呂國卿

摘要：計算思維作為一種新的學(xué)科思維方式，受到了國內(nèi)外計算界的廣泛關(guān)注。培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力是高中信息技術(shù)課程的重要組成部分。本文探討了計算思維的特點和計算思維在問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解上的應(yīng)用，為計算思維背景下的教學(xué)模式提供參考。

關(guān)鍵詞：計算思維問題求解系統(tǒng)設(shè)計

一、計算思維的內(nèi)涵

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機系主任周以真教授在美國權(quán)威期刊給出了計算思維的定義：“運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題的求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。”計算思維能力是計算機學(xué)科中基本的特征，同時也是解決問題的核心方法。在高中信息技術(shù)教學(xué)實施過程中，通過學(xué)生在具體的問題解決過程中，對具體問題進行具體分析和解決，能夠培養(yǎng)學(xué)生處理計算機問題時具備有效的思維方式、表達形式及行為習(xí)慣等。

二、計算思維的特點

21世紀是信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，信息技術(shù)的使用和發(fā)展給人們的生活帶來了巨大的變革。信息技術(shù)不僅在聲影技術(shù)等方面給教育教學(xué)實踐帶來了巨大的便利，同時也給人們的計算帶來了巨大的革命性的超越。計算思維可以概括為以下幾點：

1.思維的產(chǎn)物

思維是人腦對客觀世界的本質(zhì)及其內(nèi)在聯(lián)系等的間接概括和反應(yīng)，屬于認知過程或心理活動。思維活動的載體是語言和文字，在語言和文字表達的基礎(chǔ)上，通過遵循一定的格式，即需要按照一定的語法和語義規(guī)則表達才能夠被他人所理解。在獲得相應(yīng)的表達方式的基礎(chǔ)上，為了讓他人相信自己的思維結(jié)論，還需要通過大量的研究和材料、證據(jù)等來證明，以使他人能夠遵循你的思維形式去運用和實踐。因此，計算思維是人的思維活動的產(chǎn)物。

2.數(shù)學(xué)和工程思維的產(chǎn)物

計算機科學(xué)其運行本質(zhì)源自數(shù)學(xué)思維，與其他科學(xué)的構(gòu)成類似，都是建立在一定基礎(chǔ)科學(xué)之上的。而計算機思維與工程思維又有著本質(zhì)性的聯(lián)系，計算系統(tǒng)的建構(gòu)是需要與實際問題展開具體互動的系統(tǒng)，系統(tǒng)的基本計算功能迫使計算機科學(xué)家們必須通過計算性地思考去分析和理解問題，而不是單純地數(shù)學(xué)計算。因而，計算思維是一種概念化的形式而不僅僅是單純地程序化的內(nèi)容。

3.能動的

計算思維是人類在問題求解過程中尋求到的一條問題解決的有效路徑，人類賦予計算機以激情和能動的效果，讓計算機在人的思維模式的驅(qū)動下，開展豐富的、生動的問題解決過程。因此，計算思維不是計算機思維，它是人的思維活動的產(chǎn)物，伴隨著人的思維能動性而產(chǎn)生，并隨著人類思維的發(fā)展而發(fā)展。

三、計算思維的應(yīng)用

1.在問題求解中滲透計算思維

【案例1】選定一個1000以內(nèi)的自然數(shù)，接著回答10個問題，只需要回答是或否，然后系統(tǒng)會猜出你的那個數(shù)。

啟發(fā)學(xué)生一步步的對折對半對半，逼近所需的答案。為什么需要問10個問題？因為數(shù)的范圍是1-1000，2的10次方是1024，超過1000。進而逐漸引出計算機中的二分查找算法，并進行算法設(shè)計，然后進行編程實現(xiàn)。在學(xué)生對問題的自主思考、問題合作討論、具體探究的過程中，有效地滲透計算思維。

【案例2】有一座城市需要鋪路，要求：每棟房子都能沿著鋪好的道路到達其它所有的房子，用的磚數(shù)最少?，F(xiàn)有5棟房子（如圖a），哪些路是必須要鋪上磚的？最少多少塊石磚？

把5棟房子化簡成5個節(jié)點（如圖b），A、B、C、D、E，然后節(jié)點之間作連線，連線的數(shù)字代表我們鋪磚所用的石磚數(shù)，鋪磚問題就變成圖論中的最小路徑問題，通過計算路徑的值，來比較哪條路徑用的磚數(shù)最少，最終得到解決方案。

