基于谷歌、哈佛计算思维课的高职院校信息技术课程重构研究

2021-04-13安萍

电脑知识与技术 2021年5期

安萍

摘要：随着计算机技术深度融合到日常学习、工作和生活，计算思维逐渐成为时代发展所必需的一项能力。该文在分析了高职院校人才培养的需求和信息技术课潜在问题的基础上，借鉴了著名信息技术公司谷歌的计算思维课和受全球学习者追捧的哈佛CS50（Computer Science 50）课的内容和组织形式上，在布卢姆教育目标分类学的理论指导下，从课程观、课程目标、课程体系、课程组织与评价四方面开展基于培养计算思维的信息技术课程重构。该重构课程组织架构清晰，实施方式详尽，可为相关院校的信息技术课程实施提供借鉴。

关键词：计算思维;布卢姆教育目标分类学;信息技术课程

1 问题的提出

计算思维（computational thinking）这个词语最初出现在1980年西蒙·帕尔特（Seymour Papert）的著作《头脑风暴：儿童，计算机和强大的观念》一书中[1]。1996年西蒙·帕尔特（Seymour Papert）在其著作《数学教育领域的探索》中又再次提到了该词[2]，2006年美国计算机科学家，卡内基-梅隆大学教授周以真在美国计算机权威期刊《Communications of the ACM》杂志上以“计算思维”为题详细阐述了其对该词的理解，她认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念、理论、方法进行问题求解、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[3]。随着社会自动化、信息化程度的普及，众多学者认为计算思维使每个学习者都能“计算满足他们的需求”，并不是每个人都需要成为计算机高级程序员，但是在我们的数字世界中，应该使每个人都能够理解计算的基础知识以及使精通技术的专家能够解决我们这一代所遇到的复杂问题并能协助我们做事[4]。2017年7月，首届以计算思维教育为主题的国际性会议（International Conference on Computational Thinking Education 2017，CTE2017）在香港教育大学召开，来自全球的教育者和研究者分享了在不同教育情境下进行计算思维教育的实证研究[5]：美国麻省理工学院的Hal Abelson教授在会议上指出：计算思维包括的不仅仅是技能知识，对计算思维的支持也使赋予数字化世界生命的计算理念得到尊重，对计算理念的认同也使得计算活动成为可能，年轻人也可以由此通过计算思维来改善他们的生活、家庭与社会[6]。香港溢达集团董事长杨敏德女士也在CTE2017会议上表示创新与创造当前社会和企业发展的核心要素，而计算思维是创新和创造能力形成的前提。计算思维不仅仅是一种技术型的技能，更是一种分解与整合不同思想、针对某问题形成实际解决方案的基本能力[7]。

虽然，大家也认可计算思维培育的重要价值，但是“计算思维”的概念界定依旧不是很清晰和具體，既不是特定的“计算方法”和“计算机科学”，更应该把其看成一个专有名词，一种“特定”的以“计算”为基础的问题求解的方法论[8]。正是因为“计算思维”概念的抽象性和多面性，对于计算思维培育的研究才显得各有千秋、种类繁多，在我国高等教育阶段，《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》中将计算思维能力培养作为计算机基础教学的核心任务[9]，实施路径方面有的以计算机基础课为载体从数据获取、分析等方面培育学生的计算思维[10];有的围绕程序设计课程实施计算思维培育[11]。

基于以上的综述，本文认为考虑到“计算思维”概念的复杂性，我们应该从大处着眼、宏观规划出发构建计算思维课程体系，以课程体系为基准培育计算思维。因此，本文主要研究的问题是如何重构培养计算思维的信息技术课。

