进展[J].开放教育研究，2018，24（1）：13.

赵淼（1998.04-），女，汉族，黑龙江哈尔滨，研究生在读，研究方向：信息技术与课程整合；

孙崴（1980.01-），男，汉族，黑龙江双城，硕士研究生，在读博士，副教授，研究方向：数字化学习与网络教育、信息技术与课程整合。