李澤 李偉 毛頓 龔志輝 夏立

【摘 要】對(duì)計(jì)算思維內(nèi)涵的解讀，以及在K-12階段對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，已經(jīng)成為教育研究者們重點(diǎn)關(guān)注的議題。該研究基于計(jì)算思維三維框架，以問(wèn)題解決為主線(xiàn)，以設(shè)計(jì)和創(chuàng)造為核心，提出了一套系統(tǒng)且具有可操作性的計(jì)算思維實(shí)踐框架。該研究基于過(guò)程要素和行為表現(xiàn)的分析，并融合了學(xué)科的特色，豐富了計(jì)算思維實(shí)踐的具體內(nèi)容，旨在為計(jì)算思維培養(yǎng)提供理論和實(shí)踐方面的指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維;計(jì)算實(shí)踐;思維培養(yǎng);問(wèn)題解決;設(shè)計(jì)過(guò)程

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2021）09-005-04

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，其在眾多行業(yè)的優(yōu)勢(shì)愈加明顯，計(jì)算思維逐漸引起了人們的關(guān)注。英、美、韓、澳等國(guó)家相繼將計(jì)算思維納入課程體系[1]。我國(guó)教育部發(fā)布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中，也將計(jì)算思維作為信息技術(shù)課程培養(yǎng)的學(xué)科核心素養(yǎng)之一[2]。圍繞計(jì)算思維的具體含義和組成，本文從計(jì)算實(shí)踐角度提出了一個(gè)包含四個(gè)維度的計(jì)算思維實(shí)踐框架。該框架能夠?yàn)橛?jì)算思維相關(guān)的教學(xué)、課程設(shè)計(jì)以及表現(xiàn)性評(píng)價(jià)提供參考，為學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，尤其是在K-12階段的落地，提供一套可操作性的指南。

計(jì)算思維的構(gòu)成與計(jì)算實(shí)踐

自計(jì)算思維概念提出以來(lái)，對(duì)于計(jì)算思維的具體構(gòu)成，人們提出了不同的看法。多數(shù)文獻(xiàn)都是將計(jì)算思維分解成數(shù)據(jù)分析、問(wèn)題分解、抽象、算法等多個(gè)子概念或?qū)嵺`[3][4][5]，而缺乏對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程和思維培養(yǎng)過(guò)程的關(guān)注。2012年，Brennan和Resnick以基于設(shè)計(jì)的Scratch互動(dòng)學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，提出了計(jì)算思維的三維框架，包含計(jì)算概念、計(jì)算實(shí)踐及計(jì)算觀念三個(gè)維度[6]。計(jì)算概念指的是在編程中廣泛運(yùn)用的概念：序列、循環(huán)、事件、并行、條件語(yǔ)句、運(yùn)算符號(hào)和數(shù)據(jù)。計(jì)算實(shí)踐指的是作者對(duì)一個(gè)作品的創(chuàng)作過(guò)程，研究中將其分解為四個(gè)部分：試驗(yàn)與迭代、測(cè)試與調(diào)試、重用與改編、抽象與模塊化。計(jì)算觀念指的是學(xué)習(xí)者對(duì)超出作品本身事物的思考和理解能力，包括表達(dá)、聯(lián)系和質(zhì)疑。該框架為計(jì)算思維的教學(xué)和培養(yǎng)提供了參考，也為計(jì)算思維的評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。計(jì)算作品是反映學(xué)生計(jì)算思維能力的重要載體。該研究也嘗試從受訪者的計(jì)算作品入手，用多種方式評(píng)價(jià)學(xué)生的計(jì)算思維。但是，該框架基于對(duì)創(chuàng)作實(shí)踐部分的維度劃分比較粗略，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)作過(guò)程缺少關(guān)注，對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)的落地缺乏明確的指導(dǎo)。思維的過(guò)程是思維結(jié)構(gòu)重要的組成部分之一[7]，而作品創(chuàng)作的過(guò)程正是反映思維過(guò)程的重要方式。因此，對(duì)計(jì)算作品創(chuàng)作過(guò)程的關(guān)注，是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重要環(huán)節(jié)。

