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本周推荐|计算思维实践框架研究

原创李泽李伟等中小学信息技术教育1周前

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随着信息技术的发展，其在众多行业的优势愈加明显，计算思维逐渐引起了人们的关注。英、美、韩、澳等国家相继将计算思维纳入课程体系。我国教育部发布的《普通高中信息技术课程标准(2017版)》中，也将计算思维作为信息技术课程培养的学科核心素养之一。围绕计算思维的具体含义和组成，本文从计算实践角度提出了一个包含四个维度的计算思维实践框架。该框架能够为计算思维相关的教学、课程设计以及表现性评价提供参考，为学生计算思维的培养，尤其是在K-12阶段的落地，提供一套可操作性的指南。

计算思维的构成与计算实践

自计算思维概念提出以来，对于计算思维的具体构成，人们提出了不同的看法。多数文献都是将计算思维分解成数据分析、问题分解、抽象、算法等多个子概念或实践，而缺乏对学生学习过程和思维培养过程的关注。2012年，Brennan和Resnick以基于设计的Scratch互动学习为基础，提出了计算思维的三维框架，包含计算概念、计算实践及计算观念三个维度。计算概念指的是在编程中广泛运用的概念：序列、循环、事件、并行、条件语句、运算符号和数据。计算实践指的是作者对一个作品的创作过程，研究中将其分解为四个部分：试验与迭代、测试与调试、重用与改编、抽象与模块化。计算观念指的是学习者对超出作品本身事物的思考和理解能力，包括表达、联系和质疑。该框架为计算思维的教学和培养提供了参考，也为计算思维的评价提供了依据。计算作品是反映学生计算思维能力的重要载体。该研究也尝试从受访者的计算作品入手，用多种方式评价学生的计算思维。但是，该框架基于对创作实践部分的维度划分比较粗略，对学生的创作过程缺少关注，对计算思维培养的落地缺乏明确的指导。思维的过程是思维结构重要的组成部分之一，而作品创作的过程正是反映思维过程的重要方式。因此，对计算作品创作过程的关注，是培养学生计算思维的重要环节。

计算实践导向的计算思维实践框架

本文提出的计算思维实践框架，是基于上述三维框架中的计算实践维度进行补充和架构的。从过程要素和行为表现的层面分析，计算思维的过程是问题解决中的逻辑思维、算法思维和系统思维的具体作用过程。在各国的计算思维课程设计中，都强调问题解决的能力。因此“问题解决”是本研究架构计算思维实践框架的主线。思维具有生产性，人们会为解决问题制作思想产品，故评价“作品”是分析思维的一个重要途径。在计算思维实践中，学习者产出的计算作品就是思想产品，而产出作品的过程离不开利用计算工具和计算原理进行设计，通过设计作品来建构知识，正是建造主义所强调的学习过程。因此，设计因素是我们对计算思维实践框架进行架构的另一重点。

结合计算思维的内涵，以及根据建造主义的基本理论和借助计算机解决问题的一般过程，本文构建了如图1所示的计算思维实践框架。学习者以问题解决为目的，从具体问题情境出发，历经分析、设计、创造和评估四类行为表现。在每一类行为表现下，分别由三至四个不同的具体实践组成，最终形成计算作品。需要注意的是，尽管框架对计算思维实践按照行为表现进行了不同维度的划分，但是在实际学习过程中，每个实践行为之间是高度相关、相互交织并不断迭代的，实际教学中也应综合使用以完成教学目标。接下来本文将对各个维度进行阐述。

图1计算思维实践框架

1.计算思维实践之“分析”维度

分析问题是学习者进行问题解决的开始。本文将该维度分为问题定义、问题分解和数据分析三个实践过程。问题定义是问题解决的起点，它指的是学习者识别并理解计算问题的过程。在明确了问题的目标与本质后，学习者便可尝试将复杂问题分解为易于控制和实现的子问题。在此过程中，学习者还应基于经验或理论判断可行的计算方法，将实际问题转化为能够使用合适计算工具解决的问题。

在对问题进行界定后，学习者还应当对问题中的相关数据进行分析。数据视角是一种新的理解问题的方式。如何高效地获取、处理和分析数据，并从中总结出规律和结论，是科学研究的核心。在教育部发布的《普通高中信息技术课程标准(2017版)》中，对学生信息意识的描述也涉及了学生能够根据解决问题的需要，自觉、主动地使用恰当的方式获取与处理数据，并且采用计算机可以处理的方式界定问题和合理组织数据。在对数据进行合适的处理后，学习者还应使用计算工具从数据中提取有价值的信息，识别规律和关系，进行推理和预测，并使用可视化的方式将结论表达出来。

2.计算思维实践之“设计”维度

在对问题有了基本的理解并确定需要达成的目标后，学习者就可以形成解决问题的思路，并对解决方案进行设计。计算作品是学习者最直接明显的产出，而作品的设计过程是评估学习者计算思维能力的重要组成部分。学习者在设计中首先要关注方案的整体性，抽象出问题解决的模型；然后明确模型中具体的