信息技术课程中的计算思维

高中信息技术课程中的计算思维牟琴高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程标准2003高中信息技术课程中的计算思维确定问题—搜索信息—处理信息—解决问题—归纳思想1.知识与技能了解概念—应用工具2.过程与方法3.情感态度与价值观形成信息思想—适应数字化发展最终形成：提升学生的信息素养作为课程总目标信息技术课程的要求高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维信息加工与表达信息的获取信息资源管理信息技术与社会信息技术基础信息处理与交流高中信息技术课程中的计算思维算法与程序设计计算机解决问题的基本过程面向对象程序设计语言初步算法例举高中信息技术课程中的计算思维多媒体技术应用多媒体技术与社会生活多媒体信息采集与加工多媒体信息表达高中信息技术课程中的计算思维网络技术应用因特网应用网站设计与评价网络技术基础高中信息技术课程中的计算思维数据管理技术数据库应用系统数据库建立使用与维护数据管理基本知识高中信息技术课程中的计算思维人工智能初步知识及其表达推理与专家系统人工智能语言与问题求解高中信息技术课程中的计算思维一、《标准》不清晰的地方能力目标强调：学生利用信息技术解决问题的能力和技术的思想方法，但是能力特征不显著，思想方法不清晰。其一，信息技术课程的能力特征不显著。分析课程目标中的利用信息技术解决问题的过程，可以看出该过程不仅能够在信息技术课程中得以实施，同样也可以在其它课程中得以发展。Eg：“义务教育语文课程标准”就明确提出“为解决学习与生活中的相关问题。学生要能够利用图书馆、网络等信息渠道获取资料，初步了解查找资料和运用资料的方法”的学习要求在信息技术课程中，缺少了信息技术解决问题的独特方法，也就失去了其内在的特有价值。高中信息技术课程中的计算思维其二，信息技术的思想方法不清晰。尽管《课程标准》中多次提到“信息技术基本思想与方法”的学习要求。Eg：“了解使用数据库管理信息的基本思想与方法”“掌握面向对象程序设计语言的基本思想与方法”“解释多媒体信息采集的基本工作思想”等。但是这些思想方法的内在含意是什么？它们有哪些异同、又有什么样的表现性特征？在随后的实施建议和评价建议中都没有作进一步的解释和说明，缺少了对核心术语的清晰解释和表现性说明，所谓的技术思想方法的学习目标也就只能停留于课程标准的文本之中。高中信息技术课程中的计算思维二、信息、技术课程内在价值的教学内容“简单化”分析《课程标准》的整体目标，信息技术课程的内在价值主要还是反映在培养学生利用信息技术解决问题的能力和信息技术思想方法上。从教学内容来看，无论是解决问题能力的培养，还是信息技术思想方法的养成，都离不开具体实践活动。《课程标准》所建议的“教科书内容密切联系实际，结合学生的现实生活与学习实践以及当地的社会发展，适度设置真实性的学习任务、典型案例或研究性课题”。现状调研表明，反映信息技术内在价值的教学内容却还存在着“步骤化”和“程序化”的不足。高中信息技术课程中的计算思维具体表现为：其一，“能力培养”简化为“步骤学习”将信息技术解决问题的过程固化为几项基本活动步骤，利用信息技术解决问题能力也就简化成了活动步骤的学习。事实上，现实生活中的信息问题不仅包括结构性问题，也包括非结构性问题和半结构性问题。固化的活动步骤不仅不利于学生对非结构和半结构问题的理解，反而会封闭学生信息技术的创新意识。其二，“思想方法”简化为“程序设计”由于《课程标准》并没有对信息技术思想方法进行清晰的表述，这在一定程度上也弱化了技术思想方法的培养，给教学内容的安排设置了误区。其中一些算法与程序设计的教科书过于强调变量、函数、语句结构等编程语言和程序结构的技能，忽视了其内在的“算法思想”（例如模型建设、数据抽象等）的渗透。课程标准中所要求的“学生进一步体验算法思想，了解算法在解决问题过程中的地位和作用”也就很难得以实现。