計(jì)算實(shí)踐導(dǎo)向的計(jì)算思維實(shí)踐框架

本文提出的計(jì)算思維實(shí)踐框架，是基于上述三維框架中的計(jì)算實(shí)踐維度進(jìn)行補(bǔ)充和架構(gòu)的。從過(guò)程要素和行為表現(xiàn)的層面分析，計(jì)算思維的過(guò)程是問(wèn)題解決中的邏輯思維、算法思維和系統(tǒng)思維的具體作用過(guò)程[8]。在各國(guó)的計(jì)算思維課程設(shè)計(jì)中，都強(qiáng)調(diào)問(wèn)題解決的能力[9]。因此“問(wèn)題解決”是本研究架構(gòu)計(jì)算思維實(shí)踐框架的主線(xiàn)。思維具有生產(chǎn)性，人們會(huì)為解決問(wèn)題制作思想產(chǎn)品，故評(píng)價(jià)“作品”是分析思維的一個(gè)重要途徑[10]。在計(jì)算思維實(shí)踐中，學(xué)習(xí)者產(chǎn)出的計(jì)算作品就是思想產(chǎn)品，而產(chǎn)出作品的過(guò)程離不開(kāi)利用計(jì)算工具和計(jì)算原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)作品來(lái)建構(gòu)知識(shí)，正是建造主義所強(qiáng)調(diào)的學(xué)習(xí)過(guò)程[11]。因此，設(shè)計(jì)因素是我們對(duì)計(jì)算思維實(shí)踐框架進(jìn)行架構(gòu)的另一重點(diǎn)。

結(jié)合計(jì)算思維的內(nèi)涵，以及根據(jù)建造主義的基本理論和借助計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的一般過(guò)程，本文構(gòu)建了如圖1所示的計(jì)算思維實(shí)踐框架。學(xué)習(xí)者以問(wèn)題解決為目的，從具體問(wèn)題情境出發(fā)，歷經(jīng)分析、設(shè)計(jì)、創(chuàng)造和評(píng)估四類(lèi)行為表現(xiàn)。在每一類(lèi)行為表現(xiàn)下，分別由三至四個(gè)不同的具體實(shí)踐組成，最終形成計(jì)算作品。需要注意的是，盡管框架對(duì)計(jì)算思維實(shí)踐按照行為表現(xiàn)進(jìn)行了不同維度的劃分，但是在實(shí)際學(xué)習(xí)過(guò)程中，每個(gè)實(shí)踐行為之間是高度相關(guān)、相互交織并不斷迭代的，實(shí)際教學(xué)中也應(yīng)綜合使用以完成教學(xué)目標(biāo)。接下來(lái)本文將對(duì)各個(gè)維度進(jìn)行闡述。

1.計(jì)算思維實(shí)踐之“分析”維度

分析問(wèn)題是學(xué)習(xí)者進(jìn)行問(wèn)題解決的開(kāi)始。本文將該維度分為問(wèn)題定義、問(wèn)題分解和數(shù)據(jù)分析三個(gè)實(shí)踐過(guò)程。問(wèn)題定義是問(wèn)題解決的起點(diǎn)，它指的是學(xué)習(xí)者識(shí)別并理解計(jì)算問(wèn)題的過(guò)程[12]。在明確了問(wèn)題的目標(biāo)與本質(zhì)后，學(xué)習(xí)者便可嘗試將復(fù)雜問(wèn)題分解為易于控制和實(shí)現(xiàn)的子問(wèn)題。在此過(guò)程中，學(xué)習(xí)者還應(yīng)基于經(jīng)驗(yàn)或理論判斷可行的計(jì)算方法，將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為能夠使用合適計(jì)算工具解決的問(wèn)題[13]。

在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行界定后，學(xué)習(xí)者還應(yīng)當(dāng)對(duì)問(wèn)題中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)視角是一種新的理解問(wèn)題的方式。如何高效地獲取、處理和分析數(shù)據(jù)，并從中總結(jié)出規(guī)律和結(jié)論，是科學(xué)研究的核心。在教育部發(fā)布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中，對(duì)學(xué)生信息意識(shí)的描述也涉及了學(xué)生能夠根據(jù)解決問(wèn)題的需要，自覺(jué)、主動(dòng)地使用恰當(dāng)?shù)姆绞将@取與處理數(shù)據(jù)，并且采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式界定問(wèn)題和合理組織數(shù)據(jù)[14]。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合適的處理后，學(xué)習(xí)者還應(yīng)使用計(jì)算工具從數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，識(shí)別規(guī)律和關(guān)系，進(jìn)行推理和預(yù)測(cè)，并使用可視化的方式將結(jié)論表達(dá)出來(lái)[15]。

