数字土著何以可能？ ——也谈计算思维进入中小学信息技术教育的必要性和可能性
-
- -
本文由《中国电化教育》杂志授权发布
作者：任友群，隋丰蔚，李锋
摘要
随着现实世界与虚拟世界的不断融合，数字化和计算化逐渐演变成为现代社会的基本形态特征，计算 思维的作用和意义越来越突出，成为区分数字土著的重要标准，受到计算机和教育领域的广泛关注。该文通过梳 理国内外学术前沿成果，分析国际基础教育改革趋势，阐述了计算思维进入中小学信息技术教育的必要性，并结 合计算思维的内在特征和我国信息技术教育现状，归纳总结出计算思维教育在中小学信息技术课程落实的可行取 径及与之一致的能力评估方法。
关键词：数字土著；计算思维；中小学信息技术课程
一、数字土著的到来
现代科学的形成与发展不断改变着人们的生活方式，也逐渐转变着人们的认知结构与思维特征。利用计算机等数字工具拓展人类思维、处理问题事务是信息时代“数字移民”（Digital Immigrants）日常工作和生活中不可或缺的一部分，更是伴随数字技术成长起来的“数字土著”（Digital Natives）最为习惯的生存方式。2001年，美国Games2train公司CEO Marc Prensky首次提出数字土著的概念，界定其为在数字时代出生、成长起来的一代人[1]。北京师范大学余胜泉教授进一步剖析数字土著的基本特征是在丰富的信息技术环境中成长，对新技术的习得更具优势，并善于利用技术促进学习[2]。但是研究结果表明，并非所有的数字土著都对技术有着天生的能力，他们使用技术的方式、方法和熟练程度也存在着显著差异[3]。而那些仅停留在应用网络娱乐和社交的下一代其实是没有资格成为数字土著的。
数字技术无处不在，特别是随着物联网、云计算、人工智能等技术的快速发展和普及，现实世界与虚拟世界不断渗透融合，计算优势在很多行业领域都显示出变革性的意义。为了适应计算强度日益增加的信息社会，更好地认识和改造世界，人们就有必要深入地感知生活中的计算，理解计算机科学的基本知识。然而，由于多年来计算机科学在基础教育课程中的呈现核心内容并不稳定，或偏向于程序设计语言、或偏向于技术工具应用，很多人对计算的理解还停留于数值计算和工具操作层面，很少有机会能体验到计算机处理非数值型数据的过程和方法，获得对计算的基本理解，亦难以形成基于这种理解的计算思维方式。基于此，又何以能培养出合格的数字土著、抑或数字公民。
2005年6月，美国总统信息技术咨询委员会（President's Information Technology Advisory Committee，PITAC）在研究报告《计算科学：确保美国竞争力》（Computational Science：Ensuring America's Competitiveness）中提出，21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先进的计算科学与技术解决，应将计算科学长期置于国家科学与技术领域的中心地位[4]。计算科学的重要性与日俱增，学生对计算学科的兴趣却不断下降，这一矛盾引起了美国政府及相关部门的注意。2005年底至2006年初，美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）组织计算教育与科学相关领域专家深入探讨、分析了计算教育面临的诸多问题和挑战，如提高计算教育质量，增强学科连结，满足企业人才需求等，提出全面改革美国计算教育、强化训练中小学生抽象思维和写作能力的建议[5-7]。为满足国家信息化建设需求，吸引学科人才，激发人们探索计算领域的兴趣，2006年，卡内基梅隆大学周以真教授（Jeannette M. Wing）明确提出计算思维的概念，“计算思维是一种运用计算机科学基本概念求解问题，设计系统和理解人类行为的方式，涵盖了计算机科学领域广度的一系列思维工具”[8]。2010年，她再次补充定义计算思维是一种解决问题的思维过程，能够清晰、抽象地将问题和解决方案用信息处理代理（机器，或人）所能有效执行的方式表述出来[9]。
