林 旺，孫洪濤

(1.中央民族大學 信息工程學院，北京 100081；2.中央民族大學 現(xiàn)代教育技術部，北京 100081)

基于軟件應用的計算思維能力培養(yǎng)教學設計

林 旺1，孫洪濤2

(1.中央民族大學 信息工程學院，北京 100081；2.中央民族大學 現(xiàn)代教育技術部，北京 100081)

如何培養(yǎng)計算思維能力在大學計算機基礎教學中備受關注。目前，相關教學應用研究多集中于算法與程序設計等內(nèi)容，對軟件應用類課程少有涉及。為探索此類教學中的計算思維培養(yǎng)，該文對計算思維的定義演變和相關教學研究進行了分析，闡明了計算思維過程是借助技術的問題解決，培養(yǎng)計算思維能力的軟件應用教學可以從基于活動的問題解決角度進行設計。該文將計算思維方法與設計思維步驟相結合，提煉出了軟件應用教學中計算思維能力培養(yǎng)的教學設計原則，最后通過一個教學案例對教學設計過程進行了介紹。

計算思維；設計思維；教學設計

一、背景與問題

自周以真教授提出計算思維(Computational Thinking, CT)以來，信息技術對思維模式的深層次影響日益在教育領域引起關注。以周以真為代表的研究者認為計算思維可以成為讀、寫、算之后的第四種基本能力，將在21世紀中葉成為人人必備的基本技能[1]。計算思維在信息技術教育相關領域引起了廣泛反響。研究者和教學者開始關注如何通過課程教學培養(yǎng)計算思維能力,將其視為信息技術課程的內(nèi)在價值[2]。在我國，大學計算機基礎課程作為高校公共必修課程，成為了高等教育計算思維能力培養(yǎng)的重要陣地，幾年來一系列基于計算思維的教學改革舉措不斷出臺。

2010年，北京大學、清華大學等9所985院校組成的聯(lián)盟發(fā)布《九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》強調(diào)要把培養(yǎng)學生的“計算思維”能力作為計算機基礎教學的核心任務[3]。2012年，教育部高教司批準了“以計算思維為導向的大學計算機基礎課程研究”等22個大學計算機課程改革項目，推動以大學生計算思維能力培養(yǎng)為重點的大學計算機課程改革[4]。2013年，教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會正式發(fā)布了《計算思維教學改革宣言》，進一步明確了計算思維培養(yǎng)在大學計算機基礎課程教學中的中心地位，并把計算思維的培養(yǎng)提升到了創(chuàng)新人才培養(yǎng)和國家發(fā)展的高度。同時，宣言也指出了，“將計算思維培養(yǎng)作為大學通識教育的一部分，還存在許多深層次的理論性、制度性和技術性的問題迫切需要予以解決”，教學改革“面臨的最大挑戰(zhàn)就是構建培養(yǎng)計算思維能力的教學體系”[5]。

可見，在計算思維能力培養(yǎng)日益受到重視的同時，計算思維培養(yǎng)與計算基礎課程結合的一些實際困難也逐漸凸顯。計算思維強調(diào)對計算科學與工程領域的模式與方法的抽取和拓展應用，此類應用對于與程序設計與算法、計算機組成原理、網(wǎng)絡體系結構等內(nèi)容的教學有較為明確的結合點，教學相對容易開展。目前的計算思維課程教學研究大多針對此類教學內(nèi)容展開。但對于非計算機專業(yè)的學生而言，軟件應用類教學內(nèi)容在課程中占據(jù)較大比重。如何在軟件應用教學中進行計算思維培養(yǎng)，對計算思維能力培養(yǎng)融入通識教育之中至關重要。

二、計算思維的含義與發(fā)展

計算思維代表著信息技術領域的思維模式發(fā)展。但計算思維并非全新事物，學習計算機支持下的問題解決過程，培養(yǎng)思維能力可謂由來已久。上個世紀80年代，麻省理工學院Papert教授所倡導的LOGO語言學習就是其中的典型代表[6]。2000年，DiSessa提出了計算素養(yǎng)(Computational Literacy)[7]，闡明了與計算思維類似的思想，并特別強調(diào)了計算作為探索其他學科的工具與媒介方面的作用。

