王蕾

教学现场

计算思维主题研训活动如火如荼开展之时，各地纷纷进行了有关计算思维的载体形式和实现方式的研讨。其中有关计算思维如何落地、信息技术学科中如何践行计算思维的质疑也在日益凸显，究竟何种教学模式，才是计算思维正确的打开方式？

问题分析

从理论界的演进到学术界的认可，从学科领域的更替到研究方向的明晰，计算思维在确立其学科思维引导者的旗舰作用后，缺少了教学一线的落地研究。本文将对计算思维从学理中进行实践性的解析，以期为计算思维的落地研究提供实例。

计算思维的概念界定与落地方式

2006年，“计算思维”概念肇始于美国卡内基梅隆大学计算机科学系主任周以真（Jeannette M. Wing）的界定。“计算思维”概念的讨论发源自计算机科学领域，是他们关于科学思想和方法之深刻价值的进一步觉醒。随着信息技术学科的发展，“计算思维”概念正在走出计算机科学领域，显现为一种新的具有广泛意义的思想方法。这个概念逐步受到基础教育界的广泛重视：ISTE和CSTA联合制定的中小学计算思维课程框架中，明确将计算思维定义为解决问题的一种过程。[1]

Resnick认为计算思维是种特别重要的表达形式，“编程就像写作，是一种表达方式，也是开发新的思维方式的入口”。他相信对于多数人来说，计算思维意味着经常运用计算媒体表达自己的一种手段，计算的力量体现在它允许人们通过各种媒体表达和展现自己，因此，计算思维意味着能够创建、建立和创造展示物，需要频繁使用计算媒体。[2]Wilensky认为有关计算思维的定义可以分为四种类型：理解世界的方式、做事的方式、探究的方式、协作的方式。[3]中国学者李艺、钟柏昌认为，“计算思维可以分为三组有关联的思维结构：对象化思维和过程思维，兼具认识世界和改造世界的功能，分别指向世界的空间和时间维度；抽象思维和可视化思维，它们主要体现在认识世界的活动当中，分别指向世界的内在本质和外在形态；工程思维和自动化思维，它们主要表现为改造世界的能力，分别指向改造世界的必然性和自由性”。三组概念共同构建了一个“计算思维”的思维世界。[4]

信息技术教学中有关计算思维的表现形式

学者们从计算思维的关联中分析出思维结构的三维组成，落实在中小学信息技术学科教学中，具体物化为信息技术教学设计的三种模式，即：在有关设计为主线的学习活动中，落实对象化思维和过程思维，借助类学习工具实现计算思维的培养过程；在以内容解析为认知导向的学习活动中，培养学生的抽象思维和可视化思维，建立知识图景；在基于问题解决的学习活动中，通过工程思维的过程，找到问题求解的最优途径，提升学生的解题能力。

基于计算思维的信息技术三维组成的教学过程

计算思维解析为三组相关的思维结构，其中对象化思维和过程思维关注认识事物的时空维度，在实践课等内容中使用较多；抽象思维和可视化思维关注认识事物的内核与外形，在初识课中使用较多；工程思维和自动化思维关注提升改造世界的能力，在有关程序设计的相关内容中使用较多。下文将结合典型课例进行具体的阐述。

1.对象化思维和过程思维：设计为线的学习活动

对象化思维和过程思维关注思维主体的活动过程，強调学习活动是由具体的时间、活动、人物等对象化要素构成的，有关开始、发展、结束的完整阶段的思维过程。在信息技术教学中，常规的实践课可采用这样的思维形式进行学习活动。

（1）原设计

物联网《智能楼道灯》一课属于典型的实践性信息技术课，要求学生在课上完成通过声控、光控等条件进行灯泡亮灭的控制。常见的课例中，教师一般会带领学生进行实验分析，然后按照实验计划完成项目。教学过程中的常见问题是，学生完成一轮实验后，无法准确进行知识归纳，不明白实验的目标，也不能准确说出自己的实验流程。

（2）思考焦点

出现此问题的焦点在于，教师的设计过程虽遵循从设计思路到实践实验的过程，但是缺乏对确定的对象进行过程思维的流程，因此学生的操作实践只是按部就班地进行实践，缺少思维的过程，最终导致技能任务完成但认知任务缺憾的情况。

