职业教育中学生计算思维能力的培养方案探析

□张兆芹 陈守芳 贾维辰 杨 烜

职业教育中学生计算思维能力的培养方案探析

□张兆芹 陈守芳 贾维辰 杨 烜

计算思维能力培养方案是学生计算思维能力培养的总体设计方案，是职业学校学生计算能力培养工作的蓝图和总体规划。论文根据职业教育中学生计算思维能力的echo认知模型，从中提炼总结了职业学校学生必须具备的问题约简能力、抽象推理能力、规律发现能力、问题优化能力、方案评价能力、并行处理能力、系统保护意识七个方面的计算思维能力要求，然后编制了针对职业学校学生进行的问卷调查，根据职业教育学生计算思维能力调查的结果分析，提出了职业教育学生计算思维能力的具体培养方案，并针对职业教育构建起一整套适应当前中国职业教育发展和学生发展的计算思维能力培养体系。

职业教育；计算思维能力；培养方案；评价体系

一、背景及现状

我们在梳理职业教育中计算思维能力的文献后发现，在职业教育领域中，还没有计算思维能力相关培训课程的构建和培养方案的相关文献研究。为了有针对性地构建职业教育领域计算思维能力的课程体系、培养方案和评价标准，将计算思维划分为认知意识、方法、能力三个维度并进行具体分析后，结合对已有文献中有关计算思维学习模型的认识，从以信息加工观点研究计算思维过程提出计算思维echo认知模型。在计算思维echo认知模型指导下我们在广东省职业教育领域中开展了计算思维能力的问卷调查研究。调查的结果反映如下：

（一）职业学校学生计算思维认识现状

作为计算思维的重要载体和基础，学生对计算机基础知识点的掌握情况决定了其对计算思维的认识。在计算机基础知识方面，职业学校学生对计算机硬件知识的掌握要优于软件。在硬件方面主要存在对计算机硬件构成了解不够的问题；在软件方面学生主要在计算机数据表示、软件运行机制方面比较薄弱。职业教育学生对计算思维的认识态度是开放的，他们听说过计算思维，能够列举一些计算思维的方法，在实际的生活和学习中运用过一些简单的计算思维解决问题，他们大多认为计算思维是一种重要的思想方式。但学生同样表示学校对计算思维的相关训练欠缺，希望能够通过培养计算思维能力改善现在的学习状况，并期望通过计算思维的训练，帮助解决其从业过程中遇到的问题。该部分调查一方面反映了目前计算思维在职业教育中受学生欢迎、认可度较强；另一方面，也在一定程度上反应出职业教育对计算思维培养的欠缺，同时这也让我们意识到职业学校学生的计算思维能力培养刻不容缓。

（二）职业学校学生计算思维能力现状

在对七类职业教育中学生计算思维能力情况进行调查总结后，我们发现职业学校学生存在一个共性问题：学生对复杂的、抽象的或逻辑性较强的问题以及解决方案的解读、判断、决策普遍失误率较高。这说明我们的职业教育在对学生计算思维能力的培养方面存在欠缺，同时职业学校在教学中缺乏对真实情境的构建。

综合以上两个方面，我们发现目前在职业教育中，学生对于计算思维已经有一定程度认识，同时计算思维的一些思维方式也正在逐步影响职业教育，但是职业教育对于计算思维的培养仍处于滞后。针对这种情况，我们认为有必要提出建立职业学校学生计算思维能力培养方案，通过构建职业学校学生计算思维能力评价标准和评价体系，从根本上提高职业学校学生计算思维能力。