计算思维能够反映计算机科学的核心概念与思想，但它并不仅仅适用于计算机科学领域。作为一种解决问题的方法，计算思维可以提供一种能够广泛应用于工作、学习和生活中的组织和分析问题的新视角；同时，它可以连结计算机科学与其他学科知识领域，提高人们对计算能力和局限性的理解。计算思维淡化专业方法实现，强调运用计算概念、方法解决问题的思维过程，面向更广范围的需求，是帮助人们理解计算本质和计算机求解问题核心思想的最佳途径，亦是数字公民的一项核心素养。因此，我们认为，数字土著不是天生的，只有那些理解数字社会运作过程，理解计算本质的下一代才是真正的数字土著。21世纪是知识经济与信息技术高速发展的时代，随着数字化进程的不断推进，社会信息化程度进一步提高，计算思维的应用越来越广泛，必须像“阅读，写作，算术”一样普及，成为每个合格公民的必备素质。
二、计算思维的特征
笔者将近5年来相关研究机构和学术专家对计算思维的研究进行了梳理：
2011年，美国国际教育技术协会（International Society for Technology in Education，ISTE）联合计算机科学教师协会（Computer Science Teachers Association，CSTA）基于计算思维的表现性特征，给出了一个操作性定义：“计算思维是一种解决问题的过程，该过程包括明确问题、分析数据、抽象、设计算法、评估最优方案、迁移解决方法六个要素”[10]。
2012年，英国学校计算课程工作小组（Computing at School Working Group，CAS）在研究报告中阐述：计算思维是识别计算，应用计算工具和技术理解人工信息系统和自然信息系统的过程，是逻辑能力、算法能力、递归能力和抽象能力的综合体现[11]。
2013年，南安普顿大学John Woollard研究员在“计算机科学教育创新与技术”（ITiCSE）会议报告中提出计算思维“是一项活动，通常以产品为导向，与问题解决相关（但不限于问题解决）。它是一个认知或思维过程，能够反映人们的抽象能力、分解能力、算法能力、评估能力和概括能力，其基本特征包括思维过程，抽象和分解”[12]。
中国科学院自动化研究所王飞跃教授认为，“计算思维是一种以抽象、算法和规模为特征的解决问题之思维方式。广义而言，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；狭义而言，计算思维是数据驱动的思维过程”[13]。
分析上述定义，它们都强调了计算思维解决问题的能力特征。但是，分析维度又有所不同，ISTE和CSTA研究机构从可操作层面分析了计算思维解决问题的过程；CAS研究小组和John Woollard重点阐述了计算思维的人机交互特点和综合能力体现；王飞跃则整体概括了计算思维的基本特征和表现形式。
综合已有的研究成果，我们可以这样理解：计算思维是一种独特的解决问题的过程，反映出计算机科学的基本思想方法。通过计算思维人们可以更好地理解和分析复杂问题，形成具有形式化、模块化、自动化、系统化等计算特征的问题解决方案。它主要包括以下特征：（1）采用抽象和分解的方法形式化复杂问题，建立结构模型，形成更加高效、可执行的解决方案；（2）运用计算机学科基本概念与工具方法判断、分析、综合各种信息资源，强调个体与信息系统的交互思考过程；（3）是一种独特的问题解决能力组合，融合设计、算法、批判、分析等多种思维工具，综合运用可以形成系统化的问题解决方案。
三、国外基础教育改革对计算思维的引入
信息技术环境的变迁与学生素质的提高，对中小学信息技术教育提出了挑战，各国政府纷纷推出基础教育改革政策，以适应信息时代社会与人类自身发展的需要。
