计算思维对中小学信息技术课程的影响初探

王荣良

华东师范大学中小学信息技术教育研究中心 上海 200062

1 计算思维辨析

2006年3月，曾任美国卡内基·梅隆大学（CMU）计算机科学系主任，现任美国基金会（MSP）计算机和信息科学与工程部（CISE）主任的周以真（Jeannette M. Wing）教授在美国计算机权威杂志ACM会刊Communications of the ACM杂志上，首次提出计算思维（Computational Thinking）：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。

计算思维这一观念一经提出，立即得到美国教育界的广泛支持，并引起欧洲的极大关注。2007年9月19日，欧洲科学界、工业界领导者在布鲁塞尔皇家科学院召开了名为“思维科学——欧洲的下一个政策挑战”的会议[2]。2008年10月31日，我国高等学校计算机教育研究会在桂林召开关于“计算思维与计算机导论”专题学术研讨会，来自全国80多所高校，包括70多位计算机学院院长、主管教学副院长在内的近百名专家出席会议，根据“计算思维”领域的研究以及它在科技创新与教育教学中的重要作用，探讨科学思维与科学方法在计算机学科教学中的作用以及在教学过程中如何以课程为载体讲授面向学科的思维方法，以共同促进国家科学与教育事业的进步[3]。

根据周以真教授的观点，计算思维就是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐述成一个人们知道怎样解决的问题。计算思维是一种递归思维，它把代码译成数据，又把数据译成代码；计算思维采用抽象和分解来迎接庞杂的任务或者设计巨大复杂的系统；计算思维是按照预防、保护以及通过冗余、容错、纠错的方式从最坏情况恢复的一种思维；计算思维利用启发式推理来寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调试；计算思维利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行权衡。

计算思维与生活密切相关：当你早晨上学时，把当天所需要的东西放进背包，这就是“预置和缓存”；当有人丢失自己的物品，你建议他沿着走过的路线去寻找，这就叫“回推”；对自己租房还是买房作出决策，这就是“在线算法”；在超市付费时，决定排哪个队，这就是“多服务器系统”的性能模型；此外还有“失败无关性”和“设计冗余性”。由此可见，计算思维与人们的工作与生活密切相关，计算思维应当成为人类不可或缺的一种生存能力。

2 信息技术与计算思维的关系

信息技术是关于信息的产生、发送、传输、接收、变换、识别、控制等应用技术的总称，是在信息科学的基本原理和方法的指导下扩展人类信息处理功能的技术。作为现代信息技术，包括通信技术、计算机技术、多媒体技术、自动控制技术和遥感技术等。当今社会，人们已经离不开信息技术。

从表现形式来看，信息技术可以应用在机械、激光、电子、生物等多个方面。现代信息技术的核心技术是计算机技术，特别是随着普适计算的发展和网络计算的普及，从本质而言，信息的自动处理越来越依赖于以CPU为核心的计算机，只是计算机的物理表现形态已不是传统意义的计算机机箱。

随着现代计算机的计算速度和存储空间的不断增长，计算机已经为人们提供了比数值计算更多的功能，人们已经在计算机上实现了以前只能用纸和笔才能完成的符号计算或符号推理，计算物理学、计算化学、计算生物学等一批计算性学科的兴起，尤其是相续兴盛的各种非线性科学、人工智能、人工生命、遗传算法理论、DNA计算机理论等，无不显示了当代科学数学化的一个新特点：计算化、算法化[4]。“万物皆算法”成为科学数学化的当代走向。

作为计算学科，是对信息描述和变换的算法过程的系统研究，包括理论、分析、设计、效率、实现和应用的研究[5]。抽象（Abstraction）和自动化（Automation）（“2A”）是计算思维中两个最根本的概念，即反映了计算学科的根本问题：什么能被（有效地）自动化[6]。由此可见，作为以信息自动处理为主要功能的信息技术，其核心思想是计算思维。而信息技术的广泛应用，反映了计算思维对现代人类的重要性。

3 计算思维对信息技术课程可能产生的作用

中小学信息技术课的前身是计算机课。我国从20世纪80年代初就开始在中小学开设计算机课程，教育部于2000年10月25日在北京召开的“全国中小学信息技术教育工作会议”是中小学信息技术教育全面发展的标志性会议。2004年，《普通高中信息技术课程标准（实验）》的制订进一步推动了信息技术课程的发展。信息技术课程与计算机课程的根本区别是如何看待计算机。课程的目标从掌握计算机知识和技能转变到信息素养的培养，从培养学生对计算机的兴趣，掌握计算机知识，提高运用计算机的能力到学生通过学习信息技术，能有效地利用信息工具和信息资源来改善自己的学习方式，树立利用信息工具解决问题的思想。

