高中信息技术学科计算思维培养的 “四化”策略

邵红祥

计算思维是一种问题求解思维，其一般经历抽象—形式化表达—构造—自动化的方法路径，这也是具有计算思维特征的思维轨迹。同时，计算思维作为一种思维活动，不会凭空产生，需要遇到某种困惑、怀疑或问题等才会被激活，是在知识的加工过程中不断发展的。因此，在培养计算思维的过程中，知识是计算思维的材料，对知识的不同处理关系到计算思维的发展。为此，信息技术教师可利用知识的问题化、条件化、能力化和结构化的“四化”策略，提升学生抽象、认知、构造和迁移的能力，从而发展学生的计算思维。

● 知识问题化，提升抽象能力

知识本身并不是力量，灵活运用知识解决问题更重要。将知识问题化，设计出好的问题，引导学生发现问题、分析问题和解决问题，促进学生主动思维。针对信息技术学科的求解问题，人们需要基于计算机科学的知识采用数字化、离散化、符号化、序列化等方法实现自动化。利用计算机实现自动计算的前提是抽象，即对事物的性质、状态及其变化过程或规律进行符号化描述，其通过化简等方式，抓住问题的关键特征，厘清问题的本质，将问题转换成计算机可以处理的模型。抽象的过程其实是对事务处理流程的重构，最终能实现自动化来提高生产、生活和学习的效率。为此，提升抽象能力是计算思维能力培养的关键。

在培养学生抽象能力的过程中，要尽可能提供复杂的、不确定的现实，即通过知识情境化来实现知识问题化。例如，利用计算机编程实现“猜数游戏”，可以创设如下情境：在一次班级联欢会上，同学们玩了一个猜商品价格的游戏。A同学出示一商品，价格在1～100元之间，要求B同学猜价格。每猜一个价格，A同学需要回答猜对了、猜大了或猜小了。现在，请你编写一段程序，让计算机来完成A同学的工作。在利用原有的编程知识来解决该问题之前，首先要从所给的情境中“分离”出与本问题有关的研究对象——商品和B同学，不考虑其他无关的对象;然后，“提纯”这两个对象的本质属性，即商品的价格和B同学所猜的价格，忽略非本质属性，如商品的名称与形状、同学的性别与年龄等;最后，在提纯出问题本质的基础上，还可以进一步简略，排除掉一些多余的信息以降低解决问题时的复杂性。经过分离、提纯和简略以后，抽象出该问题关键的要素为商品的价格和B同学所猜的价格。

● 知识条件化，提升认知能力

面对庞杂的任务或者设计巨大复杂的系统，计算思维采用抽象来明确求解问题中的关键要素。然后，为了有效解决问题，还需要将问题形式化表达，即选择合适的方式描述系统的因果关系、关键要素的相互关系，或不同状态的转换关系等，使得问题易于处理和可计算。例如，根据问题的特征，选择相应的问题求解策略，建立相应的问题求解模型，考虑相应的问题求解效率，权衡相应的问题求解时空开销，等等。在此过程中，需要学生能熟练提取与问题相关的知识，具备对信息进行有效判断和选择的能力，而这和学生的前概念认知体系、元认知风格以及思维习惯有关。教师如果能将知识进行条件化处理，将极大地提升学生的认知能力，进而培养学生的计算思维能力。知识条件化是指在课堂教学中，教师根据知识的内容、形式、旨趣，不断地变更问题的情境或思维的角度，让学生掌握知识的本质，弄清知识的内涵、外延，扣准实际应用的条件、范围，从不同角度、不同层次对概念、规律进行推敲、验证。知识的产生和运用需要情境，情境是知识产生和运用的条件。在实际应用中，教师要创设不同的情境，让知识重新回归其存在的土壤，让知识的呈现不再只是孤立的命题和事实，让学生在学习知识内容的同时，从不同的思维角度，掌握这些知识间的联系、适用的条件和范围，以及它们是如何解决该问题的等等。

例如，在上述“猜数游戏”问题中，在得出与问题相关的“商品的价格”和“B同学所猜的价格”两个关键要素的基础上，需要思考这两个关键要素之间有怎样的联系、怎样处理才能解决问题等，从而梳理出相应的计算模型：反复猜数，直到“B同学所猜的价格”与“商品的价格”相等为止，每猜一个价格，分别给出“猜大了！”“猜小了！”“猜对了！”的提示。此时，需要学生提取与该问题相关的知识，如重复让计算机做某件事情，可以采用循环结构来解决;根据条件判断分别给出相应结果，可以采用选择结构来实现。并要让新知与旧知产生联系，如先前所学的for循环语句是否适用、选用哪种选择结构语句来实现等，在此基础上建立相应的计算模型。

进一步地，可以在以上情境的基础上，增加如下条件：B同学先从1～100的中间数50开始猜，根据计算机的提示决定下一个猜的价格数。如果猜大了，则在1～49之间取中间数继续猜;如果猜小了，则取51～100之间的中间数继续猜……如此反复，直到猜对为止。此时，与情境问题相关的知识，从原先的程序结构转换成了二分查找算法，需要让学生思考是不是任意的一列数据都可采用二分查找算法？该情境中为什么能用二分查找算法？通过情境的变换、问题的思考，让学生变更不同的思维角度，思考相关知识适用的条件、相关知识是如何解决该问题的等。因此，建立該问题的计算模型就需要具有跟前面问题不一样的知识和思维角度。