2007年，美国“21世纪技能合作组织”（Partnership for 21st Century Skills，P21）整合21世纪学习者应具备的基本技能，制定了“21世纪技能框架”（Framework for 21st Century Learning），阐明培养学生数字素养在现代社会的重要性[14]。2011年，CSTA发布《美国中小学计算机科学标准》（K-12 Computer Science Standards），提出一个完整的计算机教育框架[15]。该框架将计算思维、计算实践和编程纳入学科基本主线，帮助学生拓宽计算视野，理解计算机科学的基本原理和方法。NSF、ISTE、美国国家科学研究委员会（National Research Council，NRC）、CSTA计算思维工作小组（CSTA Computational Thinking Task Force）等多个研究机构对计算思维展开探索研究，为计算思维教育及推广提供资源和工具支持。
2012年1月11日， Gove在教育培训与技术展会（British Educational Training and Technology Show，BETT）上宣布将对英国中小学计算机教育展开全面改革。2012年3月，CAS（Computing at School Working Group，CAS）提出将计算思维作为“学校计算机和信息技术课程”的一项关键内容[16]。2013年2月，，统计结果显示，39%的反馈者表示支持将ICT更名为Computing，26%的反馈者不确定，35%的反馈者则表示坚决反对[17]。针对各界的批评建议，，于2013年9月11日正式颁布《国家课程：计算课程学习计划》（National Curriculum in England：Computing Programmes of Study）。该计划重新定义ICT，明确界定了计算机科学、信息技术与数字素养的领域范围，强调计算机科学的重要性，并阐述计算课程的课程目标是引导学生理解和应用计算机科学的基本原理和概念；使用计算术语分析问题，具备编写计算机程序求解问题的实践经验；评价和使用信息技术；成为有责任、有能力、有自信、有创造力的ICT使用者[18]。2014年6月，CAS深入分析计算思维的定义、核心概念、教学方法和评估框架，研制出计算思维培养框架，为中小学计算思维教育的开展提供指导作用[19]。
2009年， Context Knowledge and Skills）计划，提出包括“编程与计算机科学”在内的五项数字技术核心培养内容，该计划于2011年开始在中学课程中实施[20]。2012年，澳大利亚课程、评估与报告管理局（Australian Curriculum，Assessment and Reporting Authority，ACARA）发布“中小学技术学科课程框架”（The Shape of the Australian Curriculum：Technologies）[21]，将数字素养纳入学生基本能力要求，框架明确指出数字技术课程的核心内容是应用数字系统、信息和计算思维创造特定需求的解决方案。2014年4月，新加坡政府推动Code @ SG运动[22]，旨在发展全民计算思维。
可以看出，英国、美国等国家均已认识到技术应用取向信息技术课程的落后性，开始积极推动项目计划，将“计算科学”纳入中小学学科体系。数字素养与计算思维能力培养成为中小学信息技术教育的新趋势。
四、计算思维进入中小学信息技术教育的必要性
