构建计算思维在程序设计课程中的培养框架

侯震宇

【摘要】当前编程教育着眼于培养学生利用计算的过程和方法理解和解决问题的能力，强调学生在问题解决过程中提升信息素养，激发学生开放、合作、协商的行动意识，鼓励运用计算思维形成解决问题的方案。为更好地在程序设计课程中培养计算思维，使学生的计算思维能力真正能够在跨学科领域的实践中进行塑造和强化，在联系实际生活的情境中加以应用和迁移，本文阐述从计算思维本质、教育内容和教学策略三方面，构建计算思维的培养框架。

【关键词】计算思维;编程教育;教学策略

一.计算思维的本质

计算思维是多种思维能力的综合体，是一种总括性术语，以逻辑思维、算法思维、系统思维为显著特征，本文将从过程要素和行为表现两个层面来剖析计算思维的本质内涵。

（一）计算思维过程要素

计算思维的思维过程是问题解决中逻辑思维、算法思维和系统思维的具体作用过程，也是计算思维特质的集中表现。研究中把计算思维分为了以下六部分：分解、模式与概括、归纳抽象、算法设计、调试优化、泛化迁移。

1.分解

分解是思维过程的基础，分解就是把一个复杂的大问题，分解为一个个容易理解的小问题，这样的过程有利于找到解决问题的路径。

2.模式与概括

模式识别与概括是思维过程的重要方法。生活中大大小小的问题会以不同的形式出现，尽管这些问题大相径庭，但是他们之间可能存在着共性。概括就是根据各种条件，找出能解决同一类问题的一种通用的方法，是在之前的解决问题方法的基础上，形成新问题的解决方案。建模往往是模式识别与概括的产物，通过构建模型或模拟以表示系统运行的原理以及将来运行的趋势。

3.归纳抽象

抽象是指通过隐藏任何不必要的信息使问题或系统更容易理解，抽象是简化事情，识别什么是重要的，而不用担心太多细节。抽象过程决定我们需要突出和保持的一般特征以及我们可以忽略的细节，这是计算思维的基础。

4.算法设计

算法设计是思维过程的重要环节，也可理解为流程建设。前面通过分解，把复杂问题分解成一个个较小的问题，然后就需要我们根据项目的完成步骤，按顺序把这些小问题组合起来，而这个顺序，就是我们说的算法。算法设计的思维过程不仅适用于程序设计，而且适用于其他学科以及生活中的问题解决。

5.调试优化

调试优化是思维过程的自我评判，指的是在解决方案无法正常工作或效率不高时检测、识别并修复错误或对方案进行优化。具体地说，调试优化可以帮助我们检查对于项目解决方案的质量如何，程序的算法是否高效，如果是软件的话，用户界面是否合适，如果是创客项目，还要关注产品外观是否够人性化。有了评估，能帮助我们检测项目是否已经完成，完成的质量如何，并可以通过优化考虑如何改进。

6.泛化迁移

泛化迁移是思维过程的延伸，通过思维碰撞，可以建立起从特殊到一般、从具体到广泛的普适性联系。通过反思、总结，某一具体问题的解决过程可以迁移到其他情境或领域，希望以后在处理问题时可以根据之前已有经验，能更有效地解决问题。

在具体编程教学活动中可以通过思维过程的角度分解程序，从而将计算思维融入编程课堂。

（二）计算思维的行为表现

计算思维是解决问题的能力，因此也适用于问题解决的思路，而问题解决的这个过程，在行为表现中可以分为四个步骤：1.理解问题;2.制定计划;3.执行计划;4.评估。

计算思维的行为表现是指在计算环境中即利用计算设备或应用计算原理，从而进行问题解决的过程，在教学中是表现性任务中评价的主要参考依据。这一过程除了遵循上述问题解决的一般过程外，在编程教学中遵循程序设计的一般过程：1.分析问题;2.设计算法;3.编写程序;4.运行程序，分析结果。对于基于实物设备的编程教育中，还需遵循STEM理念中解决问题的一般思路，即问题驱动、设计方案、实施过程、作品呈现与分享改进。

计算思维的行为表现如图1所示：

在确定问题和分析问题阶段是整个过程中最重要的环节，直接影响策略的选择和问题的解决。外显的行为可能首先表现为能够发现问题的存在并能够清晰、详细地描述或说明问题，即表征问题，其次还表现在确定问题的本质并将复杂问题进行分解。在这一阶段，抽象归纳、结构分层以及模式识别是主要的思维过程。

设计阶段是理解问题之后的对于解决方案的初步设想，一般会准备基础的工具或程序来解决各类问题，对应主要的过程是算法设计。

实施过程和作品呈现这两个阶段属于整个系统的调试，确保整个项目的每一个小部分都能得到有效的解决。对应主要的思维过程是调试优化。

泛化迁移阶段需要总结整个过程，并形成案例，在再次遇到类似问题的时候可以参考、借鉴。在这过程中，也有可能，需要对原来的方案重新修订，再次进入新的一轮循环。本阶段对应主要的思维过程是泛化迁移。

学生的行为表现在教育内容的不断补充过程中，依靠自身的思维过程，不断推进，不断向学习目标逼近。

二、计算思维的教育内容

通过研究教育部确定的信息技术课程标准，结合美国、英国、澳大利亚三国与计算思维相关的教育标准或目标体系和教育部管理信息中心组织的“计算思维培养课程调研会”上有关专家和一线教师的意见，确定小学计算思维培养目标如下：

三、计算思维的教学策略

教学策略是为实现特定的教学目标、完成教学任务的重要手段，也是对教学内容组织、教学过程环节、教学方法和教学工具等因素的综合考虑。4为了让学生在不同计算情境和问题面前能够创造性地、灵活地应用所学的内容，真正具備计算思维，我们制定的教学策略需要结合计算思维的特点和编程教育、STEM教育的基本策略。

（一）计算思维的教学特征