與之前的研究相比，計算思維更為全面深入地提出了計算科學對思維模式和問題解決的重要影響。計算思維將其針對的領域拓展到了前所未有的廣闊疆界，其內(nèi)涵仍在不斷深化和發(fā)展之中。周以真教授在2006年首次提出計算思維時，將其表述為應用計算機科學領域的基礎概念進行問題解決、系統(tǒng)設計和人類行為理解。她認為抽象和自動化是計算思維最顯著的兩大重要特征，計算思維還包括遞歸、平行思考、抽象、分解等方法。這個定義強調(diào)了計算思維的作用和普適性，并對計算思維的外延進行了描述，強調(diào)了計算機科學領域的方法和原則對問題解決的作用。2010年，她進一步將計算思維表述為一種思考過程，通過對問題和解決方案的清晰表述，使問題解決可以由具備信息處理功能的代理程序高效完成[8]。可以看出，對問題進行發(fā)現(xiàn)和抽象，對問題及其解決方案進行表述，采取信息技術方法和手段將其處理完成是計算思維的核心所在。這個定義再次突出了問題解決。

英國皇家科學院將計算思維定義為認識周圍世界所存在的不同層次的計算，并應用計算機科學工具和技術理解并辨析自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)及其運行過程[9]。這一定義的核心在于對各種不同類型、不同層次計算問題的發(fā)現(xiàn)，以及通過計算機技術和工具對人工和自然系統(tǒng)進行剖析和理解。美國德保羅大學(DePaul University)的Settle和Perkovic基于Peter J.Denning的七個偉大計算原理(The Great Principles of Computing)提出了一個計算思維的概念框架，內(nèi)容包括計算、通信、協(xié)作、記憶、自動化、評估和設計[10]。

陳國良院士和董榮勝教授在此基礎上增加了抽象，提出了一個包含八個概念，三個層次的體系。其中，計算位于核心層，抽象、設計和自動化位于第二層，記憶、通信、協(xié)作和評估位于第三層[11]。這兩個框架對周以真提出的計算思維外延進行了擴展和提煉，對計算思維的構成給出了更詳細的解答?！霸O計”的出現(xiàn)是值得關注的。陳國良院士和董榮勝教授認為，計算思維中的設計是利用學科中的抽象、模塊化、聚合和分解等方法對一個系統(tǒng)、程序或者對象等進行組織，并以軟件開發(fā)為例解釋為體系結構和處理過程的設計?？梢?，這種設計過程不僅限于計算機軟件設計，而是具有一定的普適性，可以應用于各種學科和領域。

2011年，ISTE和CSTA提出了計算思維的操作性定義，將通過計算思維進行問題解決的過程進行了表述。這個操作定義首先將計算思維界定為問題解決的過程，在這個過程中首先，需要形成一個能夠用計算機工具解決的問題，在此基礎上邏輯化組織和分析數(shù)據(jù)，通過模型和仿真對數(shù)據(jù)進行抽象表示，通過算法設計實現(xiàn)自動化解決方案，以優(yōu)化整合步驟、資源為目標，確定、分析和實施可行的解決方案。將解決方案進行總結，并遷移到其他問題的解決中[12]。這個定義對基于計算思維的問題解決過程進行了描述，較為清晰的，基于計算思維的問題解決步驟出現(xiàn)了。

無獨有偶，Google公司對計算思維的認識也體現(xiàn)了技術支持下的問題解決過程，Google認為計算思維過程是問題解決技巧和技術的集合，并將計算思維過程界定為問題分解、模式識別、模式生成和抽象、算法設計[13]。

