王繼華

【摘 要】本文通過文獻(xiàn)分析介紹了計算思維的關(guān)鍵內(nèi)涵——“抽象”，并通過對英國計算教育課程的分析，提出了將“抽象”和實(shí)現(xiàn)“自動化”的編程結(jié)合起來開展計算思維教學(xué)的總原則，最后用兩個典型案例介紹了如何開展計算思維教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】計算思維；抽象；自動化；編程；教學(xué)

【中圖分類號】G424 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2016）03-0045-03

計算思維是美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）計算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授于2006年提出的。她在美國計算機(jī)權(quán)威刊物《Communications of the ACM》上首次提出了計算思維（Computational Thinking）的概念：“計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動?！庇捎谟嬎闼季S的內(nèi)涵豐富，在理解上給許多人帶來了困擾，甚至有的人一開始并不承認(rèn)計算思維的存在。

但隨著各界科學(xué)家的逐漸接受，計算思維在西方科學(xué)界越來越受重視。冠以“計算”二字的諸如“計算生物學(xué)”“計算物理學(xué)”“計算化學(xué)”等學(xué)科也已涌現(xiàn)，并對各個學(xué)科的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。2013 年的諾貝爾化學(xué)獎授予了三位美國科學(xué)家馬丁·卡普布拉斯、邁克爾·萊維特和亞利耶·瓦謝爾，表彰他們在開發(fā)計算模型以模擬處理復(fù)雜體系的化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域所做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。他們的做法就是典型的計算思維的體現(xiàn)。信息時代的創(chuàng)新，如果缺少了計算思維，猶如鴻雁失去了翅膀。

計算思維教育在美國、英國等發(fā)達(dá)國家受到了前所未有的重視。但內(nèi)涵廣泛的計算思維的關(guān)鍵到底是什么？怎樣去培養(yǎng)？本文試圖從計算思維的提出者周以真教授的演講開始，借鑒英國的經(jīng)驗(yàn)，談?wù)勎覀兊挠^點(diǎn)和做法。

抽象：計算思維的關(guān)鍵

我們檢索了許多關(guān)于計算思維的論文和演講稿，期望弄清楚計算思維的關(guān)鍵特征到底是什么，并有一個通俗易懂的解釋能在中國傳播。我們看到，李鋒和王吉慶（2013）認(rèn)為，計算思維是“數(shù)據(jù)抽象、模型建設(shè)、自動化實(shí)現(xiàn)”。[1]鐘柏昌和李藝（2015）對各種計算思維的概念進(jìn)行了分類，認(rèn)為有七種觀點(diǎn)：問題解決說、抽象說、自動化說、構(gòu)造說、信息表達(dá)說、社會計算說和三維目標(biāo)說。[2]如此不統(tǒng)一的概念，給課程標(biāo)準(zhǔn)的制定和教學(xué)設(shè)計帶來了困擾?；?，抓關(guān)鍵，或許是計算思維理解和傳播的必由之路。為此，我們再次研究了周以真的一些演講，發(fā)現(xiàn)她在2011年3月4日的卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)“OurCS Workshop”上做的“計算思維”的演講稿中有一個比較容易理解的清晰圖示（如圖1）。[3]

圖1 計算是對抽象的自動化實(shí)現(xiàn)

在這個圖示中，計算思維被描述為“聚焦于對抽象的處理”。這里的抽象是指抽象為數(shù)學(xué)模型，這是可計算的前提。抽象的過程可以分解為：選擇正確的抽象，同時操作多個層次的抽象模型，定義層之間的關(guān)系?！白詣踊痹趫D1中指的是對抽象的處理，即把高強(qiáng)度的或海量的運(yùn)算交給高速的計算設(shè)備“自動化”處理，通過處理后的反饋，不斷優(yōu)化抽象模型。其重要性雖然被置于“抽象”之后，但學(xué)會實(shí)現(xiàn)一定的“自動化”，即學(xué)習(xí)編程也是很有必要的。

什么是抽象？它是指把現(xiàn)實(shí)中的事物或解決問題的過程，通過化簡等方式，抓住其關(guān)鍵特征，降低其復(fù)雜度，變?yōu)橛嬎阍O(shè)備可以處理的模型。

現(xiàn)代計算設(shè)備的計算能力雖然已經(jīng)相當(dāng)高，但在處理復(fù)雜事物上還是力不從心。比如天氣預(yù)報、核爆炸、藥物學(xué)與分子生物學(xué)的計算……所以，借由抽象，降低復(fù)雜度，可以非常逼近真實(shí)事物，又不至于失真。前面所說的諾貝爾化學(xué)獎得主的算法，就是在抽象上下足了工夫后才成功的，不然很難反映真實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程。