一個城市有成千上萬的房子，城市的各種市政管網(wǎng)規(guī)劃，公共交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，物流的最小成本分析，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)等設(shè)計。如果用人腦去思考怎么分配，是不現(xiàn)實的。用計算機學(xué)科的方式去思考此類問題，就能方便地解決。

以上兩個例子，是在問題求解過程中滲透計算思維，首先建立問題模型，然后根據(jù)模型設(shè)計相應(yīng)的算法，有了算法就可以編程實現(xiàn)，然后由計算機自動完成。

2.在系統(tǒng)設(shè)計中運用計算思維

【案例3】警察局抓了a、b、c、d四名偷竊嫌疑犯，其中只有一人是小偷。a說我不是小偷;b說c是小偷;c說小偷肯定是d，d說c是冤枉人;已知四個人中三人說的是真話，一人說的是假話，到底誰是小偷？

※問題分析：依次假設(shè)每個人都是小偷的情況，然后一一代入以上4句話，依次檢驗已知條件“四個人中三人說的是真話，一人說的是假話”是否成立，如果成立，那么對應(yīng)的假設(shè)成立，小偷找到。

※形式化：將a、b、c、d四個人進行編號為1、2、3、4。將變量x存放小偷的編號，依次將x=1，x=2，x=3，x=4代入問題系統(tǒng)。a說：x<>1;b說：x=3;c說：x=4;d說：x<>4;四個邏輯式的值相加1+1+1+0=3。

※程序?qū)崿F(xiàn)

For x=1 to 4

If （x<>1）+（x=3）+（x=4）+（x<>4）=3 Then

Print x &”是小偷?！?/p>

Next x

在系統(tǒng)設(shè)計的時候計算機學(xué)科如何進行思維呢？將系統(tǒng)中的交換過程映射為符號變換（即形式化），然后就可以用計算機進行處理。在遇到問題時要思考能否進行形式化，如何進行形式化。

3.在人類行為理解中的計算思維

在某個網(wǎng)站購買一本書后，這個網(wǎng)站會推薦跟這本書相類似的商品或相關(guān)聯(lián)的商品。當(dāng)你買一件衣服，它就會推薦跟這件衣服風(fēng)格相同的衣服或者配飾。這些網(wǎng)站是怎么知道用戶有可能喜歡此類商品？它們在研究人類的購物行為，用戶曾經(jīng)購買過什么商品，對什么商品關(guān)注過、放過購物車，然后找出跟用戶興趣相關(guān)聯(lián)的商品。

計算思維能夠通過計算手段來研究人類的行為，判斷人類的思維活動，研究人類的行為概率和趨勢。

四、計算思維在教學(xué)實踐過程中存在的問題

隨著教育技術(shù)的發(fā)展，計算思維在教育實踐中的需求越來越明顯，但計算思維教育在教學(xué)實施的過程中，難以得到有效的引領(lǐng)和實施。教師對計算思維的理解不夠，導(dǎo)致缺乏相關(guān)的意識，在傳統(tǒng)思維慣性引導(dǎo)下關(guān)注的重點還是知識點的講解。教師缺少相應(yīng)的教學(xué)方法，尤其是缺少教學(xué)過程中的問題設(shè)計，缺少能促進學(xué)生思考的方法。以算法教學(xué)為例，教師的教學(xué)目標是明確的，就是盡快地讓學(xué)生掌握算法，但缺少讓學(xué)生進一步思考算法形成背后的思想以及算法表達美感的沖動。在計算機教學(xué)規(guī)劃和設(shè)計中，反應(yīng)計算思維的課程內(nèi)容體系缺乏。

五、小結(jié)

在高中信息技術(shù)課程中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，是信息技術(shù)課程改革的一條新思路，有利于信息技術(shù)課程形成穩(wěn)固的核心價值。在教學(xué)實施的過程中，教師應(yīng)有效滲透計算思維，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定堅實的思想基礎(chǔ)，使學(xué)生在將來的學(xué)習(xí)實踐中能夠創(chuàng)造性地運用計算思維去分析和解決實際生活中的問題，為計算機科學(xué)提供可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)用型人才。

參考文獻：

①計算思維[J].周以真.中國計算機學(xué)會通訊.2007.3（11）

②計算思維——行進中的挑戰(zhàn)[J].王榮良，盧文來中國信息技術(shù)教育.2017（06）

③培養(yǎng)計算思維的高中信息技術(shù)校本課程研究[J].曹曉明，安娜.現(xiàn)代教育技術(shù).2018（07）