基于计算思维的信息技术教学探究

吕国卿

摘要：计算思维作为一种新的学科思维方式，受到了国内外计算界的广泛关注。培养学生计算思维能力是高中信息技术课程的重要组成部分。本文探讨了计算思维的特点和计算思维在问题求解、系统设计以及人类行为理解上的应用，为计算思维背景下的教学模式提供参考。

关键词：计算思维问题求解系统设计

一、计算思维的内涵

2006年3月，美国卡内基·梅隆大学计算机系主任周以真教授在美国权威期刊给出了计算思维的定义：“运用计算机科学的基础概念进行问题的求解、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。”计算思维能力是计算机学科中基本的特征，同时也是解决问题的核心方法。在高中信息技术教学实施过程中，通过学生在具体的问题解决过程中，对具体问题进行具体分析和解决，能够培养学生处理计算机问题时具备有效的思维方式、表达形式及行为习惯等。

二、计算思维的特点

21世纪是信息技术高速发展的时代，信息技术的使用和发展给人们的生活带来了巨大的变革。信息技术不仅在声影技术等方面给教育教学实践带来了巨大的便利，同时也给人们的计算带来了巨大的革命性的超越。计算思维可以概括为以下几点：

1.思维的产物

思维是人脑对客观世界的本质及其內在联系等的间接概括和反应，属于认知过程或心理活动。思维活动的载体是语言和文字，在语言和文字表达的基础上，通过遵循一定的格式，即需要按照一定的语法和语义规则表达才能够被他人所理解。在获得相应的表达方式的基础上，为了让他人相信自己的思维结论，还需要通过大量的研究和材料、证据等来证明，以使他人能够遵循你的思维形式去运用和实践。因此，计算思维是人的思维活动的产物。

2.数学和工程思维的产物

计算机科学其运行本质源自数学思维，与其他科学的构成类似，都是建立在一定基础科学之上的。而计算机思维与工程思维又有着本质性的联系，计算系统的建构是需要与实际问题展开具体互动的系统，系统的基本计算功能迫使计算机科学家们必须通过计算性地思考去分析和理解问题，而不是单纯地数学计算。因而，计算思维是一种概念化的形式而不仅仅是单纯地程序化的内容。

3.能动的

计算思维是人类在问题求解过程中寻求到的一条问题解决的有效路径，人类赋予计算机以激情和能动的效果，让计算机在人的思维模式的驱动下，开展丰富的、生动的问题解决过程。因此，计算思维不是计算机思维，它是人的思维活动的产物，伴随着人的思维能动性而产生，并随着人类思维的发展而发展。

三、计算思维的应用

1.在问题求解中渗透计算思维

【案例1】选定一个1000以内的自然数，接着回答10个问题，只需要回答是或否，然后系统会猜出你的那个数。

启发学生一步步的对折对半对半，逼近所需的答案。为什么需要问10个问题？因为数的范围是1-1000，2的10次方是1024，超过1000。进而逐渐引出计算机中的二分查找算法，并进行算法设计，然后进行编程实现。在学生对问题的自主思考、问题合作讨论、具体探究的过程中，有效地渗透计算思维。

【案例2】有一座城市需要铺路，要求：每栋房子都能沿着铺好的道路到达其它所有的房子，用的砖数最少。现有5栋房子（如图a），哪些路是必须要铺上砖的？最少多少块石砖？

把5栋房子化简成5个节点（如图b），A、B、C、D、E，然后节点之间作连线，连线的数字代表我们铺砖所用的石砖数，铺砖问题就变成图论中的最小路径问题，通过计算路径的值，来比较哪条路径用的砖数最少，最终得到解决方案。

一个城市有成千上万的房子，城市的各种市政管网规划，公共交通网络的规划，物流的最小成本分析，汽车导航系统等设计。如果用人脑去思考怎么分配，是不现实的。用计算机学科的方式去思考此类问题，就能方便地解决。

以上两个例子，是在问题求解过程中渗透计算思维，首先建立问题模型，然后根据模型设计相应的算法，有了算法就可以编程实现，然后由计算机自动完成。

2.在系统设计中运用计算思维

【案例3】警察局抓了a、b、c、d四名偷窃嫌疑犯，其中只有一人是小偷。a说我不是小偷;b说c是小偷;c说小偷肯定是d，d说c是冤枉人;已知四个人中三人说的是真话，一人说的是假话，到底谁是小偷？

※问题分析：依次假设每个人都是小偷的情况，然后一一代入以上4句话，依次检验已知条件“四个人中三人说的是真话，一人说的是假话”是否成立，如果成立，那么对应的假设成立，小偷找到。

※形式化：将a、b、c、d四个人进行编号为1、2、3、4。将变量x存放小偷的编号，依次将x=1，x=2，x=3，x=4代入问题系统。a说：x<>1;b说：x=3;c说：x=4;d说：x<>4;四个逻辑式的值相加1+1+1+0=3。

※程序实现

For x=1 to 4

If （x<>1）+（x=3）+（x=4）+（x<>4）=3 Then

Print x &”是小偷。”

Next x

在系统设计的时候计算机学科如何进行思维呢？将系统中的交换过程映射为符号变换（即形式化），然后就可以用计算机进行处理。在遇到问题时要思考能否进行形式化，如何进行形式化。

3.在人类行为理解中的计算思维

在某个网站购买一本书后，这个网站会推荐跟这本书相类似的商品或相关联的商品。当你买一件衣服，它就会推荐跟这件衣服风格相同的衣服或者配饰。这些网站是怎么知道用户有可能喜欢此类商品？它们在研究人类的购物行为，用户曾经购买过什么商品，对什么商品关注过、放过购物车，然后找出跟用户兴趣相关联的商品。

计算思维能够通过计算手段来研究人类的行为，判断人类的思维活动，研究人类的行为概率和趋势。

四、计算思维在教学实践过程中存在的问题

随着教育技术的发展，计算思维在教育实践中的需求越来越明显，但计算思维教育在教学实施的过程中，难以得到有效的引领和实施。教师对计算思维的理解不够，导致缺乏相关的意识，在传统思维惯性引导下关注的重点还是知识点的讲解。教师缺少相应的教学方法，尤其是缺少教学过程中的问题设计，缺少能促进学生思考的方法。以算法教学为例，教师的教学目标是明确的，就是尽快地让学生掌握算法，但缺少让学生进一步思考算法形成背后的思想以及算法表达美感的冲动。在计算机教学规划和设计中，反应计算思维的课程内容体系缺乏。

五、小结

在高中信息技术课程中培养学生的计算思维，是信息技术课程改革的一条新思路，有利于信息技术课程形成稳固的核心价值。在教学实施的过程中，教师应有效渗透计算思维，培养学生的科学素养，为学生的学习和发展奠定坚实的思想基础，使学生在将来的学习实践中能够创造性地运用计算思维去分析和解决实际生活中的问题，为计算机科学提供可持续发展的应用型人才。

参考文献：

①计算思维[J].周以真.中国计算机学会通讯.2007.3（11）

②计算思维——行进中的挑战[J].王荣良，卢文来中国信息技术教育.2017（06）

③培养计算思维的高中信息技术校本课程研究[J].曹晓明，安娜.现代教育技术.2018（07）