高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維分析

1、高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維分析*基金項(xiàng)目：甘肅省普通高中新課程“信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)改革研究與實(shí)驗(yàn)基地”項(xiàng)目；西北師范大學(xué)青年教師科研能力提升計(jì)劃骨干項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：SKQNGG11034）張學(xué)軍，郭夢婷，李華（西北師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）摘 要計(jì)算思維可以讓學(xué)生以一個(gè)多元化的視角用信息技術(shù)學(xué)科思維方式理解信息世界，解決目前信息技術(shù)課程發(fā)展所面臨的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足等突出問題，進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)課程的改革與重構(gòu)。實(shí)際上計(jì)算思維隱藏于現(xiàn)有的高中信息技術(shù)課程之中，只是沒有聚焦于它。該研究從基于“偉大的計(jì)算原理”的計(jì)算思維概念框架、計(jì)算思維操作性定義兩個(gè)視角來分析高中信息技

2、術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維。計(jì)算思維概念框架涉及計(jì)算、抽象、自動(dòng)化、設(shè)計(jì)、通信、協(xié)作、記憶、評(píng)估共八個(gè)維度，計(jì)算思維操作性定義涉及用計(jì)算思維解決問題過程的詳細(xì)可操作步驟。研究采用了大量的、翔實(shí)的案例，對高中信息技術(shù)課程一個(gè)必修模塊、五個(gè)選修模塊蘊(yùn)含的計(jì)算思維進(jìn)行了深入細(xì)致的分析。對于高中信息技術(shù)課程而言，能夠充分挖掘出各個(gè)模塊內(nèi)容中蘊(yùn)含的計(jì)算思維，是有效實(shí)施計(jì)算思維教育的關(guān)鍵和前提。關(guān)鍵詞信息技術(shù)；計(jì)算思維；概念框架；可操作性定義；案例分析中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A作者簡介 張學(xué)軍（1968-），男，甘肅會(huì)寧人。教授，博士，主要從事數(shù)字化教育資源設(shè)計(jì)與開發(fā)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育研究。E-ma

3、il: xjzhang99。一、問題的提出2006年，美國周以真教授首次提出“計(jì)算思維”：計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。1這一概念的提出引起了國際社會(huì)的共鳴，同時(shí)，也引發(fā)了國內(nèi)學(xué)者對信息技術(shù)課程重構(gòu)與改革的思考。2000年，教育部召開的“全國中小學(xué)信息技術(shù)教育工作會(huì)議”中決定：將信息技術(shù)教育課程列為中小學(xué)的必修課程。2003年，教育部頒布的普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）(以下簡稱課程標(biāo)準(zhǔn))將提升學(xué)生信息素養(yǎng)作為普通高中信息技術(shù)課程的總目標(biāo)，進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)課程的發(fā)展。2但是近年來隨著信息技術(shù)課程實(shí)施及技術(shù)的

4、發(fā)展，信息技術(shù)課程在教學(xué)內(nèi)容和具體目標(biāo)上都呈現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性，多元化培養(yǎng)趨勢日益明顯。計(jì)算思維作為與理論思維（以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表）、實(shí)證思維（以物理學(xué)科為代表）并稱的三大科學(xué)思維之一，3逐漸被部分國家定為信息技術(shù)課程的核心培養(yǎng)目標(biāo)。2008年美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）將“計(jì)算思維”與“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”課程綁定在一起，并明確要求講授計(jì)算思維的本質(zhì)。42011年，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)（CSTA）把計(jì)算思維培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的主要課程目標(biāo)。52013年，英國教育部將原有的國家課程方案中的ICT課程改名為計(jì)算課程，并將計(jì)算思維作為新課程的核心目標(biāo)。62010年，國內(nèi)首屆“九校聯(lián)盟計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”

5、(C9會(huì)議)發(fā)表了聯(lián)合聲明，把培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)和目標(biāo)。7近年來，國內(nèi)一些重點(diǎn)大學(xué)也將計(jì)算思維的知識(shí)作為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)或計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。但這些研究與實(shí)踐大都是關(guān)于高校計(jì)算機(jī)教育中的計(jì)算思維，對中小學(xué)信息技術(shù)課程中所蘊(yùn)含的計(jì)算思維進(jìn)行系統(tǒng)研究較少。實(shí)際上計(jì)算思維隱藏于現(xiàn)有的高中信息技術(shù)課程之中，只是課程標(biāo)準(zhǔn)未能聚焦到它身上。對于由一個(gè)必修模塊、五個(gè)選修模塊組成的高中信息技術(shù)課程而言，所涵蓋的內(nèi)容涉及大量的“抽象與自動(dòng)化”的內(nèi)容，而“抽象”與“自動(dòng)化”正是周以真教授提出的計(jì)算思維的本質(zhì)所在。挖掘高中信息技術(shù)課程所蘊(yùn)含的計(jì)算思維，可以為基于計(jì)算思