从《普通高中信息技术课程标准（实验）》对提高学生信息素养的课程目标可以看出，学生的信息素养表现在：对信息的获取、加工、管理、表达与交流的能力；对信息及信息活动的过程、方法、结果进行评价的能力；发表观点、交流思想、开展合作并解决学习和生活中的实际问题的能力；遵守相关的伦理道德与法律法规，形成与信息社会相适应的价值观和责任感[7]。这样，从知识与技能、过程与方法、情感态度价值观三方面全面描述了信息素养。

然而，信息技术课程在强调用信息技术工具解决实际问题过程中，一直没有很好地解决对信息技术核心工具即计算机的理解。事实上，计算机作为一种信息自动处理工具，不仅是工具应用，而且工具处理信息的思想都应该被现代社会公民所掌握，并且后者比前者更为重要。文献[8]在反思中小学程序设计教学的基础上，从问题求解、形式规整、人机共存3个方面阐述了算法思维，并提出目前“算法与程序设计”教学要从重视程序设计、重视算法细节转移到重视算法思维，如同算法是信息处理的核心技术一样，算法思维可以成为信息技术课程的核心思维。

对计算思维的讨论，促进了ACM对CC2001（美国关于大学计算机科学的教学大纲）的修改，倡导“计算思维”与“计算机导论”课程绑定在一起，并明确要求该课程讲授计算思维的本质。对计算思维的讨论，同样也会促进对中小学信息技术课程价值的讨论。

首先，计算思维的讨论促进人们从信息素养培养转向对信息技术工具本身的关注，反思计算机课程，重视计算教育。这是一种“基础的回归”，把学习计算机科学看成学习数学或英语一样的基础知识[2]。必须重新审视飞速发展的计算机技术、网络技术、多媒体技术，挖掘其相对稳定的教育价值。

其次，计算思维的讨论促进改革中小学现有的程序设计教学，重新探讨算法与程序设计在信息技术课程中的地位与作用，优选“算法与程序设计”的教学内容，改善“算法与程序设计”的教学方法，促进算法思维在信息技术课程中以适切的形式呈现。

第三，计算思维促进人们探讨人与信息技术工具的辩证关系。计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要求人类像计算机那样思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力，是人类赋予计算机激情。计算思维极大地丰富了信息技术课程的情感态度价值观的教学内容与价值。

计算思维不仅仅是计算机科学家的思维，它已不局限于计算机领域，应该成为每个人的技能组合成分。理解这一点，就需要重新研究信息技术课程的教育价值。

4 结言

综上所述，可以这样认识计算思维：计算机思维是运用计算机科学的基础概念来进行问题的求解、系统的设计以及人类行为的理解，它是一种计算机学科的方法论，也与人们的工作、生活密切相关。计算思维是一种本质的、所有人都具备的思维方式，就像阅读、写字、做算法一样，成为人们最基础、最普遍、最适用的和不可缺少的基础思维方式。

在大学推进计算思维这一基本理念的教育和传播工作十分重要，通过计算思维的教育，让所有专业的大学新生能够“像计算机科学家一样思维”。与此对应，在基础教育中，让将来的现代社会公民掌握计算思维比学会操作计算机更为重要。只有当计算思维成为一种本质的、所有人都具备的思维方式，使计算思维成为人类活动的整体，才能激发人们对科学探索的兴趣，使计算思维成为一种常识。作为提升学生信息素养的中小学信息技术课程，也应该承担起计算思维教育的重任。

[1]Wing J M. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM,2006(3):33-35.

[2]袁开榜.二十一世纪，人们应该具有计算思维能力[J].计算机教育,2011(10):30-33.

[3]牟琴,谭良.计算思维的研究及进展[J].计算机科学,2011(3):10-15.

[4]郝宁汀.从“万物皆数”到“万物皆算法”[J].科学技术与辩证法,2002(2):14-17.

[5]董荣胜.计算教育哲学初探[J].计算机科学,2000(1):93-97.

[6]董荣胜.计算思维与计算机导论[J].计算机科学,2009(4):50-52.

[7]王吉庆.信息技术课程论[M].保定:河北大学出版社,2004:67.

[8]王荣良.信息技术课程中算法学习的价值探索[J].中国电化教育,2008(8):79-81.