2.計(jì)算思維實(shí)踐之“設(shè)計(jì)”維度

在對(duì)問(wèn)題有了基本的理解并確定需要達(dá)成的目標(biāo)后，學(xué)習(xí)者就可以形成解決問(wèn)題的思路，并對(duì)解決方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算作品是學(xué)習(xí)者最直接明顯的產(chǎn)出，而作品的設(shè)計(jì)過(guò)程是評(píng)估學(xué)習(xí)者計(jì)算思維能力的重要組成部分。學(xué)習(xí)者在設(shè)計(jì)中首先要關(guān)注方案的整體性，抽象出問(wèn)題解決的模型;然后明確模型中具體的算法設(shè)計(jì)，確定完成問(wèn)題的基本指令;最后從系統(tǒng)的角度審視解決方案，既要關(guān)注系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和行為，也要注意到系統(tǒng)和外部環(huán)境的相互作用和影響。因此，本文將設(shè)計(jì)過(guò)程分為抽象建模、算法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)思考三個(gè)實(shí)踐過(guò)程。

抽象建模是解決計(jì)算問(wèn)題的核心，它幫助人們應(yīng)對(duì)易變和復(fù)雜的環(huán)境，深化對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的理解[16]。模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)的簡(jiǎn)化，是對(duì)特征的概括，而概括能力又是學(xué)科能力和思維能力的基礎(chǔ)[17]。在概括了必要的特征后，學(xué)習(xí)者就需要對(duì)模型進(jìn)行建構(gòu)。使用合適的方式建構(gòu)模型有助于學(xué)習(xí)者探究系統(tǒng)的內(nèi)在邏輯和關(guān)系。而如何有效地使用模型，關(guān)鍵在于理解模型與現(xiàn)象之間的關(guān)系，這就包括闡述模型與現(xiàn)象之間的異同，提出影響其有效性的因素，以及識(shí)別模型所隱含的內(nèi)在假設(shè)。

完成了模型的建構(gòu)之后，學(xué)習(xí)者就要針對(duì)問(wèn)題解決進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。算法是完成特定任務(wù)的一系列自動(dòng)化步驟，是呈現(xiàn)問(wèn)題解決方案的邏輯和有序指令。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)習(xí)者首先應(yīng)當(dāng)理解算法的應(yīng)用情境、基本概念、邏輯流程和設(shè)計(jì)原則，而后用自然語(yǔ)言、流程圖或偽代碼等形式進(jìn)行表達(dá)，最后從經(jīng)驗(yàn)、邏輯、數(shù)學(xué)等方面對(duì)算法的正確性和有效性進(jìn)行分析。

計(jì)算作品是由相互聯(lián)系、相互作用的元素為完成特定目標(biāo)而組成的集合，學(xué)習(xí)者應(yīng)該以系統(tǒng)化的方式對(duì)計(jì)算作品進(jìn)行思考和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)思考是一種重要的思維方式，它對(duì)科學(xué)發(fā)展及培養(yǎng)公民的科學(xué)素養(yǎng)起到重要作用[18]。按照從整體到局部的邏輯順序，學(xué)習(xí)者應(yīng)先忽略底層交互細(xì)節(jié)，從整體上理解系統(tǒng)的行為和特征，而后識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成元素及其行為，厘清整體與局部的關(guān)系，理解元素之間的交互作用和層次關(guān)系，并進(jìn)行模塊化或?qū)哟位O(shè)計(jì)。按照從內(nèi)到外的邏輯順序，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)先定義系統(tǒng)的邊界、范圍和大小，在控制系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)，確保系統(tǒng)包含必要的元素，以完成既定目標(biāo)，而后理解系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用，識(shí)別系統(tǒng)外的關(guān)鍵影響因素，調(diào)整和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.計(jì)算思維實(shí)踐之“創(chuàng)造”維度

在問(wèn)題解決的過(guò)程中，最關(guān)鍵的步驟就是將設(shè)計(jì)方案在實(shí)際情境下借助計(jì)算工具加以實(shí)現(xiàn)和實(shí)施。本文將“創(chuàng)造”維度分解為計(jì)劃制定、作品創(chuàng)造、實(shí)驗(yàn)迭代三個(gè)實(shí)踐過(guò)程。

