培养计算思维在高中信息技术教学中的实践

梁善礼

摘要：计算思维是信息技术学科极其突出的核心素养之一，最能体现信息技术的学科价值。在《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中，计算思维被确定为四大核心素养之一。从多年教学实践来看，计算思维培养应是信息技术教学过程中应注重的潜移默化中培养的思维方式。它必然会促进学生在信息社会的适应能力，计算思维的教与学是信息时代的需要，每个学生需要培养计算思维。

关键词：信息技术课;计算思维

一、什么是计算思维

（一）计算思维概念

计算思维是美国梅隆大学周以真教授于2006年提出的：“计算思维是指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”。

计算思维是一种建立在计算机科学概念基础上的思维方式，它不局限于计算机。实质上计算机只是工具，真正的核心是人类借助于计算机强大计算能力求出自己的思考问题的解。而这些问题如何抽象出来，如何转化成算法，如何自动化运算实现的过程就是计算思维的过程。

计算思维是一种思维习惯和思维品质，依附于问题解决过程，强调抽象概括能力和逻辑思辨能力。

（二）特征

计算思维的本质特征是抽象和自动化。它反映了计算的根本问题，即什么能被有效的自动进行。计算是抽象的自动执行，自动化需要某种计算机去解释抽象。

计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，可以完全用符号来表示，其中，数字抽象只是一类特例。与数学相比，计算思维中的抽象显得更为丰富，也更为复杂。数学抽象的特点是抛开现实事物的物理、化学和生物等特性，仅保留其量的关系和空间的形式，而计算思维中的抽象却不仅仅如此。堆栈是计算学科中常见的一种抽象数据类型，这种数据类型就不可能像数学中的整数那样进行简单的相“加”。算法也是一种抽象，也不能将两个算法简单地放在一起实现一种并行算法。

抽象层次是计算思维中的一个重要概念，它使人们可以根据不同的抽象层次，进而有选择的忽视某些细节，最终控制系统的复杂性。在分析问题时，计算思维要求将注意力集中在感兴趣的抽象层次或其上下层，还应当了解各抽象层次之间的关系。

计算思维中的抽象最终是要能够机械的一步一步自动执行。为了确保机械的自动化，就需要在抽象过程中进行精确和严格的符号标记和建模，同时也要求计算机系统或软件系统生产厂家能够向公众提供各种不同抽象层次之间的翻译工具。

（三）计算思维的优点内容

优点：

计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人將问题抽象然后再交由机器执行。计算方法和模型使我们敢于去处理那些原本无法由个人独立完成的问题求解和系统设计。

内容：

计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来表示，其中，数字抽象只是一类特例。

与数学和物理科学相比，计算思维中的抽象显得更为丰富，也更为复杂。数学抽象的最大特点是抛开现实事物的物理、化学和生物学等特性，而仅保留其量的关系和空间的形式，而计算思维中的抽象却不仅仅如此，他需要抽象后，找出解决问题的办法，并通过自动化运行求出解。是一种利用海量数据加工计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。

二、生活中的计算思维

【实例】假如公寓楼有4部电梯，你现在正在12楼，准备下楼。当前各电梯状态为：1号电梯在底楼静止状态，2号电梯在24楼向下行，3号电梯在11楼向上行，4号电梯在16楼向上行。请思考，最好的电梯安排是让几号电梯接你。

【分析】很多人想到的是让静止的1号电梯上来接人，但这不是最优方案，因为经济成本不划算。电梯运行既要考虑是否为空闲状态，又要考虑运行成本。还有电梯运行的方向和趋势。在电梯设置算法时要根据多方面要求进行设计，再判断出最优方案。同时，也不是离你最近的3号电梯来接你，因为他的趋势是向上。所以这里最优的方案是让下行的2号电梯来接人，这样是成本最划算的。

这反映到计算机中，就是利用数据结构的栈和队列等原理来实现，通过贪心算法等进行处理后，得出最优方案，指挥电梯工作。

这个实例问题的解决就是运用计算思维解决问题的方式，其思维过程实质就是将问题抽象描述出来，再将问题解决方案通过计算机运算表达出来。

三、培养计算思维实践

在高中信息技术教学的二十余年的实践中，特别是开展编程及EXCEL等数据处理类软件教学中，深刻体会到计算思维对学生带来的潜在影响。创新教学策略，其本质是运用计算思维的基本方法进行问题求解、系统设计和理解他人行为，解决生活和学习中的实际问题。

下面是我教学实践中的一个案例，探索运用计算思维求解问题的三个步骤：描述问题，组织数据;抽象数据类型，寻找自动化方案;实施自动化方案，解决问题。逐步实现计算思维的潜移默化的影响和作用。

【案例】某单位需要统计实发工资。工资分为两部分，固定收入部分，变化的支出部分。工资高于5000元的还要上个人所得税，最终算出结果，并给出上报统计表。根据问题描述，帮助该单位会计做上报统计表。

【思路分析】尝试让学生运用“任务驱动”方式和“项目教学”方式去“分析问题”和“解决问题”，应用于解决问题的具体实践。

（一）描述问题，组织数据

第一步是根据现实问题描述，合理组织数据，首先将复杂问题化简，转化为子问题。第一步，建立上报统计表的表头，第二步，获取工资表中固定收入工资信息;第三步，导入及输入变化的支出部分;第四步，利用函数及公式自动统计实发工资。

（二）抽象数据类型

根据常规解决问题步骤，分析：从计算机解决问题的角度理解，需要获取哪些计算机能自动执行的必要数据？也就是对常规问题的步骤进行模型抽象，找出自动化执行的本质性操作。引导学生分析和列举哪些计算机工具可实现操作的有序步骤（计算算法思想）。具体如下：

【表头创建】选用EXCEL作为工具，新建工作薄，制作表头，表头包含工号、姓名、日期、岗位工资、基础绩效、薪级工资、保留津贴、公积金等。

【计算】实发工资=岗位工资+基础绩效+薪级工资+保留津贴等

【筛选】筛选出工资大于5000的记录，并计算出个人所得税。

（三）实施自动化方案，解决问题

建立完整的表格形势，并对变化项目进行自动计算，由此得出最终结果。每月只需要改变变化的数据，EXCEL即给出实发工资。

四、计算思维在教学中的价值

计算思维的提出为信息技术教学提供了思路，也为高中信息技术课程指明了方向，也意味着信息技术不是单一的应用工具学科。它培养学生具备现代信息社会所需要的计算思维能力，正如语文培养语言能力和文学素养，数学和物理培养逻辑思维和空间想象能力，英语培养语言能力一样，计算思维是信息技术学科教学的核心价值所在。计算思维可以让学生以一个多元化的视角理解信息世界，解决信息社会面临的问题。同时也是培养学生具备适应人工智能时代的能力。

参考文献：

[1]培养计算思维的高中信息技术样本课程研究曹晓明安娜

[2]培养计算思维的教学策略与创新实践张长水

[3]高中信息技术课程蕴含的计算思维分析张学军郭梦婷李华