（3）改进型设计

在基于计算思维的教学过程中，教师将从过程思维的角度来安排教学流程。

导学部分：结合智能楼道灯的实例，分析声控灯的动作过程→思考：为何能用声音来控制灯？

确定实验对象：在刚才的过程中，引起变化的是“声音”→产生变化的是“楼道灯”，因此，如果要控制楼道灯，要将“声音”作为促发对象，将“楼道灯”作为接受对象。（明确实验的两个研究对象）

确定研究路线：根据导学分析，我们能够发现以下的思路，①测量常态下的声音数值，并记录在学习单上。②假设：设置双分支结构，常态下（即无声音状态）→声音传感器检测声音值低于常态值→无人经过→楼道灯灭；非常态下（即有声状态）→传感器检测到声音值高于常态值→有人经过→楼道灯亮。③思考：如果常态声音值变化，如何修改以上的程序？

实施实验过程：根据研究路线图，进行实验，并记录下相应的数值。

得出实验结论：智能楼道灯如何做到智能的？它的智能通过哪些载体来实现？

教学评析：在以上过程中，学生清晰地了解实验目的和研究对象，在理清、明晰主线后，通过工程思维的方式进行自我的学习实践，逐一验证假设。每一次实验，都是一次从认知理论到实践验证的过程，完成了深层学习和意义建构，因此教学效果甚为理想。

2.抽象思维和可视化思维：解析为内容的认知导向

抽象思维和可视化思维主要体现在认识世界的活动当中，分别指向世界的内在本质和外在形态。在信息技术教学中，这样的思维过程对初识课的教学尤为有效。

（1）原设计

《初识物联网》一课，是义务教育阶段物联网模块的起始课。近年来，它受到了众多优质课竞赛的青睐。在笔者所听过的《初识人工智能》一课的讲授中，常规教学模式一般采用以下流程进行：视频导入（介绍人工智能的应用）→概念解析（说明什么是人工智能）→原理说明（介绍人工智能的原理）→应用前景（人工智能的常用场景）。很多课中，都有着浓厚的品社课或理论课的痕迹，教师讲解多，学生操练少，导致最终的教学效果不理想。

（2）思考焦点

人工智能的初识课颇有难度，它不同于常见的经典课型，有着确定的概念和理论界定。它从概念解析到外延的扩展尚处于起步阶段，所以教师们常苦于无法驾驭这样的课型。

根据计算思维的设计理念，我们可以从中提取抽象的概念进行具体化，采用可视化的方式帮助学生真正揭开此神秘内容的面纱。

（3）改进型设计

2017年江苏省信息技术教师基本功大赛小学组现场教学实践项目的题目为《初识人工智能》，在听课过程中，笔者汲取授课教师的经验，通过基于计算思维的设计理念，形成了以下的教学组织形式。

①体验人工智能：通过scratch中的程序自动控制送餐机器人，让学生积累人工智能的感性经验，从自然语言角度体会人工智能的运行方式。

②分析人工智能原理：借助以上程序的结构，让学生思考：为什么机器人能自动送餐？机器人的运动是哪个语句控制的？它在运动过程中，如何准确地判断餐桌的位置？

学生通过对程序脚本的分析，明晰了所谓智能并不是机器人自身所具备的思维能力，而是由程序编写者设置一定的变量，借助动作的变化，从而实现自动化的控制。学生通过对源程序的剖析，能够理解到，人工智能其实是人的智能，是人类借助机器人实现动作的一系列活动。

③构建人工智能图示：教师引导学生，绘制出送餐机器人的结构流程图。

④编写的新人工智能程序：

教师给出新的命题，学生根据以下情况修改程序：

A如果客人换桌怎么办？（建立桌号变量，动作根据桌号变量行动）

B如果客人退餐怎么办？（建立沟通机制，增加对话选择）

C如果路上遇到障碍物怎么办？（建立避障模块，绕开明显的障碍物）

⑤出示人工智能理论概念。

⑥介绍人工智能应用场景。

教学评析：在以上的教学设计中，秉承从抽象概念到具象认知的过程，将原本理论化的初识概念进行可视化的思维解析，使得认知过程有了物化的依托，丰富了教学内容。

3.工程思维和自动化思维：基于问题解决的最优途径

工程思维是指学习者在处理问题时进行活动的心智模式，包括提出问题的时机、工作的排序与调整、有效的思维模式和如何判断工作成果的优劣等关于问题解决的程序和方法，其最基本的特征就是思维的“整体性”。自动化思维是指无意识的、不带意图目的的、自然而然的并且无需干预的思维模式。在信息技术学科中，两者主要表现为改造世界的能力，分别指向改造世界的必然性和自由性。互为裨益的两种思维方式，在有关程序算法的问题解析类课型中尤为适用。