2 计算思维教育理念推动高职院校信息技术课重构的适切性分析

2.1 高职院校人才培养方案的制定需要

2013 年教育部计算机课程教学指导委员会发布的《计算思维教学改革宣言》，把计算思维的培养提升到了创新人才培养和国家发展的高度，并指出计算机基础教学改革面临的最大挑战就是构建培养计算思维能力的教学体系，计算思维能力的培养是大学计算机基础课程教学的核心任务[12]。2010年，中国首届以北京大学、清华大学等9所知名大学形成的高校联盟（简称C9）进行了计算机基础课程研讨会，并发表了《九校联盟（ C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，指出要高度重视计算机基础教学的重要地位，将计算思维能力作为计算机基础教学的核心任务，同时，大力推进全国高校的计算机基础教学改革[13]。2017年5月，全国电子商务职业教育教学指导委员会在常州召开高等职业教育电子商务类专业教学改革研讨会，会议提出：商业人才需要逐步构建起“计算思维”“数据思维”“交互思维”“哲学思维”等[14]。2019年《教育部关于职业院校专业人才培养方案制订与实施工作的指导意见》（教职成〔2019〕13号）同样也指出：高等职业学校应当将职业发展与就业指导、创新创业教育、信息技术、职业素养等列为必修课或限定选修课[15]。由此可见，对计算思维的培养从时代需求上来、从各级学校的认可度来看都有一定的期待。

2.2 信息技术课程存在的问题和面临的挑战

信息技术课作为高等教育体系中的必修内容蕴含着时代对人才的要求，它的培养目标应侧重于信息技术在实际生活中的应用，而且致力于培养问题解决能力[16]，使用信息科学的方法论来解决问题[8]。目前，很多高职院校的信息技术课程都因为对信息技术课的价值认识不足，出现以下问题：

（1）唯工具论。采用Windows系统学习、Office软件系列操作为主的教学安排。信息技术课主要就是学习一些办公软件的操作，没有其他[23];

（2）唯机械实践论。以培养机械的实践操作技能者为目标。注重肢体操作的速度和熟练度，而忽视思维的培养和养成[24];

（3）结构离散化。各个课程模块与内容互相独立，没有关联，没有递进或迭代关系;

（4）计算思维能力弱。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[25]。

基于以上的问题，笔者认为到了对信息技术课重新梳理重构的时代了。

3 基于计算思维理念的信息技术课程重构

3.1 谷歌、哈佛计算思维课

2014年，谷歌探索计算思维（ECT）网站上给出了一则通告：谷歌计算思维教学课程计划。该计划指出谷歌教育部希望能开发一些易于上课的教程、示例和程序，以便教育工作者可以轻松地将计算思维融入课程中[17]。该课程体系有五大模块的内容：计算思维简介、算法探究、模式发掘、算法开发及综合应用项目，每个模块包含一组适合四个不同群体的混合课程与活动：人文学科教师、数学教师、科学教师、计算机科学教师，课程活动包括用于增强学习者计算思维意识的实例模拟、程序与练习，计算思维整合案例的展示，并允许学习者通过互动方式将计算思维应用到各自的学科领域。课程活动同时提供了完成活动任务的操作步骤，延伸学习内容的一些链接，用于实践技能和反馈获取的活动，以及一个分享想法和寻求帮助的讨论社区，课程项目提供把你在课堂上所学技巧应用于实践的机会[18]。谷歌教学设计师Amit Deutsch参与了课程的介绍及设计。作为一项帮助中小学阶段教师计算思维教育的辅助、引导课程，该课程体系短小、精悍，而又不失激发学生对计算思维的操作和反思环节，可以说一经推出很受欢迎，目前国内很多中小学的信息技术课都参考其课程内容及结构。其课程的具体内容和层次结构如表1所示。

1.1.2计算思维的要素

1.1.3将计算思维应用在未来课堂中

1.2课程运作介绍 2、算法探究介绍学科领域算法实例。认识并理解算法是可以提高学习者能力的工具，该技术可以实现算法和完成算法的自动化。 2.1.1计算机科学：旅行

2.1.2人文学科：与时俱进的字词

2.1.3数学：元胞自动机

2.1.4科学：基因组学

2.2课程反思 3、模式发掘探索学科案例中蕴含的模式，并形成一套独有的、借助模式识别方法进行问题研究的流程。 3.1.1计算机科学：数据压缩

3.1.2人文学科：音乐

3.1.3数学：小海龟几何

3.1.4科学：分类

3.2课程反思 4、算法开发增强解决问题过程中应用计算过程的信心，了解算法是如何清晰表达一个过程或规则。 4.1.1计算机科学：汉诺塔

4.1.2人文学科：聊天机器人

4.1.3数学：计算器

4.1.4科学：弹力球

4.2课程反思 5、综合应用项目撰写一份关于如何将计算思维应用到您学科的陈述，完成将计算思维整合到工作与课堂中的行动方案。 5.1项目概要

5.2反馈、评估、评分

5.3样例项目

5.4总结 ]