抽象過程中的化簡對于重構(gòu)事務(wù)處理的流程，利用自動化的高效率大大提高生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)的效率至關(guān)重要。比如自動化生產(chǎn)、自動化辦公、網(wǎng)上購物、滴滴打車、自適應(yīng)考試與學(xué)習(xí)診斷，等等。在今天，幾乎所有現(xiàn)實(shí)都可以編碼為“0”和“1”，誰的抽象能力強(qiáng)，誰就可以體現(xiàn)出新的創(chuàng)造性。

所以，我們不妨將抽象看作計算思維能力培養(yǎng)的關(guān)鍵，設(shè)法貫穿到中小學(xué)教育中，讓學(xué)生從小具備“抽象”的意識和能力，為發(fā)展其數(shù)字化的創(chuàng)新能力打下基礎(chǔ)。

英國計算教育對“抽象”的啟示

計算思維的培養(yǎng)受到了西方發(fā)達(dá)國家的高度重視。美國總統(tǒng)奧巴馬與計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的企業(yè)界領(lǐng)袖如Facebook的CEO馬克·扎克伯格等一起，號召每一個孩子一起來學(xué)習(xí)編程。美國國際教育技術(shù)協(xié)會和計算機(jī)科學(xué)教育協(xié)會多年前就制定了相應(yīng)的課程綱要，但因?yàn)橛嬎銠C(jī)科學(xué)的專業(yè)性要求過高，難以實(shí)施，本文不做重點(diǎn)介紹。但英國在此方面的行動顯得容易實(shí)施一些，值得我們學(xué)習(xí)和分析借鑒。

為了改變ICT教育以學(xué)習(xí)Office等為主的落后局面，在計算機(jī)科學(xué)家群體和教育專家的倡議下，英國教育部于2013年專門研制了計算教育的國家課程標(biāo)準(zhǔn)。[3]其課程目的是：“高質(zhì)量的計算（Computing）教育能讓學(xué)生使用計算思維和創(chuàng)造力來理解和改變世界。計算與數(shù)學(xué)、科學(xué)、設(shè)計、技術(shù)等深度關(guān)聯(lián)，提供了一個理解自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)的視角。計算的核心是計算機(jī)科學(xué)。在這門學(xué)科中，學(xué)生要學(xué)習(xí)信息與計算的原理、數(shù)字系統(tǒng)如何工作以及如何通過編程使這些知識得以使用?；谶@些知識與理解，教師還得讓學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)創(chuàng)造程序、系統(tǒng)等。計算教育也能確保學(xué)生具備數(shù)字素養(yǎng)，讓學(xué)生應(yīng)用并通過ICT表達(dá)自己的想法，使他們能達(dá)到一定的水平以適應(yīng)未來的工作，并成為數(shù)字社會的積極參與者?！痹撜n程目的的陳述，把計算思維放到了核心位置。

1. 課程目標(biāo)

（1）讓學(xué)生理解和應(yīng)用計算機(jī)科學(xué)的基本原理和概念，包括抽象、邏輯、算法和數(shù)據(jù)表示；

（2）能使用計算術(shù)語來分析問題，并具備為解決這些問題不斷地編寫計算機(jī)程序的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；

（3）能評價和使用信息技術(shù)，包括新興的或不熟悉的技術(shù)，分析并解決問題；

（4）成為有責(zé)任心、有能力、有創(chuàng)造力的ICT使用者。

該目標(biāo)對學(xué)生掌握計算機(jī)科學(xué)的概念（如“抽象”等）以及“自動化”編程直接提出了要求。

2. 學(xué)科內(nèi)容規(guī)劃

在學(xué)科內(nèi)容的具體規(guī)劃上，從5歲開始的幼兒園階段到16歲的高中階段，該課程標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行了安排。對于編程教學(xué)，5歲開始的學(xué)段就安排了相關(guān)內(nèi)容：

一是理解什么是算法，算法作為數(shù)字設(shè)備上的程序是如何被實(shí)現(xiàn)的，并通過精確和清晰的指令執(zhí)行算法；

二是創(chuàng)建和調(diào)試簡單的程序；

三是使用邏輯推理預(yù)測簡單程序的行為……

到了11歲的學(xué)段，才明確安排有關(guān)“抽象”的內(nèi)容，并對學(xué)習(xí)“文本”的編程語言提出了要求：

一是設(shè)計、使用和評價計算抽象，這個計算抽象可以模擬真實(shí)世界的問題和物理系統(tǒng)的狀態(tài)和行為；

二是理解幾個反映計算思維的關(guān)鍵算法（如排序和搜索的算法），利用邏輯推理來比較使用不同算法解決同樣問題的績效；

三是使用兩種或兩種以上的編程語言，其中一種是文本，每種語言用于解決各種計算問題；正確使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如列表、表格或數(shù)組），使用過程或函數(shù)來設(shè)計和開發(fā)模塊化程序。