随着真实世界与虛拟世界的不断融合，数字化和计算化逐渐演变成为现代社会的基本形态特征。数字化社会对公民的基本素养提出了更高的要求，相较于早期的信息素养（Information Literacy），近年来，欧美发达国家更倾向于使用“Digital Competence”（我们暂且翻译为数字素养）一词，以凸显现代信息技术区别于以往信息技术（计算机出现之前广泛使用的电话、广播、电视等模拟通信技术）的数字化本质，“Competence”也更侧重于体现综合性能力与胜任力[23]。为了帮助学生正确地理解信息社会本质特征，创造性地使用信息技术，提升数字素养，成为合格的数字公民，计算思维能力培养成为信息技术教育的新趋势。数字素养不仅包括外在的数字化工具应用能力，也反映着内在的利用计算解决问题的思维过程。其中，数字化工具应用能力体现为人们在工作、就业、学习、休闲以及社会参与中，自信、批判和创新性使用信息技术的能力，强调人们在检索、获取、存储、制作、展示和交换信息的基础上，进行网络交互和合作[24]。计算思维教育也就不能只停留在信息技术工具的使用层面，它更注重引导学生接触计算机科学，理解技术背后的知识和原理，发展学生应用信息技术解决实际问题的能力。由于不同年龄段学生的认知能力不同，信息技术教育的能力培养方式和内容标准也应有所区别。小学阶段适合培养学生的数字化工具应用能力，尝试体验程序控制的自动化技术工具，学习简单的信息技术知识，培养信息意识；初中阶段在锻炼学生掌握基本信息技术技能的同时，应注重与生活情境相连结，引导他们接触一些计算机科学概念，将培养方式由形象化、具体化逐步转向抽象化、概念化；高中阶段则应培养学生发现问题，创造性地思考问题，以及清晰地表达解决方案的能力。从小学到高中，学生认知水平和思维能力不断提高，在适当逐渐降低信息技术教育中数字化工具应用能力培养所占比重的同时，可以适当提高计算思维能力培养所占比重（如下页图1所示）。其教育意义主要表现在：
（1）提高学生的信息技术知识与技能水平。在信息化和经济全球化深度融合的社会环境下，信息素养既表现为个人应用信息技术工具和方法处理信息、解决问题的能力，也表现在与他人进行信息合作时必要的计算机科学知识储备，计算思维正是这两种能力的综合体现。
（2）提高学生应用信息技术思考问题、解决问题的能力，而不是软件操作技能。现今，信息技术变革迅速，各种应用软件层出不穷。若逐一操练工具技能，只会使学生疲惫不堪，甚至被技术操控。为了提高学生对数字世界的理解能力，必须引导学生理解技术表象背后相对一致的算法原理，正确地看待技术，批判性地使用技术。
（3）提高学生的自主创新能力。通过发展计算思维，支持学生使用一系列的计算概念和方法处理数据，建构模型，创造现实作品，使学生不仅仅作为工具的使用者，也成为工具的创造者。
计算思维的作用和意义越来越突出，世界各国纷纷结合国情推出实施方案，确保它在中小学信息教育中落实。美国《中小学计算机科学标准》分阶段设计了计算思维的教学实施方案，建议在K-6年级，将学习内容设计成创造性和探究性活动，嵌入到社会科学、语言艺术、数学和科学课程中；7-9年级，学校可以根据情况开设独立的计算机课程，也可以整合学科内容到其他课程中；10-12年级以必修课的方式达成学习目标。与美国混合式教学不同，英国则采取独立开课模式。自1988年以来，信息技术课程就一直作为英国中小学生的必修课程。为顺应时代发展，该课程先后经历了从信息技术（Information Technology，IT）到信息通信技术（Information and Communication Technology，ICT），再到计算（Computing）的变革。，将课程要求划分为四个阶段：K-2年级，理解算法概念，能够创建和调试简单的程序等；3-6年级，编程解决实际问题，了解计算机网络，有效使用搜索技术等；7-9年级，理解几个反映计算思维的关键算法，掌握1-2门程序设计语言解决计算问题，熟悉计算机组成等；10-11年级，培养计算机科学、数字媒体和信息技术的知识、能力和创造力，发展问题分析、解决、设计和计算思维能力等。
五、计算思维进入我国中小学信息技术教育的可能性
中小学信息技术课程是信息技术教育的基本途径，应当顺应时代趋势，改变过度技术化取向[25]的现状，注重培养学生在信息化环境下解决实际问题的能力，发展学生的技术意识与思维方式。
（一）现状分析：中小学计算思维教育开展的软硬件基础