由此课程设计可以看到，谷歌认为计算思维是一种问题解决的方式。这种思维将问题分解，并且利用所掌握的计算知识找出解决问题的办法。计算思维可以划分为四个主要组成部分：其一，所谓“解构或分解”，即把问题进行拆分，同时厘清各个部分的属性，明晰如何拆解一个任务;其二，所谓“模式识别”，即找出拆分后问题各部分之间的异同，为后续的预测提供依据;其三，所谓“模式归纳”，或“抽象化”，即探寻形成这些模式背后的一般规律;其四，所谓“算法开发”，即针对相似的问题提供逐步的解决办法。

CS50（Computer Science 50）是哈佛大学一门计算机科学的导论性的课程[19]。该课程主要体现的思想是计算的中心思想，是计算思维，并且包含了The College Board（美国大学理事会）提出的计算机科学基础原则（CSP，computer-science-principles），其中包含了7大思想（7 big ideas）：创造性、抽象、数据与信息、算法、编程、互联网及全球影响力[20]。CS50有着很好的推广，较为著名的就是CS50x和CS50AP，CS50x是在慕课平台edx上开设的，CS50AP是大学先修课，一般在中学进行开设。CS50AP共有9章，在内容组织上，将计算机基本概念、程序设计语言、数据结构与算法、网络、Web前端与后端、人工智能等融合在一起，注重让学习者对计算机科学有全面和整体的把握，具体章节内容如表2所示[22]。

同时，结合6个计算思维实践真正将计算思维落到实处[21]，具体6个计算思维实践内容如表3所示[22]。

3.2 基于计算思维理念的高职院校信息技术课程重构流程

本文结合高职院校人才培养的标准、目标及学情，并借鉴以上谷歌、哈佛计算思维课的体系与实施過程，从课程观、课程目标、课程体系、课程组织与评价四方面开展基于计算思维理念的高职院校信息技术课程重构。

1）课程观

基于以上对谷歌和哈佛计算思维课的内容及实施流程的了解，我们综合、融通他们的思想发现：都基于能力的发展而展开，数字土著们都应该具备了解计算工具、会使用计算工具解决问题的能力。这种能力应该在生活和学习的各个方面都需要用到，谷歌的计算思维课更是特别的举例将应用场景搬到人文学科、数学和科学中，凸显计算思维“无处不在”的特点及应用性。同时，哈佛的课程还关注计算机的工作原理和过程。通过让人们理解计算机的工作而培养计算思维，但又不是把人和计算机一样看待，这点从其计算思维培养第五点“交流”和第六点“合作”就能看出来教育者的用心，计算思维是人的思维，而不是机器的思维。因此，重构后的课程观应该是以人的主观能动性出发，充分调动、升级人的驾驭、应用计算机能力的过程。

2）课程目标

重构后的信息技术课程目标在于对计算思维的认识及其四大要素：分解、模式识别、抽象、算法开发的理解。“分解”就是把数据、过程或问题分解成更小的、易于管理或解决的部分，比如学习文学就需要从韵律、结构、措辞、含义等方面分析诗歌;“模式识别”就是能够观察数据的模式、趋势和规律，并培养数据的敏感度，比如在经济领域，通过数据曲线可以分析国家经济增长和下降的循环模式;“抽象”就是识别模式形成背后的一般原理，并对生活和学习中遇到的事件与问题进行归类，比如在数学中找出二阶多项式分解法则，这就是抽象;“算法开发”就是为解决某一类问题撰写一系列详细的指令，并且借助计算机工具去实施的过程。比如编写一个计算机程序来对数据进行排序。如果从三维目标视角来定位课程目标的话，本文认为知识、技能方面应该培养学习者熟悉、掌握计算的工具（更多的指：计算机）与方法;过程与方法方面更注重实施的步骤和策略，所以这一维的目标主要培养学习者分析、解决问题的能力，最终的信息技术课程并不是教计算机的使用，而是人们为了解决某些或某类问题而使用的工具，这门课不应该仅仅是计算机系的学生去学习，更应该是所有专业的学生都要接触的、体验的。情感、态度、价值观方面应该培养学生正确、客观认识和接受计算思维，并使之融入自我思维体系之中。