（三）培养方案的制定思路

根据以往文献对计算思维能力的解读进行文本梳理，运用文献计量法和聚类分析的方法对计算思维文献作了热点分析，从而提出职业学校学生计算思维echo认知模型，即E（Explain）：学习者通过计算思维方法对问题进行解读；C（Cognize）：学习者接收到环境中的问题后能主动、有意识的运用计算思维方法考虑；H（Handle）：学习者根据之前对问题的解读以及选择的相应计算思维方法对问题进行处理；O（Option）：学习者选择合适的计算思维方法。在模型的指导下设计了问卷的三个维度并制定相应的调查问卷，根据问卷中关于职业教育学生计算思维的现状结果分析，提出职业学校学生计算思维培养目标，分级分层培育、阶梯性评价，以及制定相应培训方法和评价标准如初级、中级、高级。在标准内容方面可涉及关于计算思维培育的相关课程和针对性的案例来提高学生计算思维能力。具体思路如图1所示。

图1 制定计算思维培养方案思路

二、职业学校学生计算思维能力培养方案

（一）职业学校学生计算思维能力培养目标

职业教育中学生计算思维能力培养目标具体内涵为：①加强学生对计算机基础知识点的掌握，尤其是计算机软件方面的知识，培养计算机硬软件都熟练掌握的复合型人才；②熟悉计算思维解决问题的各种方法，能在不同问题情境中选择最合适的方法处理解决问题；③对比“中专”和“大专”两个学段分阶层对学生的计算思维能力进行培养，使各个学段的人才在各自将来的岗位上，能结合所具备的计算思维能力解决实际问题。

（二）职业学校学生计算思维能力培训方法

依托职业学校计算机课程群，构建职业学校学生计算思维能力培养方案。在职业学校中，计算机基础课程群一般由 “计算机应用基础”、“程序设计”、“计算机网络”、“网页设计”等若干课程组成，同时配备一些计算机相关实操课程如 “家具CAD”、“美术造型”、“平面设计”等。我们认为在培养方案的构建中需要将计算思维的七大能力与职业学校计算机课程群相结合，采用任务导向的方式培养学生计算思维能力。

教师可设定某个任务，如将货品如何码放在一个有限空间，根据企业用人标准和职业规范，对任务目标进行解读，并通过小规模问题进行案例演示和示范，进行步骤设计和规划，接着进行行动演练，最后对任务结果进行评价。在教学过程中，学生以小组为单位，由老师指引设计基于工作过程的典型任务项目，根据不同阶段的不同任务，分别对任务规划、执行力、调整、完成等阶段进行评价，评价方式可以通过教师评价、小组互评、队员自评的方式，客观检测实际的任务完成效果。在整个教学过程中，对任务完成过程可以进行多次回顾，对细节进行讨论和优化，发挥出任务导向培养方式的最大能动效应，培养职教学生对问题进行抽象，以及通过多种方法解决问题的计算思维能力。

在教学内容的设计方面，通过“计算机应用基础”课题，完成对计算科学、计算思维、研究方向、主要特征以及计算机基础知识的介绍和讲解任务，让学生初步构建起对计算思维的认知，同时培养学生的规律发现能力和系统保护意识；在“程序设计”、“网页设计”以及计算机相关实操课程的教学设计中，采用任务导向方式，让学生在完成一个个小的项目过程中学到知识，通过项目培养学生的效率提高能力、问题描述能力、方案评价能力、问题优化能力和问题约简能力。在案例课程中可以效仿“师徒制”的方法，将当前的各种职业进行抱团分类，类似职业放在一起做一个完整的模块，各项菜单选项都设计好放在实操平台上，将这个岗位的一系列操作方法运用思维导图事先编好放在网络课程教学中，职校学生在进行本门课程的学习时就可以参照思维导图的提示来实现各岗位的具体操作技能的学习。