2000年以来，我国已经初步形成了以信息技术课程为主干的中小学信息技术教育体系。目前，100%的高中、95%的初中和50%的小学开设了信息技术课程。通过“校校通”工程、“农村中小学现代远程教育工程”等工程项目的实施，中小学信息化基础设施得到持续改善，整体上基本能满足信息技术教育的需要[26]。
在师资上，中小学信息技术课师资总量持续增长，生师比逐年下降，城乡差异逐渐缩小。截至2010年底，全国共有小学信息技术专任教师10.8万人，初中信息技术专任教师8.8万人，高中信息技术专任教师3.8万人[27]。，高中信息技术教师中具有本科以上学历，计算机、教育技术和数学相关专业教育背景的比例已达到90.9%。
学生方面，大多数高中生在小学和初中就学习过信息技术课程，其中高达44.3%的学生认为《信息技术基础》与初中所学内容的重复比例在20%-50%之间。非零起点的高中生占据了较大比例，但是他们对信息技术课程的认识仍多停留在操作层面[28]。
信息技术教育硬件条件逐步改善，教研队伍整体素质与能力持续增强，学生信息技术基础不断提升，为计算思维教育在中小学信息技术课程的开展奠定了基础。
（二）可行取径：中小学计算思维教育落实的策略方法
计算思维是一种运用计算概念和工具解决实际问题的过程（如下页图2所示）。
它是一种需要系统培养、锻炼的科学思维方式，分析其特征和我国信息技术教育现状，可以将计算思维从方法习得、工具应用、思维迁移三个层面与中小学信息技术课程融合并落实：
其一，方法习得。信息时代，计算方法渗透到了社会生产和生活的方方面面，为了帮助学生更好地理解和适应数字社会环境，信息技术课程的开设就不能只停留在肤浅的信息技能操练上，还需要帮助学生理解计算思维涵盖的一系列计算概念和方法，如递归、抽象、形式化等；引导学生识别隐藏在生活中的“计算”问题；培养学生运用算法思想高效解决问题的能力；锻炼学生使用流程图等工具清晰地表达个人思想等。
其二，工具应用。这里的工具是指能够有效帮助人们理解和解决问题的思维工具，而不是用于处理信息的软硬件应用程序。计算思维是一种独特的能力组合，它的强大正是在于运用了多种推理方式，尽而可以完成很多事情的研究和开发。如分析问题的过程运用到了设计思维，从发现问题、分析问题到原型迭代，帮助我们更加明确问题需求；解决问题的过程则主要运用了算法思维和批判思维，从而能够形成更加有效、高效的解决方案。信息技术课程应当注重培养学生综合运用多种思维工具解决问题的能力，例如，让学生参与简单的产品研发实践，体验程序设计的实施过程，直观地感受计算思维。
其三，思维迁移。在信息技术课程中，不仅需要普及计算机科学概念，更需要引导学生将计算思维合理地应用至日常生活与学习之中，形成一种思维习惯。计算思维反映了计算机科学领域解决问题的思维过程，迁移到应用信息技术解决实际问题的情境中，主要表现为问题分析、工具选择、自动化解决方案、选择最优方案和通用解决方案可以通过运用这五大要素举例分析日常生活中真实的问题情境，让学生体验使用计算思维求解问题的一般过程和方法，最终达到能够在实际问题中灵活地迁移和应用计算思维的目标。
（三）理论实践：理解计算思维与程序设计的内在联系
计算思维包含了一系列计算机科学思想，而这些概念方法最为直观的理解和表达方式就是程序设计语言。NRC计算思维工作小组在研究报告（Report of a Workshop on the Scope and Nature of Computational Thinking）[29]中提出，计算思维与其他基本能力（阅读、写作、说话、算术）一样，都是为了描述和解释宇宙中复杂的问题情境。正如语言素养不只是写作，计算思维也不仅仅是程序设计，但程序设计作为一种理解和表达计算思维的方式，是发展计算思维的一个重要切入点。现今，Scratch、Blockly、Kodu等可视化编程工具日益丰富，极大地降低了学生参与程序开发的难度。特别是在高中阶段，学生已经有了非常好的形式运算能力，完全可以胜任程序设计任务。信息技术课程培养学生计算思维的一个重要目标是帮助学生理解计算本质，解决实际问题，而不是灌输计算理论。