Shuchi Grover和Roy Pea對計算思維培養(yǎng)的相關研究進行了總結后提出了計算思維培養(yǎng)中的一些要素[14]。這些要素既包含著對計算思維方法的概括，也是對計算思維過程的描述。具體要素內(nèi)容包括：抽象和模式生成(含建模和模擬)，信息的系統(tǒng)化處理，符號系統(tǒng)及其表征方式，流程控制的算法表示，結構化的問題分解(模塊化)，迭代、遞歸和平行思考，條件邏輯，效率和績效約束，系統(tǒng)錯誤監(jiān)測和排除。

在上述對要素的描述中同樣隱含著一個問題解決的過程。從現(xiàn)實生活中抽象問題、識別模式，對借助符號系統(tǒng)對信息進行系統(tǒng)化處理，對問題進行結構化分解，并通過多種計算方法形成富有邏輯性的計算步驟，最后進行提高效率，修正錯誤形成可用的解決方案。其中算法相關的內(nèi)容，包括流程控制、條件邏輯、迭代、遞歸和平行思考等，被認為應用計算機科學的思維模式對解決方案的一種描述方式，而不僅限于程序設計中的算法本身。對于算法的強調(diào)，更注重將計算機科學的成果應用于各種系統(tǒng)化問題解決，而不僅是作為程序設計的一個步驟。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，從周以真2006年提出計算思維的概念以來，計算思維的內(nèi)涵和特征經(jīng)歷了外延不斷豐富，內(nèi)涵不斷清晰化的過程。計算思維植根于信息技術領域經(jīng)過半個多世紀快速發(fā)展所積累起來的各種有效的思維方法。這些方法將思維過程與技術工具相結合，形成了獨特的技術支持下的問題解決模式。這個問題解決模式不僅適用于計算科學領域，而是對各個學科有著普遍價值。計算思維的操作性定義和特征描述，為通過教學進行計算思維能力培養(yǎng)提供了可能。

三、我國計算思維教學探索

我國計算思維能力培養(yǎng)的教學探索，目前在中小學少有開展[15]，重要集中與大學計算機基礎課程。教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員通過《計算思維教學改革宣言》大力倡導計算思維在教學中的應用，并在《計算機基礎課程教學基本要求》中提出了4×3知識體系結構和1+X 課程體系[16]，為計算思維能力培養(yǎng)的教學提出了實踐性指導。

眾多研究者和教學實踐者也從不同的角度探討了如何通過計算機基礎課程教學培養(yǎng)計算思維能力，相關研究可以分為課程內(nèi)容研究和教學模式研究兩大類。其中，課程內(nèi)容研究針對計算思維能力培養(yǎng)，對現(xiàn)有的計算機基礎課程內(nèi)容的設置進行了革新。如朱鳴華提出的概論、數(shù)據(jù)的表示與存儲、計算機系統(tǒng)組成、操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡基礎與應用、程序設計基礎與算法、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和信息安全等8個單元的教學內(nèi)容[17]；龔沛曾和楊志強提出在教學中弱化Office等軟件應用內(nèi)容，用6周時間開展計算思維和程序設計算法教學[18]；陸漢權、何欽銘和徐鏡春提出了計算機歷史、計算模型、處理器模型、編碼與存儲、算法和程序、操作系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡等構成的內(nèi)容框架[19]?？傮w而言，此類研究傾向于將教學內(nèi)容側重于算法和程序設計、計算機系統(tǒng)組成和計算機網(wǎng)絡等，注重介紹這些內(nèi)容中所涵蓋的計算思維應用，研究中較少涉及具體的教學模式與過程。

在教學模式研究中，研究者提出了一些可以用于計算思維能力培養(yǎng)的教學模式，包括探究教學模式[20]、任務驅動式[21]、網(wǎng)絡自主學習模式[22]、基于問題的教學模式[23]等。此類研究中，各種教學模式多被表述為幾個教學要素的函數(shù)，如探究教學模式被表示為教師動作集、學生動作集、探究問題和計算思維的函數(shù)。此類教學模式研究，其教學應用范圍基本上都以算法和程序設計為主，對于軟件應用類課程少有涉及。