三、职业学校学生计算思维能力评价体系

（一）职业学校学生计算思维能力评价的标准

在构建职业学校学生计算思维能力培养方案的同时，我们还需要建立与培养方案相配套的计算思维能力评价体系，将计算思维的每一个能力点进行量化。实践中对各类人才职业能力评价的方法很多，大致分为笔试、专家面试、群众测评、心理测试、情境模拟测试、仿真系统测评、人工智能专家测评系统、真实工作场所现场评价及其它。针对职业学校学生计算思维能力的评价应充分考虑所选评价手段的时效性、可行性及可操作性，在决定采用某种评价手段时应考虑该方法的信度、效度及实施的难易程度。因职业学校设置的专业繁多，不同专业对应的职业岗位活动对学生职业能力的要求存在差异，若采用统一的评价方法将不能有效地考查学生的职业能力。

针对当前各职业学校对学生职业能力评价采用游戏过关与真实情景任务测试的评价形式。根据之前对广东省职业学校学生计算思维能力情况的调研，我们认为职业学校学生计算思维能力评价应在真实或模拟真实的情境中进行。将不同的计算思维能力以游戏形式展现，学习者通过不同难度的过关训练，逐步提交某项计算思维能力的提升。在游戏的过程中，将各个能力评价指标融入真实的游戏情境中以实际任务来评价学生对计算思维能力各项指标的掌握情况；同时，也可进一步进行真实情景下的任务设置，通过任务测试的结果评价学生获取信息、处理信息、分析与解决问题、技术创新等方面的能力。多种评价方法的综合运用可以最大化的发挥各评价方法的优点，减少单一评价方法存在的不足。

每个指标包含低段（理解）、中段（掌握）、高段（熟练运用）三个等级。低段（理解）等级为最低等，要求学生对相应能力指标的基本定义有最低程度的了解，在培训方面主要以讲授为主；中段（掌握）等级，要求学生能够在模拟情境中完成相应的推理、判断、决策，在培训方面主要以模拟仿真项目练习为主；高段（熟练运用）等级为最高等，要求学生能够在实际的项目操作和日常生活中完成相应的推理、判断、决策。

指标体系包括问题描述能力、问题约简能力、规律发现能力、问题优化能力、效率提高能力、方案评价能力和系统保护意识。评价的根本目的在于促进发展。因此，职业学校计算思维能力评价要突出对职业学校学生的形成性评价。对计算思维能力的形成性评价，即对问题约简能力、抽象推理能力、规律发现能力、问题优化能力、方案评价能力、并行处理能力、系统保护意识七个方面的形成性评价。评价主体多元化，强调学生自评和互评以及教师对学生的激励性评价的综合运用。评价标准的建立应基于学生的认知过程，从意识纬度、方法纬度和能力纬度三方面进行构建。

意识维度是进行计算思维认知的先决条件，学生要想通过计算思维认知和处理信息应该要有一定的计算机科学的基本知识，要主动、有意识的使用计算思维、了解计算原理。方法维度是学生在有了关于计算思维的相关认识后，如何选择合适的方法成了问题的关键之所在。我们根据周义真教授对计算思维的定义将计算思维的方法如规约、嵌入、转化、仿真、递归、并行、抽象、分解、保护、冗余、容错、纠错、系统恢复、启发式、规划、学习、调度、折中、优化等，从职业教育中方法能力的角度，对这些概念进行分类，将其大致分为七种方法能力，如表1所示，方法能力由易到难的排序为：问题约简，问题优化，效率提高，方案评价，系统保护，规律发现，问题描述。