6、維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)課程改革提供有力的參考依據(jù)。二、計(jì)算思維與信息技術(shù)課程的關(guān)系1計(jì)算思維體現(xiàn)了信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價(jià)值目前，國內(nèi)對信息技術(shù)課程價(jià)值的研究表述，大都是趨于泛化的“信息素養(yǎng)核心價(jià)值”論，關(guān)于“信息技術(shù)課程內(nèi)在價(jià)值”論述的研究較少。信息技術(shù)課程是一門以計(jì)算機(jī)為核心工具的課程，具有較強(qiáng)的抽象性、邏輯性和思維性，需要學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式來解決問題。課程標(biāo)準(zhǔn)中對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，雖然強(qiáng)調(diào)了培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題的思想方法，但卻并沒有明確地體現(xiàn)信息技術(shù)課程的內(nèi)在價(jià)值。全國中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心李鋒博士明確提出計(jì)算思維是信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價(jià)值。計(jì)算思維作為信息技術(shù)課程中集“邏輯

7、能力、算法能力、遞歸能力、抽象能力”為一體的解決問題的方式，無論從技術(shù)方法層面、社會(huì)需求層面還是個(gè)體心理發(fā)展層面，都以一種獨(dú)特的思維方式引導(dǎo)學(xué)生理解信息社會(huì)，提高學(xué)生信息技術(shù)運(yùn)用的批判能力、自我調(diào)節(jié)能力。8發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)解決問題的能力充分體現(xiàn)了信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價(jià)值。92計(jì)算思維解決了信息技術(shù)課程的學(xué)科思維問題學(xué)科思維是區(qū)分學(xué)科邊界、表征學(xué)科獨(dú)立以及成熟的重要標(biāo)志，信息技術(shù)想要作為一門學(xué)科獨(dú)立存在，就一定要有自己的學(xué)科思維。10對此，祝智庭教授也指出：面對不斷變化的信息化世界，計(jì)算機(jī)課程不是要把學(xué)生都培養(yǎng)成為程序設(shè)計(jì)專家，而是希望學(xué)生要具備信息技術(shù)學(xué)科的思維方式，正

8、確理解計(jì)算機(jī)和人與社會(huì)的關(guān)系。11隨著數(shù)字化社會(huì)的不斷推進(jìn)，各類電子產(chǎn)品在日常生活中逐漸普及，小到手機(jī)大到各種生產(chǎn)設(shè)備，計(jì)算思維已經(jīng)成為人們理解問題、分析問題、解決問題必需具備的思維方式。對于信息技術(shù)課程而言，計(jì)算思維就像人們閱讀、寫字、做算法一樣，是信息技術(shù)學(xué)科最基礎(chǔ)、最適用、不可缺少的基礎(chǔ)思維方式。123.計(jì)算思維是信息技術(shù)課程改革的助推劑從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，國外的信息技術(shù)課程改革英國以培養(yǎng)計(jì)算思維為主，美國傾向于多元化目標(biāo)，目標(biāo)之一計(jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算思維緊密相關(guān)。在國內(nèi)，張麗霞等研究了基于數(shù)字化生存能力的信息技術(shù)課程目標(biāo)的重構(gòu)，13吳向東等提出了“技術(shù)文化”一體的新型信息技術(shù)課程框

9、架并在小學(xué)進(jìn)行了實(shí)踐，14李藝等提出應(yīng)著眼于學(xué)科思想投射視角來重構(gòu)信息技術(shù)課程。15考察國內(nèi)外信息技術(shù)課程的發(fā)展歷程，它大體經(jīng)歷了“面向?qū)W科知識(shí)”、“面向?qū)W科工具”和“面向?qū)W科思維”的課程開發(fā)取向。16計(jì)算思維作為面向信息技術(shù)課程的學(xué)科思維，可以讓學(xué)生以一個(gè)多元化的視角用信息技術(shù)學(xué)科思維方式理解信息世界，解決目前信息技術(shù)課程發(fā)展所面臨的學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足等突出問題，進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)課程的改革與重構(gòu)。三、計(jì)算思維的分析視角1. 基于“偉大的計(jì)算原理”的計(jì)算思維概念框架“偉大的計(jì)算原理” 提出者美國ACM 前主席Peter J. Denning認(rèn)為，計(jì)算原理可以被歸為七個(gè)類別。美國Settle和