3）课程体系

基于前期众多学者对计算思维的解读，以及谷歌和哈佛两大计算思维课程的借鉴和学习，本文认为重构的信息技术课应以培养计算思维为灵魂，以真实的项目或问题为驱动，更强调学科知识的整合，注重知识的综合运用，同时采用计算科学、计算机科学工具与技术高效、准确探寻问题的答案。

那么，学习和实践哪些内容从而达到计算思维的培养呢？首先，我们需要理解计算思维的逻辑内涵。广泛的科学文献及美国国会、美国政府、各大企业的报告也指出科学思维主要分为理论思维、实验思维和计算思维三大类[23]。这三大思维体系创造和推动了人类文明和技术的进步。理论思维源于数学，通过定义、定理和证明发现、了解世界规律;实验思维源于意大利著名的物理学家、天文学家和数学家伽利略，爱因斯坦评论说：“伽利略使用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志物理学的开始！”[26];而计算思维的应用随着计算机技术的快速更新迭代发展也变得普及和重要，在世界互联网大会上，自然语言处理和搜索专家、作家吴军博士表示：过去三年，人类获得的数据量超过了人类六千年历史的总和，而预测一年半后，又将翻一番。学习、工作、生活中很多的信息将会以电子数据的形式存储、运算、处理于各类电子设备中，人类的活动也更多依赖计算机设备，因此培养计算思维应该围绕计算机的工作原理、计算机常用工具的使用而展开。计算机工作原理包含计算机的组成、运行原理等;计算机工具主要介绍借助计算机工具开展建模、编程、分析等领域的应用，重点突出问题解决的领域案例。学生不仅要了解计算机的组成原理、工作原理作为知识基础，还需要掌握经典的、代表性的计算机工具的使用，同时还需要学会计算方法论思考并解决各类问题。因此，在课程内容上本文借鉴布卢姆教育目标分类学中对知识维度的分类，将知识分为事实性知识、概念性知识、程序性知识和元认知知识[32]，其中，程序性知识和元认知知识是更为关注“如何做的过程”[33]，同时也是计算思维培养和形成的升华过程，通过相关领域项目或案例的实践和探究可以有效内化计算思维，具体内容及其架构设计如表4所示。

计算机工作原理模块主要认识和学习计算机组成、工作原理及计算原理。计算机通信技术需要了解网络的组建过程，网络的实现流程，通过HTML、CSS、JavaScript、Ajax、JSON、Cookies、Sessions等网站技术的实操掌握网页的设计与编写，培养的方法论是分布式处理思想。知识、技能与方法论的层级迭代促使认知的提升与内化，实现从组网、管网到用网的领悟过程，最终实现分布式处理思想的精髓。分布式处理从机器工作的视角来看可以弥补单机处理能力有限的问题，通过构建分布式处理环境提高系统运行的高可靠性[27]，区塊链技术就是该思想的一种应用案例;从事务处理的视角来看，分布式处理可以作为一种管理方法，再如共享文档、网盘的共享读取与编辑，都是体现了分布式处理的思想。只要学生在学习、工作中能有分布式处理的意识和安排，其实就等于一种思维的养成。

计算机组成主要是偏计算机硬件的学习，这里需要回顾了解计算机组成发展史及思想史。图灵机、冯·诺依曼计算机模型、存储程序计算机揭示了计算机定义的思想史[28];基本组成原理、指令系统及执行介绍了计算机依赖数理逻辑和物理逻辑的本质特性;非传统计算模型主要从量子计算、分子计算、光计算等技术领域介绍未来计算机的发展趋势及其特征。这一模块需要了解自动化技术与理念在电子数字计算机中使用程序控制实现的发展过程。