表1 计算思维方法能力分类

下面，我们逐一论述这些概念在行业能力培训中的应用。

问题约简：指的是如何将问题化简、转化、分解成一个子问题集合，这些子问题的解可以直接求解，从而解决了原始问题。通过问题约简可以把问题的实例变得更容易求解，这种“变”包括把问题变成同样问题的一个更简单或更方便的实例，或是将问题变成同样实例的不同表现，或是变成另一个问题的实例，这种问题的解是已知的。例如在仓储行业中，为了提高查找物品的速度，需要将物品分类按序存放，在排序好的物品中查找是非常高效的。这种分类按序存放物品的思想，就是将查找问题转化为排序问题和在排序后的结果中快速查找的问题。又例如，假设我们要把某个房间里的所有家具都搬出去。这个问题可被分解为一个较小问题的集合，其中每个子问题只包括把一件家具移出该房间。每一个家具的搬移问题是已经解决的，但是多个家具之间存在的依赖关系，会使整个搬家具问题变得复杂。例如，茶几在沙发前面，在搬动沙发之前要先把茶几搬走，小的家具要先搬走，大家具最后搬动。要解决这种复杂问题可解，问题约简能力就是这样一种方法，能够允许我们应用我们已经研究过的技术对每个子问题分别求解，然后考虑这些子问题间可能出现的互相依赖关系，并对它们加以适当处理[1]。

问题优化：问题优化指的是在目前已有的条件下，如何以最小的代价求解问题。在实际问题的解决过程中，问题优化无时无刻不存在，在各个行业的具体实践中，我们都要经常遇到各种各样的优化问题。例如在现代仓储物流业中，电子商务每天产生大量物流，对物流配送业务提出了更高的要求，这类业务除了仓储、代发货、物流配送，还包括了配送跟踪、终端消费者退货投诉处理等业务。其中高效的配送方案、低成本的配送选择等都是仓储物流业需要解决的优化问题。问题优化还指通过方法得到要求问题的更优解。常用的方法包括启发式、规划、折中、优化等。启发式指人在解决问题时所采取的一种根据经验规则进行发现的方法。其特点是在解决问题时，利用过去的经验，选择已经行之有效的方法，而不是系统地、以确定的步骤去寻求答案；规划是针对问题的目标，制定的比较全面长远的实施计划，是对系统整体性、长期性、基本性问题的思考和考量，设计系统整套行动的方案；折中是在多个因素影响问题求解时，可以牺牲某些指标的性能，以提高另一些指标的性能。

规律发现：主要指学习能力，即通过阅读、听讲、研究、观察、实践等获得知识或技能的过程，是一种使个体可以得到持续变化（知识和技能，方法与过程，情感与价值的改善和升华）的行为方式。目前，职教学习者的岗位的迁移能力和不同岗位的适应能力及可持续发展的职业能力都相对较弱[2]，有必要强调学习能力在职业教育培养的众多能力中的重要作用，规律发现能力的培养是使学生运用所学的知识在岗位中发挥作用的重要手段。

方案评价：方案评价能力的表现是仿真能力，即利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。计算机仿真技术在职教教育中主要为辅助教学与训练和辅助生产与运行的模拟，在仿真的过程中，可以对能力训练的情况进行自动跟踪、记录和评判。例如在汽车驾驶培训中，学生通常在一个虚拟驾驶室里，就可以掌握足够的驾驶技能。

效率提高：并行方法及任务调度是提高解决问题效率的有效手段。并行是指多个任务同时实行或实施，而在并行的过程中，调度是需要考虑的一个问题，即在资源有限的情况下，当要同时执行的多个任务都要使用这些资源时，必须按照一定的原则选择任务来占用资源。例如，生产线上多个工序的流水作业，就是提高效率的并行方法。

系统保护：在完成任务的过程中，要考虑系统的安全性和可靠性。其中容错、纠错、系统恢复是常用的手段，冗余是通过重复配置系统的一些部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间；容错是指容忍故障，当故障一旦发生时能够自动检测出来并使系统能够自动恢复正常运行；纠错是指当系统发生错误时，能自动对错误进行修正；系统恢复是在不需要重新操作，也不会破坏现有数据的前提下使系统回到正常工作状态。例如，企业生产中的备用电源、原材料库存、产品库存都是一种系统保护的思想。又例如在电梯维修行业，机械安全保护系统包括制动器、超速保护装置、限速器和安全钳、缓冲器、极限开关、起超速保护、冲顶和撞底保护、轿厢位置异常保护等作用，这些都是容错、纠错、系统恢复思想在行业中的应用。