10、Perkovic基于Denning的七個(gè)偉大計(jì)算原理，提出了一個(gè)計(jì)算思維的概念框架，內(nèi)容包括計(jì)算、通信、協(xié)作、記憶、自動(dòng)化、評(píng)估和設(shè)計(jì)。17計(jì)算思維的概念框架，可以幫助人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和運(yùn)用計(jì)算思維，它包含計(jì)算思維的組成元素以及組成元素間的相互關(guān)系。后來，陳國良院士和董榮勝教授在此基礎(chǔ)上增加了抽象，提出了一個(gè)包含八個(gè)概念，三個(gè)層次的體系。18拓展后了計(jì)算思維概念框架詳細(xì)包含八個(gè)概念及對應(yīng)的關(guān)注點(diǎn)和詳細(xì)的核心概念，其中涉及計(jì)算思維八個(gè)基本概念的層次關(guān)系如圖1所示。19圖1 計(jì)算思維基本概念的層次關(guān)系圖192.計(jì)算思維操作性定義2011年，國際教育技術(shù)協(xié)會(huì)(ISTE)和計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)(CSTA)

11、對計(jì)算思維給出了一個(gè)操作性的定義，2021即計(jì)算思維實(shí)質(zhì)上是問題解決過程，包括（但不限于）以下步驟：(1)制定問題，并能夠利用計(jì)算機(jī)和其他工具來幫助解決該問題；(2)邏輯化地組織和分析數(shù)據(jù)；(3)通過抽象（例如模型、仿真等），再現(xiàn)數(shù)據(jù)；(4)通過算法思想(一系列有序的步驟)，來支持自動(dòng)化解決方案；(5)識(shí)別、分析、實(shí)施可能的解決方案，同時(shí)結(jié)合上述步驟和資源，從而找到最有效的解決方案，；(6)將該問題的解決過程推廣并遷移到更廣泛的問題中。22四、高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維分析美國計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會(huì)認(rèn)為，計(jì)算思維教育應(yīng)當(dāng)存在于每個(gè)學(xué)校的每堂課程教學(xué)中。23對于高中信息技術(shù)課程而言，能夠充分

12、挖掘出各個(gè)模塊內(nèi)容中所蘊(yùn)含的計(jì)算思維，是有效實(shí)施計(jì)算思維教育的關(guān)鍵和前提。下面，就分別從計(jì)算思維概念框架和計(jì)算思維操作性定義兩個(gè)視角分析高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維。（一）從基于“偉大的計(jì)算原理”的計(jì)算思維概念框架視角1.計(jì)算在基于“偉大的計(jì)算原理”的計(jì)算思維概念層次中，計(jì)算（Computation）處于核心層（第一層次）。計(jì)算是執(zhí)行算法的過程，從一個(gè)包含算法本身的初始狀態(tài)開始，輸入數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過一系列中間級(jí)狀態(tài)，直到達(dá)到最終也即目標(biāo)狀態(tài)。24課程標(biāo)準(zhǔn)中所包含的必修模塊信息技術(shù)基礎(chǔ)課程主題二“信息的加工表達(dá)”和選修模塊算法與程序設(shè)計(jì)課程能很好體現(xiàn)計(jì)算的思想和方法,下面通過案例加以說明。（1）

13、漢諾塔（Hanoi）問題漢諾塔（又稱河內(nèi)塔）問題是指有三根柱子，其中一根柱子上按大小順序放著64片圓盤。要求把圓盤按大小順序移動(dòng)到另一根柱子上。規(guī)則要求小圓盤上不能放大圓盤，一次只能移動(dòng)一個(gè)圓盤。漢諾塔問題，是通過遞歸與非遞歸方法來對圓盤進(jìn)行移動(dòng)的。漢諾塔問題蘊(yùn)含遞歸關(guān)系，所以采用遞歸算法往往比較自然、簡單、易于理解。漢諾塔問題計(jì)算量很大，當(dāng)圓盤數(shù)為n時(shí)，需要移動(dòng)2n -1次，所以，假設(shè)圓盤數(shù)很多，那么即使是用一臺(tái)功能超強(qiáng)的計(jì)算機(jī)來解決它，也許要很多年。鑒于264-1這個(gè)數(shù)字太大，先考慮3個(gè)圓盤的情況，假設(shè)三根柱子分別為A、B、C，則計(jì)算機(jī)模擬執(zhí)行時(shí)就會(huì)按AC,AB,CB,AC,BA,BC,A