（1）原设计

《我的scratch作品》一课同为江苏省2017年信息技术教师基本功竞赛课堂实践项目的考查内容，本课在教学公开课中也常常可见。在传统的教学中，教师一般采用“三个一”的形式来组织教学：一个主题引入课名、一个小作品负载任务、一个知识点进行归纳。此过程看似严谨，但课堂教学情况层次不齐。有的教师能驾驭该项主题，有的教师的教学平淡无奇。

（2）思考焦点

从教学目标来分析，本课实为一节典型的开放式程序设计课，需要教师发挥主观能动性，对教材进行必要的二次开发，顺利完成教学任务。出现教学效果大相径庭的原因在于，教师的自我开发程度差异较大，有些教师未能梳理出完整的教学思路，导致问题解决得拖沓冗长。

（3）改进型设计

在基于工程思维和自动化思维的教学中，可以对本课的教学环节进行主题性的修整：

师：《跳一跳》的游戏大家都玩过吧？谁能说出其中的游戏规则？

学生介绍“跳一跳”的游戏规则（即分析了脚本的设计要求）。

师：今天我们也来做一个小猫跳一跳的游戏，我们先来画一个思维导图。

学生对照刚刚的游戏规则，建立相应的思维导图。

运动之跳跃对象：小猫→运动方向（面向踩板出现的方向）→规则：不能掉地。

运动之变化对象：各类踩板→循环出现（自右向左依次出现）→规则：大小形状不一。

师：请把我们刚刚的思维导图转换为程序流程图。

学生将自然语言改编为程序语言。

师：完成踩板的循环出现有几种方式？

生：如果…那么…；如果…那么…否则；计次循环；无限循环……

师：要实现踩板不断地自左往右移动，并配合小猫的节奏，可以用哪几种脚本实现？请你尝试一下，并记录下探究的情况。

学生通过多次试误，最终发现最适合自己的模块。在此基础上，完成多样性的作品设计。

（无统一答案，学生自我掌握度越高的答案，即为最适合的答案）

教学评析：在上述的教学中，教师所引导的不再是机械的技术为主的技能认知，而是给出必要的问题解决思维，促发学生思考如何能有效地进行问题的求解。通过自己的多次试误，最终找到适合自己个性特征的问题最佳解决路径。因此，教学中，学生的学习过程主动积极，作业内容多样丰富。

总结与展望

计算思维的三组相互关联的思維结构方式，是对计算思维课程化的具体解析，需要根据实际的教学形态加以物化。在实际的教学中，如何能最大程度地促发学生的主观能动性、提升其意义学习的水平是教学所关注的焦点。将计算思维分维度地进行剖析，其目的在于为学生提供更为充足的思维支架，促进学生深度学习。

在具体的教学过程中，要注意以下几点：首先，避免“思维过甚”。有的教师过度重视计算思维的过程，认为所有的教学环节必须体现计算思维，这是一种过于偏激的观点。所谓有教无类，是指教师的教学因人而异，因内容而不同，并没有硬性的规定。其次，避免“创新过甚”。有的教师将计算思维归结为创新能力的培养路径，此想法自身无过，但是如果一味地强调创新，则会让计算思维的过程限于局部盲目的状态，反而影响了学生构建完整的思维过程，所以创新只是教学的目标之一，而不是唯一。最后，避免“个性过甚”。在个性化学习大行其道的当下，有的教师将计算思维当作个性化学习的法宝，认为只有具有个性化的学习过程才是计算思维推进的有效评价标准，这是一叶障目不见泰山的狭隘之见。个性化学习只是一种学习方式，计算思维关注的是个体的良好的思维习惯和思维品质的培养，并非只追求个性化。在有些程式化的内容中，标准化的概念和评价标准同样也是教学目标之一。

参考文献：

[1]Wing J M. Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006（3）.

[2]NRC. Report of a workshop on the pedagogical aspects of computational thinking[M].Washington，D.C.：National academies press，2011：67-69.

[3]林旺，孙洪涛.基于软件应用的计算思维能力培养教学设计[J].中国电化教育，2014（11）.

[4]钟柏昌，李艺.计算思维的科学涵义与社会价值解析[J].江汉学术，2016（2）.