這樣的內(nèi)容安排，對編程的要求是很高的。雖然越是懂得編程、算法、邏輯和數(shù)據(jù)表示，越有利于學(xué)習(xí)“抽象”，但對“抽象”的要求后移太多，有可能造成“自動化”編程與“抽象”的脫節(jié)，其實(shí)兩者完全可以結(jié)合起來，放在一起學(xué)習(xí)。

另外，對于課時捉襟見肘的中國基礎(chǔ)教育，我們傾向于推薦Scratch這種可視化的搭積木式的編程，不推薦“文本”編程語言的學(xué)習(xí)。即便是Python這樣相對容易上手的“文本”編程語言，每周一課時的安排對于其學(xué)習(xí)和實(shí)踐來說也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如果要求所有學(xué)生把精力放在這上面，可能反會得不償失。目前最好的做法也許是對那些學(xué)有余力的學(xué)生，通過課外興趣小組的方式去讓他們開展深入的學(xué)習(xí)。

如何進(jìn)行“抽象”的教學(xué)

我們多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是：不孤立地教編程，一開始就讓學(xué)生把抽象和實(shí)現(xiàn)“自動化”的編程結(jié)合起來。這也發(fā)展成為我們總的教學(xué)原則。

我們問一位在電大教JAVA的研究生：“你自己能用JAVA寫個小軟件嗎？”他回答說：“不能?！薄澳敲茨憬痰膶W(xué)生能做到嗎？”他又說：“也不能。”“那么，考試怎么過關(guān)呢？”他說：“都是考一些語句命令的簡單套用……”這在中小學(xué)LOGO語言和BASIC語言的教學(xué)中同樣是普遍現(xiàn)象。人們往往會沮喪地發(fā)現(xiàn)，教學(xué)就是教語句命令，造成學(xué)生學(xué)而不能致用。孤立地教編程這條路，注定是走不通的。

那么，如何將“抽象”和編程結(jié)合起來呢？下面我們通過兩個例子來說明。

1. “花”的Scratch編程

抽象的目的是把復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)化簡為可計算的模型。比如對圖2中一朵花進(jìn)行分析，8個花瓣具有相似性，那么可以把一片花瓣繪制（抽象）為圖3中的樣子（當(dāng)然還有繼續(xù)抓特征并繼續(xù)完善的余地）。然后建模，即將8個花瓣圍成360°，每個花瓣圍繞下端的中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)45°即可實(shí)現(xiàn)。通過編程實(shí)現(xiàn)“自動化”繪制（如圖4），最終達(dá)到圖5的效果。如果繪制出來的效果距離抽象的對象（花）太遠(yuǎn)，可以繼續(xù)修改完善圖3中的單個花瓣，直到滿意為止。這種從抽象到編程實(shí)現(xiàn)的過程是較為簡單的，小學(xué)生完全可以做到。

2. 小游戲的Scratch編程

理解了“花”的抽象，就容易理解更復(fù)雜的抽象了。用Scratch編寫小游戲是最常見的教學(xué)內(nèi)容，能較好地吸引學(xué)生的興趣。有些游戲?qū)Τ橄蟮囊筝^低，比如打地鼠游戲，從角色的設(shè)定到舞臺的安排，再到編程的實(shí)現(xiàn)并不困難。我們可以在Scratch的各種教材里看得到設(shè)計這個游戲的內(nèi)容。

模擬類的游戲?qū)Α俺橄蟆钡囊髸咭恍热缫帉懸粋€食物鏈系統(tǒng)的模擬游戲，學(xué)生要搞清楚這個系統(tǒng)中有哪些動植物（抽象出角色）、這些動植物之間的食物關(guān)系是怎樣的（抽象出一個個角色之間的關(guān)系），還要明晰當(dāng)在舞臺（比如草地）中這些動植物相遇時，各自會出現(xiàn)什么結(jié)果；動植物一起和諧共生時，相互間的數(shù)量關(guān)系如何（抽象為數(shù)學(xué)模型）；如果增加某種動物的數(shù)量，會對其他動植物的數(shù)量產(chǎn)生什么影響（應(yīng)用該數(shù)學(xué)模型）……

計算思維的教學(xué)對我國中小學(xué)教育來說，還是一個全新的領(lǐng)域，不僅基本理論研究沒跟上，教師的教學(xué)準(zhǔn)備也相當(dāng)不足。本文試圖通過尋找計算思維的關(guān)鍵特征——“抽象”來加深同行對計算思維的理解，通過分析國際經(jīng)驗(yàn)來獲得借鑒和啟發(fā)，通過基于Scratch的案例來思考在教學(xué)中的應(yīng)用。但是，真正做過程序員的人都很清楚，Scratch的功能是相當(dāng)有限的，要想承載起培養(yǎng)中小學(xué)生計算思維的全部重任是不現(xiàn)實(shí)的。到底如何才能做好計算思維的培養(yǎng)工作，還需我們不斷去探索。

（作者單位：深圳龍崗區(qū)平安里學(xué)校）