表2 计算思维能力评价指标

问题描述：问题描述的主要手段是进行问题抽象，即把一个问题或模型，以不同规则或方法所得出的不同的解，这些不同的解可以组合并还原成问题或模型的本身。抽象的意义是可以忽略求解过程中不是必需的解。问题描述是一种高级能力，该能力可以帮助从业者集中在关注的主要问题上，降低问题的细枝末节对主要问题的影响。例如，在生产调度岗位，完整的生成调度包含多个生产环节，每个生产环节又包含许多生产细节，调度问题首先要提炼出主要的生产环节，明确这些环节之间的协作关系、连续关系，对调度问题进行整体的描述。这个过程中如果过多考虑生产细节，就会影响对整体问题的综合考虑。

计算思维评价的另一个维度就是能力维度，能力维度作为个体解决问题的一种能力，要在一定的情景中对问题进行识别和分析。评价标准中涉及的计算思维能力包括理论能力和计算活动技能两种，理论能力中的主要计算活动有形式化、推理、证明和结果分析，计算活动技能又包括计算操作技能和计算心智技能。

（二）职业学校学生计算思维能力评价标准具体内容

根据以上分析，我们提出职业学校学生计算思维能力评价标准的初步建议（见表2）。我们建议将计算思维划分为意识纬度、方法纬度、能力维度，其中方法纬度包含规律发现等七大能力17个指标，较好地涵盖和整合了职业学校学生日常生活和学习时所需要具备的计算思维能力，能够为行业计算思维能力标准的建立提供参考。

四、小结

计算思维能力的培养方案是学生计算思维能力培养的重要组成部分，本文根据职业院校学生认知特点，从意识层面、方法层面、能力层面构建计算思维echo认知模型，在该模型的指导下设计问卷并对广东省职业院校的学生进行了调查。通过对调查结果的分析发现，职业院校的学生对计算思维的认识态度是开放的，但普遍反映在平时的学习中很少有对这一思维能力的专门培养；在调查结果分析中还显示，职校学生在问题优化和问题约简等计算思维能力方面的训练欠缺。因此制定针对不同学段的职业院校学生的计算思维能力培养方案显得尤为重要。本文根据职业学校学生计算思维能力培养的三个目标，通过职业学校计算机课程群构建和教学内容的设计方面的培训方法，构建职业学校学生计算思维能力评价标准及阐述其具体内容，以期为培养学生的计算思维能力提供理论指导。

[1]http://netclass.csu.edu.cn/jpkc2003/rengongzhineng/rengongzhineng/kejian/AI/Ai/chapter6/61_1.htm.

[2]张黎宁.职业教育要教给学生持续发展的学习能力[N].中国教育报，2009-10-23（04）.

[3]林健.工程师的分类与工程人才培养[J].清华大学教育研究，2010（1）:51-60.

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[5]李贤政.国家示范性高等职业院校建设基础实证分析与对策研究[J].职业技术教育，2008（25）：21-25.

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[8]白坤海.基于“人才培养全过程课程化”设计人才培养方案的探索[J].职教论坛，2010（27）：51-54.

[9]李贤政.高职院校人才培养方案核心要素的思考与分析[J].中国高教研究，2010（2）：77-78.

张兆芹（1963-），女，安徽蚌埠人，深圳大学教授，博士，研究方向为教育管理，职成教育管理，教师教育；陈守芳(1990-)，女，安徽宣城人，深圳大学师范学院在读研究生，研究方向为成人教育学；贾维辰（1989-），河南郑州人，深圳市教育科学研究院研究生，研究方向为教育技术学；杨烜（1969-），女，陕西西安人，深圳大学计算机学院教授，博士后，研究方向为计算思维能力培养。

科技部科技支撑计划项目课题“计算思维能力培养及职教技能评测关键技术研究”（编号：2014BAH28F05），主持人：杨烜。

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1001－7518（2016）03-0014-06

责任编辑 殷新红