通過對國內(nèi)研究的梳理可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的計算思維能力培養(yǎng)相關課程對于程序設計等為代表的偏重計算機專業(yè)的內(nèi)容有著很大的偏重，而軟件應用類教學內(nèi)容如何與計算思維能力培養(yǎng)相結合尚少有研究者涉及。

在以非計算機專業(yè)為主要受眾的計算機基礎課程中，軟件應用類教學內(nèi)容占據(jù)了很大比重，如Office軟件應用、網(wǎng)絡工具應用、網(wǎng)頁制作、視頻編輯等，這類教學內(nèi)容與程序設計和計算機體系結構等內(nèi)容差別顯著，對于軟件應用的技能和通過軟件進行制作和設計有著較高要求。這同樣十分符合計算思維中通過工具實現(xiàn)問題解決的目標。但在具體教學中，軟件應用與程序設計等內(nèi)容有著很大差異。現(xiàn)有研究所形成的模式較難支持軟件應用教學中的計算思維能力培養(yǎng)。

筆者認為，軟件應用類教學內(nèi)容中同樣蘊含著大量計算思維的元素，但其表現(xiàn)形式卻與程序設計等有所不同。軟件應用類課程的核心并不僅僅是對軟件功能的介紹，而是應用軟件完成的各種任務，這些任務大多與設計密切相關。從前述對于計算思維定義的演變可以看出，基于計算機工具開展的問題解決是計算思維的核心所在，對于應用軟件而言，問題解決常常表現(xiàn)為設計過程。因此，對設計過程和計算思維要素的對比有助于明晰兩者之間的關系，進而為此類教學內(nèi)容的教學設計提供依據(jù)。

四、計算思維與設計思維

與計算思維在學術界和IT產(chǎn)業(yè)界引起巨大反響的同時，另一種思維模式在更為廣闊的范圍引起了人們的注意，這就是設計思維(Design Thinking)。以蘋果公司和IDEO等為代表的企業(yè)將設計的力量呈現(xiàn)在了人們的面前。

設計思維是另一類系統(tǒng)化思考模式，其核心關注通過設計過程實現(xiàn)問題解決。在設計思維的相關研究中，設計思維常常被認為是一個問題解決的過程，通過識別、理解、探索、定義和解決問題實現(xiàn)創(chuàng)新產(chǎn)品的設計[24]。

世界著名設計公司IDEO將設計思維過程定義為設計者運用自己的感知力和設計方法，將技術和商業(yè)策略可行性與用戶需求相匹配，從而實現(xiàn)用戶價值和市場機會的過程。其核心在于挖掘用戶需求，將其表述為需要解決的問題，并通過設計方法提出解決方案。這個過程包括靈感(Inspiration)、設想(Ideation)和實施(Implementation)三個空間中多個設計環(huán)節(jié)的多輪迭代[25]。

斯坦福設計學院的“創(chuàng)造力與創(chuàng)新”課程中將基于設計思維的問題解決過程總結為了一系列清晰的步驟，包括同理移情(Empathize)、問題定義(Define)、設想提出(Ideate)、原型設計(Prototype)、測試改進(Test)五個步驟[26]。

其中，同理移情即在設計過程中對用戶需求的理解，這種理解往往需要通過觀察和交流實現(xiàn)；定義即對設計問題的界定，通過所收集大量信息，從設計者的視角對要解決的問題進行表述；設想即對要解決的問題提出多種可能的解決方案，頭腦風暴是這個階段的常用工具；原型即從前一階段的各種設想中選擇，通過不斷迭代，逐步形成解決方案的雛形；測試即通過用戶反饋對原型進行測試并改進，測試過程中設計者對用戶的理解將不斷加深。在上述步驟中，原型設計和測試改進是不斷循環(huán)的兩個階段。