鉴于此，我们建议采用基于项目的教学策略，引导学生参与真实的项目实践，体验从分析问题、程序创造到形成解决方案的完整流程，推进学生整体思维能力的提升。在项目实践过程中，学生不仅能够直接、频繁地接触计算思维的概念和方法，进一步理解程序和算法的本质特征，感受程序语言文化，发展计算思维，还可以提高自主创新能力。2012年，美国宾夕法尼亚大学Yasmin B. Kafai教授将美国中小学鼓励创建和分享编程制品的程序设计教学实践归纳为“社会化转向”趋势，提出以“社会化转向”为特征的计算参与是培养学生计算思维的新范式[30]。随着社会的进步，微积分、程序算法等“高端”知识逐步向中小学迁移是人类发展的趋势。
（四）能力评估：构建与课程目标一致的评价体系
设计与课程内容相适应、可操作的能力评估方法是实现课程目标的重要保障。目前，标准化测试是中小学阶段普遍使用的学业评价方式，结合计算思维能力培养特点，笔者建议从原理理解和项目实践两方面构建评价体系，综合评估学生的思维水平。其中，原理理解旨在评判学生对计算思维相关概念和方法的理解程度，包括识别、分析计算问题，采用抽象、分解等方法处理复杂任务等，其评价方式可以沿用标准化测试方法，借助概念图、流程图等工具，可视化学生的思维过程；项目实践则重点鼓励学生参与计算，通过设计、开发应用软件，分析数据，抽象真实问题，建立计算模型等，感受在真实情境中运用计算思维解决问题的过程，其评价标准可以依据实际项目成果。
计算思维能力培养在中小学信息技术课程中落实，不仅需要考虑物理环境、师资力量、教学策略与评估方法，还需要注意以下问题：第一，控制课程难度。信息技术课程内容的选择，既要引导学生理解计算本质，还要遵循“注意课程内容的基础性，课程内容应贴近生活，与学生和教育的特点相适应”的一般原则[31]；第二，增强偏文科类学生的计算意识。计算思维不仅仅是程序设计，更不仅仅属于理工科取向的学生。对于偏文科类的学生而言，能够有意识地尝试运用计算机程序解决实际问题，理解数字社会运转的运作过程也是掌握计算思维的体现；第三，提升信息技术教师专业素养。计算思维的引入对信息技术教师提出了更高的能力要求，使得原来的教师可能难以胜任新的教学内容。因而，建立完善的信息技术教师准入制度，加大信息技术教师的培训力度，提升信息技术教师的专业素养至关重要。
六、结束语
生活在数字化、计算化和程序化的社会环境中，工具软件的操作已经成为每个人的基本技能。随着现代计算的发展和普及，每一位合格的数字公民都有必要不断提高自身信息素养和自主创新能力，理解计算的本质特征，做到可以灵活运用计算工具和方法解决问题。中小学信息技术课程是信息技术教育的基本途径，应当顺应时代特征，承担起发展学生计算思维的重要任务，培养真正的数字土著。因此，如何有效嫁接计算思维和中小学信息技术课程，设计与之相一致的能力评估方法是信息技术教育亟待解决的问题。面对这些问题，笔者认为，中小学信息技术课程既不能脱离理论层面，也不能停留在工具层面，可以采用方法习得、工具应用和思维迁移相结合的策略落实计算思维教育，并从原理理解和项目实践两个维度综合评估计算思维能力水平，实现计算思维和中小学信息技术课程的全面融合。计算思维教育的实施还存在着很多困难和挑战，但随着国家信息化战略发展的需要，计算思维在基础教育的重要性将会更加突出，成为中小学信息技术课程的核心目标。
作者简介：任友群：教授，博士生导师，研究方向教育技术、学习科学、课程与教学论（yqren@admin.ecnu.edu.cn）；隋丰蔚：在读博士，研究方向为教育技术、学习科学（51140104051@student.ecnu.cn）；李锋：博士，副教授，研究方向为信息技术教育、课程与教学论（fli@srcc.ecnu.edu.cn）。
转载自：《中国电化教育》2016.1 总第348期 ：2-8 （参考本刊文章必须注明出处）
排版、插图来自公众号：MOOC（微信号：openonline）
本文编辑：慕编组成员（小端午）
友情链接