14、C的順序依次顯示圓盤移動(dòng)的起始、中間和最終狀態(tài)。隨著圓盤數(shù)的逐漸增大，計(jì)算機(jī)計(jì)算及顯示圓盤移動(dòng)的狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)間也會(huì)越來越長，學(xué)生此時(shí)便能很好地體驗(yàn)漢諾塔問題的計(jì)算復(fù)雜度。（2）計(jì)算機(jī)抽獎(jiǎng)很多綜藝類電視節(jié)目都設(shè)有抽獎(jiǎng)活動(dòng)： 主持人先喊：開始！ 大屏幕上便不斷滾動(dòng)顯示隨機(jī)的手機(jī)號(hào)碼,主持人后喊：停！大屏幕上最后顯示的手機(jī)號(hào)碼就成為中獎(jiǎng)號(hào)碼。電視上類似上述的抽獎(jiǎng)活動(dòng)實(shí)質(zhì)上屬于計(jì)算機(jī)抽獎(jiǎng)，抽獎(jiǎng)程序可支持手機(jī)號(hào)碼、身份證號(hào)碼、姓名、圖片等多種中獎(jiǎng)方式。計(jì)算機(jī)抽獎(jiǎng)程序一般涉及用隨機(jī)函數(shù)計(jì)算并選擇手機(jī)號(hào)碼的順序問題，計(jì)算量的大小與候選手機(jī)號(hào)碼的總數(shù)有很大關(guān)系。盡管涉及的算法不算復(fù)雜，但是不斷滾動(dòng)顯示隨機(jī)的

15、手機(jī)號(hào)碼也能讓學(xué)生感受計(jì)算的快慢和狀態(tài)的變化。2.抽象抽象（Abstraction）是指從眾多事物中抽取出共同的、本質(zhì)性的特征。25計(jì)算思維的抽象包含的核心概念有：概念模型與形式模型、抽象層次；約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、分解、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、虛擬機(jī)等26。課程標(biāo)準(zhǔn)中包含的必修模塊信息技術(shù)基礎(chǔ)主題三“信息資源管理”和選修模塊數(shù)據(jù)管理技術(shù)、算法與程序設(shè)計(jì)能很好體現(xiàn)抽象的思想和方法。（1）圖書借閱系統(tǒng)概念結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖書借閱系統(tǒng)可作為信息技術(shù)基礎(chǔ)主題三“信息資源管理”或數(shù)據(jù)管理技術(shù)中的具體案例，主要功能是完成圖書的借閱，其數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)分為需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等階段。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、

16、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于典型的數(shù)據(jù)抽象。圖書借閱系統(tǒng)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，就是在圖書借閱系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)實(shí)世界中圖書借閱涉及的數(shù)據(jù)用概念模型來表示（抽象）。建立概念模型常用的方法是實(shí)體-聯(lián)系方法（E-R方法），該方法直接從現(xiàn)實(shí)世界中抽象出實(shí)體和實(shí)體間的關(guān)系，然后用E-R圖來表示概念模型。設(shè)計(jì)E-R圖的基本步驟是：首先，用方框表示實(shí)體（如圖書館、圖書管理人員、圖書、讀者等）；其次，用橢圓表示各實(shí)體的屬性（如圖書的屬性主要包括圖書編號(hào)、名稱、作者等）；再次，用菱形表示實(shí)體之間的聯(lián)系（實(shí)體之間的聯(lián)系有一對一、一對多和多對多三種。如讀者和圖書兩個(gè)實(shí)體之間為多對多即m:n的借閱聯(lián)系）。圖書借閱系統(tǒng)的概念結(jié)

17、構(gòu)設(shè)計(jì)的E-R圖如圖2所示。圖2 圖書借閱系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的E-R圖圖書借閱系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，就是將圖書借閱系統(tǒng)的概念模型即E-R圖轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)模型（再次抽象）。如果是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，則轉(zhuǎn)換后對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型為關(guān)系模型。構(gòu)成關(guān)系模型的關(guān)系模式的格式為：關(guān)系名（屬性1，屬性2 ,）。圖書借閱系統(tǒng)概念模型即E-R圖通過正確的轉(zhuǎn)換規(guī)則和方法，轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模型如下：圖書館（名稱，地址） 圖書管理人員（編號(hào)，姓名，工齡）圖書（圖書編號(hào)，名稱，作者） 讀者（借書證號(hào)，姓名）借閱（圖書編號(hào)，借書證號(hào)，姓名，作者，日期）說明：加下劃線部分為該關(guān)系模式的主碼-即能唯一確定該關(guān)系模式對