● 知识能力化，提升构造能力

运用计算机对抽象出的计算模型进行自动化求解，需要掌握一定的思维方式和解决方法，尤其需要具备构造性的思维能力。计算思维给人类求解问题提供了一条途径，自从有了计算设备，人类就需要具备“构造虚拟世界自由”的能力，能够超越物理世界去打造各种系统。因此，我们要通过知识能力化，将获取知识的过程内化成一种能力，将知识内化成解决问题的能力，将获取的知识转化成用于指导生产生活实践的能力，具体而言，需要掌握计算机科学领域的思想方法，提升构造的能力。例如，在用计算机编程求解问题之前，需要掌握“抽象建模—设计算法—编写程序—运行调试”的一般方法，要明确每个步骤的本质及它们之间的联系，要能运用相应的思想构造出合适高效的算法，要能用某种程序设计语言准确描述解决问题的方法与步骤等。构造的过程是一个计算的过程，也是一个算法设计与实施的过程。

在上述“猜数游戏”问题中，在计算模型建立后，需要构造相应的算法，然后将算法用编程语言进行描述，直至运行程序解决问题。在构造算法时，可以采用模块化的思想，将大问题分解和细化成若干个可解的小问题，再通过求解这些基本问题求得原问题的解。针对“猜数游戏”问题，可以先采用循环结构描述整个问题的求解过程，循环体为“输入B同学猜的数guess，两数比较”，然后将“两数比较”细化，采用分支结构实现“根据两数比较的结果，输出相应的提示信息，若相等，将running赋值为True”的功能。

自图灵的计算理论提出以来，科学家们已经研究了众多应用信息技术解决问题的概念与原理，形成了具有丰富知识内容且行之有效的分析问题与解决问题的典型方法与思想。在计算思维培养过程中，要将这些方法与思想能力化，使学生具备面对复杂问题能构造恰当的解决方案，并通过计算解决问题的能力。

● 知识结构化，提升迁移能力

计算思维是以解决计算问题为出发点，具有独特的采集数据、抽象特征、构建模型、形成解决方案的思维框架，具备认知世界和解决问题的能力，并能迁移到其他领域。从中可以看出，迁移是计算思维培养需要达到的目标。为此，新课标理念下的教学要从过去关注学科知识技能转向关注培养学生的关键能力和必备品质，通过知识结构化，分析其内在关联，推断其逻辑关系，将零散的知识整合处理，使其围绕“主题意义”，形成结构化知识，进而内化知识，迁移运用知识，促进知识向核心素养转化。

知识不是信息的简单罗列，而是相互之间有内在的联系和逻辑关系的。知识只有通过学生在某些特定情境下的主动参与、互动体验、分析评价、内化迁移才能真正建构起来，才能被纳入到已有的认知结构中，真正在大脑中形成长时记忆，在学习活动中被随时“调用”，在深层次的有意义的学习活动中发挥重要作用。所以，知识结构化强调知识都是联系的、建构的、整合的。在学习过程中，教师创设真实情境，让学生通过抽象，分析、提出、形成学科问题，运用相关的知识和技能形成学科解决方案，在此基础上，还需要归纳、概括和提炼出解决该问题运用了哪些方法与思想、该解决方案还能解决哪些同类问题，形成实际解决方案，这样，“现实世界中的真实问题”“学科问题”“学科解决方案”“实际解决方案”就形成了一个循环。也就是说，实际解决方案更有利于解决现实世界中的真实问题。因此，在整个过程中尤其要关注从“学科解决方案”到“实际解决方案”的建构，让学生归纳、构建新知识，并能基于新知识，提出批判性问题，形成自己的觀点，将解决这个问题的思想和方法进行迁移应用，解决同类问题，举一反三，一通百通，进而在教学中培养学生的高阶认知，提升学生的思维能力。

在上述“猜数游戏”问题中，可以根据设计的算法编写出相应的程序代码。当学生运行调试成功后，这是否意味整个学习活动的结束？答案是否定的，编写出相应的程序代码，只是解决了学科问题，得到了学科解决方案，而要让学生具有较强的迁移能力，还需要将该学科解决方案建构成实际解决方案，可通过循环结构中的条件和循环体如何抽象与表示、如何根据问题特征来选用while或for循环语句、不同的程序代码是如何来实现同一功能的、效率和编写实现上有何区别？等问题来实现。

在对学科解决方案进行反思、提炼与拓展的过程中，建构结构化知识，激发学生的思维，引导学生将零散的知识整合起来，将所学的“死知识”转化成解决实际问题的“活知识”，促进知识的内化，达到迁移解决同类问题的目标。

计算思维是人类科学思维活动的重要组成部分，编程只是实践计算思维的重要手段。因此，教师在教学过程中，要深刻领会计算思维的概念，抓住计算思维的本质，从计算思维培养的角度开展教与学的活动。当然这是一个长期的过程，需要不断探索，努力实践。