计算理论及过程需要了解二进制、ASCII、可计算问题、停机问题、计算复杂性等计算原理。二进制作为计算机基本数据单位，采用0或1的数据类型表示两种不同的状态大大提高机器的抗干扰能力，提高可靠性[29]。可计算问题、停机问题、计算复杂性等计算原理作为计算理论的分支是计算机科学的理论基础之一，研究在不同的计算模型下哪些算法问题能够被解决。这一部分内容也是对计算机工作原理和过程的深入了解。至此，我们通过计算机通信技术、计算机组成和计算原理等三大领域的学习对计算机的构造、工作原理都有了基本的了解，这为后续操作计算机奠定了知识与技能基础，可以说这一模块的内容属于“先行组织者”，目的是促进后续知识的学习。

算法（Algorithm）是指解题方案的准确而完整的描述，是一系列解决问题的清晰指令，算法代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制。这一模块也是计算思维的核心和灵魂所在。同一问题可用不同的算法解决，但是执行效率却有千差万别，此节就是需要不仅了解经典算法的实施步骤：基本算法、迭代、递归、排序、查找等，还要掌握算法的设计思路、具备算法的分析能力，才可以将任何问题以计算机视角去解决，才算具备计算思维能力。

程序设计模块是算法模块的表现载体。通过学习和应用低级程序与高级程序，掌握算法的表现形式与技巧。这一模块更多是学习编程中变量、常量、函数、其他语法的定义及规范，掌握三大程序结构的应用，最终达到使用计算机对世间万物进行抽象与建模的意识和能力。前面介绍的谷歌计算思维课中就展现了不同学科中抽象与建模的过程。只不过作为高职学生，能力应该不仅仅停留在理解抽象与建模，还应该能用计算机展示。

Python语言作为专门一个模块被提出来，也是因为大数据思维的兴起。据IDC（国际数据公司）的估算，全球数据总量在2030年可以达到2500ZB（1ZB=1021字节），而这一数据在2009年仅为0.8ZB[30]。可见数据已经作为信息技术时代的产物，并且这种产物给我们提供了认识世界的新思维和新视角。在大数据时代，信息技术将成为变革者、引领者，引领社会经济的发展。因此，Python语言作为杰出的新兴软件，其在工程、科学计算、文件管理、界面设计、网络通信等领域均有丰富的扩展库，可以轻易完成各种高级任务，更是可以作为大数据分析的有力工具[31]，也是展现和培养数据思维的有效媒介。

软件是指学习基于Windows操作系统为主的主流软件的操作，例如办公自动化软件、数据库软件、人工智能类软件等。不仅需要掌握常用软件的使用，还需要熟悉软件的特性，并使其能方便学习和工作。真正使软件操作为人而服务、为问题而服务。

4）课程组织与评价

根据布卢姆对知识的分类，我们可以看到不同类型的知识（事实性知识、概念性知识、程序性知识和元认知知识）[32]支撑着计算思维的形成与培育，因此，多维的、多元的教学组织与评价需要融入课程中去。如图1所示。

针对事实性知识与概念性知识，主要通过记忆和理解类的活动促进学习，并且一般采用复述和复写的形式检验学习成效;针对程序性知识，主要通过记忆、理解、应用、分析、评价等类型的活动促进学习，采用实操练习的方式查漏补缺、更新知识体系;元认知知识更注重知识的融会贯通和触类旁通，能体现学习者将正在学习的知识构建到已有知识体系的过程，最终实现自我知识联结体系的更新和扩充，因此，使用实操练习和创新创造的评价形式考量其学习成效。

4 结语

时代飞速演变，计算思维的培养已经凸显得更为重要，同时也是未来社会所必备的素质。本文借鉴了谷歌贴近生活的计算思维课程和哈佛具有完备知识体系的计算思维课程，集中融合了两大经典计算思维课程的精华，既突出项目为导向的课程形式，又借鉴布卢姆教育目标分类理论重新梳理知识体系，将计算思维的培养落实到以项目为载体，以事实性知识、概念性知识、程序性知识、元认知知识进行学习目标的分类，构建了由点及面，立体丰富的适宜高职学生学情的，符合其最近发展区的学习体系和课程实施建议。可以说，本文的研究也是基于前人已有研究成果的基础进行二次加工和反思形成的。具体的效果及适应性还需要实践的检验，但是有一点可以肯定的是对于计算思维培育的研究还会不断向具体化、可行化、适宜化的方向发展，只有明晰计算思维的培养目标，理清、完备其教学内容，发掘其更适宜的教学模式才能实现培育出符合时代要求人才的远大愿景。

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