18、應(yīng)的二維表中每一行的屬性或?qū)傩缘慕M合，如借閱關(guān)系對應(yīng)的主碼為圖書編號(hào)和借書證號(hào)的組合。（2）面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言中核心概念的理解課程標(biāo)準(zhǔn)中的選修模塊算法與程序設(shè)計(jì)主題二“程序設(shè)計(jì)語言初步”中的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)涉及“掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言的基本思想與方法，熟悉對象、屬性、事件、事件驅(qū)動(dòng)等概念并學(xué)會(huì)運(yùn)用”。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)力圖使計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言對事物（類、對象）的描述和現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)情境盡可能的一致。VB、Java等許多程序設(shè)計(jì)語言就屬于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言涉及大量的核心概念如對象、屬性、方法、事件、類等，對這些核心概念的理解是掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言并進(jìn)一步運(yùn)用的前提條件。對

19、象是現(xiàn)實(shí)世界中事物（包括自然物體如汽車、房子等或邏輯物體如長方形、地圖等）的抽象。每一個(gè)事物包含兩個(gè)共同特征：狀態(tài)和行為?，F(xiàn)實(shí)中汽車有自己的狀態(tài)（如名字、車型、輪子等）和行為（如剎車等），抽象而成的汽車對象也有自己的屬性和方法，這里的屬性和方法概念則分別由現(xiàn)實(shí)中汽車的狀態(tài)和行為抽象而來?，F(xiàn)實(shí)中如果發(fā)生了汽車被撞的事情則需要專門來處理，同樣汽車對象可以通過相應(yīng)的事件監(jiān)聽和驅(qū)動(dòng)機(jī)制來處理汽車被撞事件。類是對一類事物的描述，是對同類對象的抽象。例如對汽車對象的抽象會(huì)形成汽車類，汽車類具有所有汽車的屬性（如名字、車型、子等）和方法（如剎車等）。但是，每輛不同的汽車對象的具體屬性、方法都是獨(dú)立的并且跟其

20、它汽車不同。由于上述概念本身較為抽象，建議學(xué)生通過貼近生活的、計(jì)算機(jī)能模擬運(yùn)行的典型案例來學(xué)習(xí)。3.自動(dòng)化自動(dòng)化（Automation）是指機(jī)器設(shè)備、系統(tǒng)在沒有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，進(jìn)行自動(dòng)檢測、信息處理、分析判斷、操作控制，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的過程。27計(jì)算思維可以在不同的層次上對機(jī)器計(jì)算的自動(dòng)化進(jìn)行抽象。高中信息技術(shù)課程中，就有不少內(nèi)容涉及到自動(dòng)化。其實(shí)，只要能將具體的問題轉(zhuǎn)化為算法并且用計(jì)算機(jī)來編程實(shí)現(xiàn)，就可以體會(huì)其中自動(dòng)化的思想和方法。上面提到的案例如漢諾塔問題、計(jì)算機(jī)抽獎(jiǎng)就屬于這樣的例子。再例如必修模塊信息技術(shù)基礎(chǔ)中，教師在講述“信息的加工與表達(dá)”這一主題時(shí)，可以讓學(xué)生完

21、成這樣一個(gè)活動(dòng)：使用在線翻譯軟件，先將給定的中文翻譯成英文，然后將給定的英文翻譯成中文。在這個(gè)活動(dòng)中，進(jìn)行中英文互譯的過程正是一個(gè)計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理的過程，學(xué)生通過兩次數(shù)據(jù)輸入，最終得到所需的語種。4.設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)（Design）與抽象、自動(dòng)化位于計(jì)算思維概念層次的第二層。陳國良院士和董榮勝教授認(rèn)為，計(jì)算思維中的設(shè)計(jì)是利用學(xué)科中的抽象、模塊化、聚合和分解等方法對一個(gè)系統(tǒng)、程序或者對象等進(jìn)行組織，并以軟件開發(fā)為例解釋為體系結(jié)構(gòu)和處理過程的設(shè)計(jì)。28下面以選修模塊數(shù)據(jù)管理技術(shù)中“學(xué)生成績管理系統(tǒng)”為案例來分析。“學(xué)生成績管理系統(tǒng)”從體系結(jié)構(gòu)上可分為學(xué)生數(shù)據(jù)管理、教師數(shù)據(jù)管理、課程數(shù)據(jù)管理、成績