通過上述分析可以看出，與計算思維相同，設計思維過程的目標同樣是問題解決。將兩類思維過程進行對照(如圖1所示)，可以發(fā)現(xiàn)許多相似之處。設計思維中的換位思考實際上是通過多種途徑對用戶需求的發(fā)現(xiàn)，其中包含很多抽象和模式識別的過程。問題定義同樣需要抽象和模式識別，并在此基礎上對所獲得的信息進行系統(tǒng)化處理。設想提出階段需要在問題分解的基礎上，將可能的問題解決方式進行過程性表述。原型設計需要借助某一個基于符號系統(tǒng)對解決方案進行呈現(xiàn)，其中需要大量的迭代和平行思考。而測試改進中需要排除錯誤，并考慮效率和績效改進。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，計算思維和設計思維有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，計算思維的方法可以與設計思維的過程結合起來。設計思維過程提供了清晰的設計活動開展過程，便于形成教學活動；計算思維則為各個活動步驟提供具體方法。在軟件應用的教學中可以將兩者有機結合，可以形成軟件應用類課程的一種新設計思路。

圖1 計算思維與設計思維過程的對比

五、計算思維能力培養(yǎng)教學設計原則

著眼計算思維能力培養(yǎng)的軟件應用類教學設計是一個系統(tǒng)化的過程，需要遵循教學設計的一般規(guī)律，圍繞計算思維能力培養(yǎng)對學習活動、學習資源、學習環(huán)境等開展設計，可以總結出此類教學設計的一組原則(如右圖2所示)。

以學生為中心，促進學生計算思維能力發(fā)展是教學設計的出發(fā)點，教學設計需要圍繞著學生能力提升而展開。學習者分析是教學設計的起點，通過對學習者的學習需求、知識水平、特征差異等的分析，為后續(xù)教學設計奠定基礎。

圖2 軟件應用課程的教學設計原則

計算思維培養(yǎng)是軟件應用課程的內(nèi)容核心。圍繞這一核心，在教學設計上可以形成兩條主線，軟件操作和應用軟件開展的設計活動，其中，軟件操作是設計活動的前提和基礎。各種應用軟件都具有自己獨特的功能和操作流程，其菜單布局，功能模塊和操作方式的設計，均體現(xiàn)了應用工具進行特定類型的問題解決。通過這種思路對軟件操作開展學習，不僅有助于快速掌握軟件操作，同時也從軟件產(chǎn)品的角度來學習了一個技術制品的整體架構和處理過程，從而可以深入理解計算思維的設計層面。

另外，基于軟件的設計過程，遵循設計思維活動的一般流程。如上第4部分所分析的，這個流程與計算思維有著密切聯(lián)系。這個階段需要結合教學內(nèi)容，將計算思維培養(yǎng)整合到設計活動的過程之中。

學習活動的主體是一個設計活動，遵循設計活動的一般原則和步驟。本著以學生為中心和計算思維能力培養(yǎng)的原則，作為學習活動主體的設計過程應當是協(xié)作性的。因此設計活動的形式應當是小組協(xié)作，要符合小組協(xié)作的方法和步驟。

協(xié)作設計活動應當是線上與線下相結合的，既有教師的集中指導，小組面對面協(xié)作；也有在線平臺和工具支持下的，跨越時間和空間的協(xié)作。除了活動流程的設計之外，對于線上線下協(xié)作活動開展的指導對學習活動的效果也至關重要。

培養(yǎng)計算思維的學習活動需求將決定學習環(huán)境的設計。學習環(huán)境要能有效支持在線學習，支持學習過程中的各種教學交互；要能有效支持在線協(xié)作，支持交流、分享、展示和協(xié)同工作。學習環(huán)境往往由多種工具組成，這些工具也決定了教與學開展的具體環(huán)節(jié)。

六、教學設計案例

根據(jù)以上設計要素，可以對基于計算思維培養(yǎng)的軟件應用教學開展設計。案例來自是中央民族大學的精品課程“大學計算機基礎”中的網(wǎng)頁制作部分。根據(jù)前述教學設計原則和以學生為中心的教學設計流程[27]，對網(wǎng)頁制作部分進行了如下教學設計。

(一)學習者分析

參與學習的學生來自全校各個文科院系的大一新生。通過學期初的測試和對學生的訪談發(fā)現(xiàn)，這些學生具備計算機應用的一般技能，對網(wǎng)絡應用和通訊工具非常熟悉，但對小組協(xié)作和在線學習了解較少，時間管理和學習規(guī)劃能力較差。