高中信息技术课程中的计算思维三、信息技术课程内在价值实施方法的“形式化”信息技术课程的内在价值主要是通过学校的日常教学得以实现的，教学方法的设计与实施直接影响着课程内在价值的落实。《课程标准》在教学实施建议中也提出“信息技术课堂教学中，要通过问题解决的活动激发学生的学习动机，发展学生的思维能力、想象力以及自我反思与监控的能力”。但是课堂观察却发现其一：“教师讲，学生练”依然是教学组织的主导方式，“技术操练式”的教学方法依然为教师所倚重即使是在探究性活动过程中，教师更多的也是分步骤地将探究问题、解决过程、方法策略，乃至作品案例呈现给学生。当学生作品呈现出“千篇一律”的格式时，发展学生的思维能力、想象力、自我反思与监控能力也就无从说起。高中信息技术课程中的计算思维其二：技术思想方法的活动还流于形式。尽管一些教师也希望在课堂教学中开展基于真实情境的问题探究活动，引导学生体验信息技术的内在方法特征，发展学生信息技术的思想方法，借以落实信息技术课程的内在价值。但是，由于受课时结构、学校教学资源的限制，大部分探究性学习活动也还停留于肤浅化的表面。教学过程过于注重学习活动的组织形式，忽视学生的学习实效，过于强调活动过程的外在表象，弱化学生信息技术实质方法的思考，这也就导致了“为探究而探究，为活动而活动”的学习假象。高中信息技术课程中的计算思维信息技术课程所表现出的内在价值的现实问题既受当时社会需求的影响(21世纪初期，信息技术课程主要还是处于“信息扫盲阶段”)，也局限于人们对信息技术属性特征认识的不足。近年来，随着信息技术应用普及和课程研究的深入，越来越多的学者对信息技术课程内在价值的具体性和教学的可操作性进行了深入的探讨。高中信息技术课程中的计算思维如何体现信息技术课程的价值呢？西蒙·派珀特高中信息技术课程中的计算思维西蒙的最著名的成就之一是于1968年发明的LOGO编程语言（LOGOprogramminglanguage）。1970年与其同事合著了人工智能著作《认知器演算法》(Perceptrons)。自20世纪70年代开始，他一直致力于通过LOGO语言帮助儿童成为他们自己“智力建设”的建设者。在其1980年出版的著作《头脑风暴：儿童、计算机及充满活力的创意中，他系统阐述了自己的建构主义观Learningbymaking，在他看来，好的教育不是如何让老师教得更好，而是如何提供充分的空间和机会让学习者去构建自己的知识体系。西蒙·派珀特把计算机作为帮助学习者形成算法、解决问题并在此过程中学习和锻炼智力的强有力的工具。当我们还在讨论要不要将电脑进入课堂，要不要上网的时候，西蒙与其麻省理工的同仁已经将触角伸向了更深的更高的层次：问题不是要不要，而是要如何实现“人手一本”，也即“一个孩子一台笔记本电脑”。高中信息技术课程中的计算思维高中信息技术课程中的计算思维1981年，前苏联计算机教育学家叶尔肖夫就曾预言“人类必将会生活在一种程序设计的世界里。在这个世界里，人类文化与程序设计不仅并行存在，而且会相互联系，融合为一种全新的人类思想”。王吉庆——《信息素养论》记载高中信息技术课程中的计算思维数字程序计算高中信息技术课程中的计算思维人们生活与学习数据抽象和自动化处理高中信息技术课程中的计算思维计算思维的提出JeannetteM.Wing,ComputationalThinking,CommunicationsofACM,Vol.49,No.3,2006,pp.33-35.卡内基梅隆大学教授、ACMFellow，IEEEFellow，兼任美国国家科学基金会主管计算机与信息科学与工程学部的副主任高中信息技术课程中的计算思维25/45计算思维(ComputationalThinking，CT)周以真认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。高中信息技术课程中的计算思维26/45针对上述定义解释如下：①求解问题中的计算思维利用计算手段求解问题的过程是：首先要把实际的应用问题转换为数学问题，可能是一组偏微分方程，其次将PDE离散为一组代数方程组，然后建立模型、设计算法和编程实现，最后在实际的计算机中运行并求解。