22、數(shù)據(jù)管理等模塊。學(xué)生數(shù)據(jù)管理模塊、教師數(shù)據(jù)管理和課程數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)一步分解為相應(yīng)的數(shù)據(jù)編輯和數(shù)據(jù)查詢子模塊；成績數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)一步分解為成績數(shù)據(jù)編輯、查詢某課程成績數(shù)據(jù)、查詢某學(xué)生成績數(shù)據(jù)、通用成績查詢子模塊。以上模塊及其劃分充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)中的分解、模塊化等方法。“學(xué)生成績管理系統(tǒng)”從處理過程上可分為系統(tǒng)需求分析、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、公共模塊設(shè)計(jì)及程序?qū)崿F(xiàn)、系統(tǒng)整體界面設(shè)計(jì)、各模塊界面設(shè)計(jì)和程序?qū)崿F(xiàn)、程序調(diào)試等。系統(tǒng)需求分析后會(huì)產(chǎn)生上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)模塊和子模塊。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)又分解為數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各個(gè)具體的設(shè)計(jì)，其中數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了抽象的思想和方法（

23、可參見上述“圖書借閱系統(tǒng)”的例子）。公共模塊用于在各個(gè)不同功能的模塊之間傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)聚合。5.通信在計(jì)算思維中，通信（Communication）是指信息從一個(gè)過程或者對象傳輸?shù)搅硪粋€(gè)過程或者對象。通信包含的核心概念有：信息及其表示、信息壓縮、信息加密、編碼與解碼等。29課程標(biāo)準(zhǔn)中包含的必修模塊信息技術(shù)基礎(chǔ)和選修模塊多媒體技術(shù)應(yīng)用能很好體現(xiàn)計(jì)算思維中通信的思想和方法。下面通過案例加以說明。（1）信息加密與解密課程標(biāo)準(zhǔn)中的必修模塊信息技術(shù)基礎(chǔ)主題三“信息技術(shù)與社會(huì)”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)涉及信息安全知識(shí)?？紤]到信息安全，重要信息在傳輸之前需要將原本的信息（明文）通過某種加密算法（附帶密鑰

24、作為加密參數(shù)）加密，加密后的信息稱為密文。密文通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥康牡睾螅偻ㄟ^相應(yīng)的解密算法（附帶密鑰作為解密參數(shù)）對密文解密，解密后的明文即為傳輸前原本的信息。一個(gè)簡單的信息加密與解密的通信模型如圖3所示。在實(shí)際教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生深刻體會(huì)信息是如何被加密與解密的，可通過網(wǎng)上已有典型的解密與解密算法如RSA或AES進(jìn)行模擬演示。圖3 信息加密與解密的通信模型（2）多媒體信息的編碼與解碼課程標(biāo)準(zhǔn)中的選修模塊多媒體技術(shù)應(yīng)用主題二“多媒體信息采集與加工”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)涉及多媒體信息采集知識(shí)。多媒體信息采集涉及的多媒體信息數(shù)據(jù)量大，保存、傳輸不太方便，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可以解決這個(gè)問題。數(shù)據(jù)壓縮處理一般由兩個(gè)

25、過程組成：一是編碼過程，即對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，以便于儲(chǔ)存和傳輸；二是解碼過程，即對壓縮的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓，恢復(fù)成原來的數(shù)據(jù)。聲音、圖像、視頻等不同多媒體信息都有各自的編碼與解碼算法，一個(gè)針對圖像信息的編碼與解碼過程如圖4所示。在實(shí)際教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生體會(huì)多媒體信息是如何被編碼與解碼的，可通過網(wǎng)上已有的典型的編碼與解碼算法進(jìn)行模擬演示。圖4 圖像信息的編碼與解碼6.協(xié)作陳國良院士指出：協(xié)作（Coordination）是為確保多方參與的計(jì)算過程（如多人會(huì)話）最終能夠得到確切的結(jié)論而對整個(gè)過程中各步驟序列先后順序進(jìn)行的時(shí)序控制。協(xié)作包含的核心概念有：同步、并發(fā)、死鎖、仲裁；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、人機(jī)交互等。