創(chuàng)造過(guò)程可以看做是按照一定的目的、任務(wù)和形式管理的項(xiàng)目過(guò)程。因此在作品創(chuàng)作之前，學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)用計(jì)劃描述項(xiàng)目的目標(biāo)、范圍、過(guò)程及預(yù)期結(jié)果，采用合適的方式監(jiān)控項(xiàng)目進(jìn)展，并在發(fā)生變更時(shí)對(duì)項(xiàng)目做出及時(shí)調(diào)整。之后學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)依據(jù)設(shè)計(jì)方案和項(xiàng)目計(jì)劃，使用合適的工具和材料創(chuàng)造作品;另一方面，學(xué)習(xí)者還能對(duì)已有作品進(jìn)行改編，采用組合和重用的方式創(chuàng)造作品，并設(shè)計(jì)可復(fù)用的組件，使其適應(yīng)變化的需求。而創(chuàng)造的過(guò)程并不是一蹴而就的，往往需要不斷地通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證想法，并以迭代的方式調(diào)整和完善設(shè)計(jì)方案或作品，解決計(jì)算問(wèn)題以適應(yīng)新的需求。

4.計(jì)算思維實(shí)踐之“評(píng)估”維度

評(píng)估是學(xué)習(xí)者對(duì)計(jì)算作品進(jìn)行總結(jié)的過(guò)程。學(xué)習(xí)者對(duì)計(jì)算作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，確認(rèn)其是否達(dá)到預(yù)定的問(wèn)題解決的目標(biāo)，是否實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，以及是否成功解決了計(jì)算問(wèn)題。本文將該維度分解為測(cè)試調(diào)試、作品分析和評(píng)論反饋三個(gè)實(shí)踐過(guò)程。

測(cè)試調(diào)試是有意識(shí)地提升計(jì)算作品質(zhì)量的過(guò)程，同時(shí)也是深入理解計(jì)算系統(tǒng)和環(huán)境的過(guò)程。在軟件工程中，使用測(cè)試用例對(duì)計(jì)算作品進(jìn)行系統(tǒng)化的測(cè)試，識(shí)別并分析異?，F(xiàn)象，調(diào)試并修復(fù)作品中的錯(cuò)誤，是測(cè)試調(diào)試必不可少的環(huán)節(jié)。在完成作品后，學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)能夠從運(yùn)行效果、功能性、可靠性、易用性和可維護(hù)性等方面對(duì)自己或他人的計(jì)算作品進(jìn)行分析。在分享作品的過(guò)程中，學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)理性探討或接受他人的反饋，并對(duì)自己或他人的作品進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑u(píng)論。

總? 結(jié)

本文提出的計(jì)算思維實(shí)踐框架，以問(wèn)題解決為主線(xiàn)，設(shè)計(jì)和創(chuàng)造為核心，全面地總結(jié)了學(xué)習(xí)者在解決計(jì)算問(wèn)題過(guò)程中需要進(jìn)行的實(shí)踐行為，能夠有效地確定學(xué)習(xí)目標(biāo)并指導(dǎo)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。該框架結(jié)合了我國(guó)K-12階段計(jì)算思維培養(yǎng)的現(xiàn)狀，以及國(guó)內(nèi)外目前對(duì)計(jì)算思維領(lǐng)域已有研究的總結(jié)，是一套系統(tǒng)的、具有可操作性的計(jì)算思維培養(yǎng)指南。同時(shí)，本文也從學(xué)科融合的視角，重新審視了計(jì)算思維，融入了系統(tǒng)思考和計(jì)劃制定等具有學(xué)科特色的實(shí)踐，并要求學(xué)習(xí)者將評(píng)估貫穿于整個(gè)項(xiàng)目中，旨在培養(yǎng)學(xué)生用科學(xué)的思維方式識(shí)別、思考和解決生活中現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。

該計(jì)算思維實(shí)踐框架經(jīng)過(guò)了九輪計(jì)算思維領(lǐng)域?qū)＜业挠懻摵托薷模⒁阎鸩皆诮虒W(xué)實(shí)踐中推廣。但是如何分階段地培養(yǎng)計(jì)算思維實(shí)踐，以及學(xué)習(xí)進(jìn)階和學(xué)習(xí)軌跡的設(shè)計(jì)，仍有待在理論研究和教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步探索。

注1：李澤系本文通訊作者

注2：本研究受深圳點(diǎn)貓科技有限公司“3D可視化編程平臺(tái)——代碼島創(chuàng)業(yè)資助項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)：CYZZ20180307154623394）資助;本研究為全國(guó)教育信息技術(shù)研究2018年度重點(diǎn)課題“人工智能時(shí)代小學(xué)創(chuàng)意編程課程的設(shè)計(jì)研究”（課題立項(xiàng)號(hào)：186220006）的階段性成果

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作者單位：1.廣東深圳點(diǎn)貓科技有限公司教學(xué)教研中心? 2. 北京大學(xué)教育學(xué)院 3. 廣東深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 商務(wù)外語(yǔ)學(xué)院