前两步是计算思维中的抽象，后两步是计算思维中的自动化。高中信息技术课程中的计算思维27/45②设计系统中的计算思维R.Karp认为：任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量和信息的交换，这种交换可以映射为符号变换，使之能用计算机进行离散的符号处理。当动态演化系统抽象为离散符号系统后，就可以采用形式化的规范描述，建立模型、设计算法和开发软件来揭示演化的规律，实时控制系统的演化并自动执行。高中信息技术课程中的计算思维28/45③理解人类行为中的计算思维王飞跃认为(中科院)：计算思维是基于可计算的手段，以定量化的方式进行的思维过程。计算思维就是应对信息时代新的社会动力学和人类动力学所要求的思维。在人类的物理世界、精神世界和人工世界等三个世界中，计算思维是建设人工世界需要的主要思维方式。利用计算手段来研究人类的行为，可视为社会计算，即通过各种信息技术手段，设计、实施和评估人与环境之间的交互。波尔普的三个世界观点高中信息技术课程中的计算思维29/45计算思维的本质抽象(Abstract)、自动化(Automation)。它反映了计算的根本问题，即什么能被有效的自动进行。计算是抽象的自动执行，自动化需要某种计算机去解释抽象。从操作层面上讲，计算就是如何寻找一台计算机去求解问题，隐含地说就是要确定合适的抽象，选择合适的计算机去解释执行该抽象，后者就是自动化。高中信息技术课程中的计算思维30/45计算思维与计算机的关系计算思维虽然具有计算机的许多特征，但是计算思维本身并不是计算机的专属。实际上，即使没有计算机，计算思维也会逐步发展，甚至有些内容与计算机没有关系。但是，正是由于计算机的出现，给计算思维的发展带来了根本性的变化。高中信息技术课程中的计算思维把计算机科学提升到科学思维层面进行研究被认为是近十年来产生的最具有基础性、长期性的学术思想，将成为21世纪计算机科学研究的热点高中信息技术课程中的计算思维为什么计算思维的提出得到如此高的评价呢？高中信息技术课程中的计算思维计算思维在美国产生的背景(1)1.2005年6月美国的PITAC报告2005年6月，美国总统信息技术咨询委员会（PITAC）给美国总统提交了报告《计算科学：确保美国竞争力》（ComputationalScience:EnsuringAmerica’sCompetitiveness）。(1)报告写道：①虽然计算本身也是一门学科，但是其具有促进其他学科发展的作用。②二十一世纪科学上最重要的、经济上最有前途的研究前沿都有可能通过熟练的掌握先进的计算技术和运用计算科学而得到解决。(2)报告认为：①如今美国又一次面临了挑战，这一次的挑战比以往来得更加广泛、复杂，也更具长期性。②美国还没有认识到计算科学在社会科学、生物医学、工程研究、国家安全，以及工业改革中的中心位置。③这种认识不足将危及美国的科学领导地位、经济竞争力以及国家的安全。(3)报告建议：将计算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。33高中信息技术课程中的计算思维计算思维在美国产生的背景(2)2.2005年底至2006年初美国四大区的报告及建议(1)针对“计算学科与日俱增的重要性与学生对计算学科兴趣的下降”，美国NSF组织了计算教育与科学领域，以及其他相关领域的专家分四个大区（东北、中西、东南、西北）进行研讨，形成四份重要报告：①ReportofNSFWorkshoponIntegrativeComputingEducationandResearch(ICER)NortheastWorkshop②ReportofNSFMidwestRegionWorkshoponICER:PreparingITGraduatesfor2010andBeyond③ReportfromtheSout