26、30課程標(biāo)準(zhǔn)中包含的選修模塊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用和人工智能初步能很好體現(xiàn)計(jì)算思維中協(xié)作的思想和方法。（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議課程標(biāo)準(zhǔn)中的選修模塊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用主題二“網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)分層模型等知識(shí)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定。為了減少網(wǎng)絡(luò)所涉及問題的復(fù)雜性，采用分層思想，OSI國際標(biāo)準(zhǔn)從體系結(jié)構(gòu)上將網(wǎng)絡(luò)分為七層，TCP/IP非國際標(biāo)準(zhǔn)將互聯(lián)網(wǎng)分為四層，OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型和TCP/IP四層模型及對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如表1所示。在實(shí)際教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生深刻體會(huì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的結(jié)構(gòu)和工作原理，可通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行演示。例如通過IE或Google瀏覽器可深入體會(huì)HTTP協(xié)

27、議的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制。表1 OSI七層和TCP/IP四層模型及對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型TCP/IP四層模型對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用層應(yīng)用層HTTP,TFTP，F(xiàn)TP，NFS，WAISTelnet, Rlogin, SNMP, GopherSMTP,DNS表示層會(huì)話層傳輸層傳輸層TCP，UDP網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)際層IP，ICMP，ARP，RARP數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)接口層FDDI，Ethernet, PPPIEEE802.1 - IEEE802.11物理層（2）人機(jī)交互人機(jī)交互作為協(xié)作的核心概念之一，在高中信息技術(shù)課程中有很多的應(yīng)用。例如在學(xué)習(xí)選修模塊人工智能初步時(shí)，會(huì)涉及到這樣一個(gè)例子：通過觀摩或?qū)嶋H操作，體驗(yàn)

28、人工智能在模式識(shí)別等方面的典型應(yīng)用，如指紋識(shí)別。在指紋識(shí)別過程中，學(xué)生通過指紋識(shí)別器，獲得指紋識(shí)別信息，這個(gè)過程便是一個(gè)人機(jī)交互的過程。在這個(gè)過程中，為確保識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)備性，人機(jī)接口與知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫之間存在一定的協(xié)作，如圖5所示。圖5 指紋識(shí)別過程7.記憶記憶（Recollection）是指通過實(shí)現(xiàn)有效搜索數(shù)據(jù)的方法或者執(zhí)行其他操作對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和組織。記憶包含的核心概念有：存儲(chǔ)體系、動(dòng)態(tài)綁定、命名、檢索等。31高中信息技術(shù)課程中包含很多記憶的例子。例如選修模塊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用中涉及IP地址與域名的概念，實(shí)際上域名與IP地址是綁定在一起的，如通過ping命令或相關(guān)軟件可以得到域名（百度）對應(yīng)的一個(gè)

29、IP地址是25。Internet互聯(lián)網(wǎng)中域名是按層次命名的，如域名中cn表示中國，層次最高；edu表示教育網(wǎng)，屬于第二層；bnu表示北京師范大學(xué)，屬于第三層；lib表示圖書館，屬于第四層。必修模塊信息技術(shù)基礎(chǔ)中涉及“信息獲取”主題，其中檢索是實(shí)現(xiàn)信息獲取的一個(gè)重要手段，如可通過百度等搜索引擎按名字檢索需要的信息。瀏覽器打開過的網(wǎng)站一般在本地有緩存，再次訪問時(shí)先直接訪問緩存中的內(nèi)容，因而頁面打開速度較快。8評(píng)估評(píng)估（Evaluation）與通信、協(xié)作、記憶位于計(jì)算思維概念層次的第三層。計(jì)算思維中的評(píng)估是指對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值分析或者實(shí)驗(yàn)分析。評(píng)估包含的核心概念有：可視

30、化建模與仿真、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)；模型和模擬方法、benchmark；預(yù)測與評(píng)價(jià)等。32高中信息技術(shù)課程中包含很多評(píng)估的例子。例如必修模塊信息技術(shù)基礎(chǔ)中涉及“信息加工與表達(dá)”主題，可通過Excel等軟件對學(xué)生成績、體育比賽、天氣變化等大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以提示其發(fā)展趨勢；可通過金華科等虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件做物理、化學(xué)等學(xué)科仿真實(shí)驗(yàn)，模擬其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；可通過benchmark等測試軟件測試、評(píng)估計(jì)算機(jī)各個(gè)硬件的性能指標(biāo)。選修模塊數(shù)據(jù)管理技術(shù)中涉及“數(shù)據(jù)庫的建立、使用與維護(hù)”、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)等主題，可對圖書館圖書查詢系統(tǒng)、學(xué)生成績管理系統(tǒng)、醫(yī)院管理系統(tǒng)等大量數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)中的相關(guān)的數(shù)據(jù)庫用E-R方法建立其概