(二)基于計算思維的教學內(nèi)容分析

從計算思維的視角對網(wǎng)頁制作部分的教學內(nèi)容進行解析，從軟件操作和網(wǎng)頁設計兩方面提煉計算機思維能力的教學要點(如下表所示)。

基于計算思維的教學內(nèi)容分析

(三)基于設計過程的學習活動設計

學習活動流程遵循設計活動的流程，在此基礎上將教師的指導和軟件學習整合其中，流程如圖3所示。為了促進小組協(xié)作的順利開展，教師設計了對小組分工、任務規(guī)劃、時間管理的輔導。同時，設計了一些過程控制環(huán)節(jié)，要求學生提交小組設計過程中各個環(huán)節(jié)的階段性成果，如提交網(wǎng)站規(guī)劃文檔、展示所收集的資源等，并在設計活動的中期，設計了一次面對面教學，對網(wǎng)站規(guī)劃和所搜集的資源進行集中展示和評價。后來的教學實施過程證明，這一設計有效促進了協(xié)作任務的完成。

圖3 教與學活動流程

(四)學習資源制作與整合

通過對學習內(nèi)容的分解和學習活動的設計，教師可以形成教學資源清單，開始教學資源的制作，并根據(jù)學習活動設計的序列，對學習資源進行整合。

(五)學習環(huán)境設計

學習環(huán)境需要支持基于資源的學習、小組協(xié)作和師生、生生之間便捷交流。在本案例中，Moodle平臺和QQ群構成了信息化學習環(huán)境。各種教學資源通過Moodle教學平臺提供給學生進行學習。Moodle平臺中的討論區(qū)和QQ群是師生、生生交互的支持工具。QQ群中的交互具有很強的即時性，具有較高的靈活性和較快的響應時間。Moodle討論區(qū)則呈現(xiàn)較為系統(tǒng)的討論，包括QQ群討論的匯總和學會的典型問題等等。QQ交互的即時性還有助于提高學生在線學習的存在感，構建學習共同體。

七、總結

計算思維能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為了大學計算基礎課程改革的核心。軟件應用是計算機基礎課程的重要組成部分。探討如何在軟件應用教學中培養(yǎng)計算思維能力，對大學生特別是非計算機專業(yè)學生有著重要的實踐意義。計算思維涵蓋了信息技術領域蓬勃發(fā)展過程之中所形成的思維模式。這些思維模式具有一定的普適性。將計算思維的方法與設計思維的步驟相結合，圍繞計算思維對教學內(nèi)容進行重構，對教與學的過程進行系統(tǒng)化設計，可以最終形成有效的基于軟件應用的計算思維培養(yǎng)解決方案。

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林旺：副教授，研究方向為教育信息化(lw_cun@163.com)。

孫洪濤：高級工程師，博士，研究方向為遠程教育、教師專業(yè)發(fā)展(sunhtao@gmail.com)。

2014年8月12日

責任編輯：宋靈青

Instruction Design of Software Application Course to Computational Thinking Capability Cultivation

Lin Wang1, Sun Hongtao2
(1. School of Information Enginerring, Minzu University of China, Beijing 100081; 2. Educational Technology Center,Minzu University of China, Beijing 100081 )

It has been attached great importance to cultivate Computational Thinking(CT) ability in computer basis courses. Current research mainly focus on algorithm and programming. Few research involved software application courses. To explore the possibility to cultivate CT ability in these courses. This paper analysis the evolution of the definition of CT and instruction related research, and illustrate that CT process is problem solving supported by technology. To cultivate CT, software application courses can be designed through the prospective of activities based problem solving. This paper integrates the method of CT and steps of Design Thinking,proposes the principles of instruction design in software application for CT cultivation, and introduces detailed design process with a teaching case.

Computational Thinking; Design Thinking, Instruction Design

G434

A

1006—9860(2014)11—0122—06