31、念模型，并用概念模型到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則及方法建立相應(yīng)的關(guān)系模型。（二）從計(jì)算思維操作性定義視角計(jì)算思維操作性定義將計(jì)算思維看作是一個(gè)問題解決的過程，在這個(gè)定義中，詳細(xì)描述了運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的整個(gè)過程（如圖6所示），這對計(jì)算思維在高中信息技術(shù)課程中的應(yīng)用尤為重要。根據(jù)計(jì)算思維操作性定義來看，高中信息技術(shù)課程中，運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的過程包括制定問題、組織分析數(shù)據(jù)、再現(xiàn)數(shù)據(jù)、支持自動(dòng)化解決方案、找到最有效方案、應(yīng)用于更廣泛問題六個(gè)步驟，涉及的知識(shí)包括必修和選修的多個(gè)模塊，屬于融入計(jì)算思維的知識(shí)與技能的綜合性應(yīng)用，下面以“網(wǎng)上考試系統(tǒng)”為例來加以分析。圖6 計(jì)算思維解決問題的過程1制定問題“網(wǎng)

32、上考試系統(tǒng)”的目標(biāo)是學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上考試。要完成這個(gè)目標(biāo)，需要解決的問題較多，比如：試卷如何生成，學(xué)生如何答題，如何閱卷等。不但要制定這些問題，還要明確能夠利用計(jì)算機(jī)和其他工具來幫助解決這些問題。2組織分析數(shù)據(jù)“網(wǎng)上考試系統(tǒng)”涉及的數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大。首先，要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，如數(shù)據(jù)分為人員數(shù)據(jù)、試題數(shù)據(jù)、答卷數(shù)據(jù)等。其中人員數(shù)據(jù)可分為管理員數(shù)據(jù)、教師數(shù)據(jù)、學(xué)生數(shù)據(jù)，試題數(shù)據(jù)可分為主觀題（如問答題）和客觀題（如選擇題、填空題），答卷數(shù)據(jù)同樣可分為主觀題答卷和客觀題答卷。其次，要運(yùn)用思維導(dǎo)圖等工具符合邏輯地組織和分析數(shù)據(jù)，形成可以利用的更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)。3再現(xiàn)數(shù)據(jù)在組織分析數(shù)

33、據(jù)的基礎(chǔ)上，首先通過E-R方法對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行概念模型構(gòu)建，然后再利用概念模型到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則和方法得到關(guān)系模型的數(shù)據(jù)，最終以關(guān)系數(shù)據(jù)庫表的形式再現(xiàn)各種數(shù)據(jù)，如管理員表、教師表、學(xué)生表、單項(xiàng)選擇題表、多項(xiàng)選擇題表、填空題表、問答題表、單項(xiàng)選擇題答題表、多項(xiàng)選擇題答題表、填空題答題表、問答題答題表等。4支持自動(dòng)化解決方案對步驟1中制定的問題，通過算法思維(一系列有序的步驟)，支持自動(dòng)化的解決方案。如解決試卷如何生成問題可利用試題庫構(gòu)建算法與自動(dòng)抽題算法來完成，解決學(xué)生如何答題問題可利用答題界面生成、答題控制（包括時(shí)間控制、答卷生成等）算法來完成，解決如何閱卷問題可利用客觀題計(jì)算機(jī)自動(dòng)閱卷算法

34、、主觀題教師網(wǎng)絡(luò)交互式操作閱卷算法來完成?？紤]到要兼顧局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)兩種方式，所以實(shí)現(xiàn)上述算法時(shí)要采用不同的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言。如局域網(wǎng)可采用VB等高級(jí)語言，互聯(lián)網(wǎng)可采用ASP.NET等動(dòng)態(tài)網(wǎng)站開發(fā)工具來實(shí)現(xiàn)。5找到最有效的方案首先，有效結(jié)合上述步驟和資源，運(yùn)用發(fā)散思維識(shí)別、發(fā)現(xiàn)、分析和實(shí)施可能的解決方案。如盡可能尋找、分析和實(shí)施題庫構(gòu)建算法、自動(dòng)抽題算法、答題界面生成、答題控制算法、客觀題計(jì)算機(jī)自動(dòng)閱卷算法、主觀題教師網(wǎng)絡(luò)交互式操作閱卷算法。其次，運(yùn)用聚合思維，對上述找到的各種自動(dòng)化解決方案進(jìn)行優(yōu)化、整合，找到最有效的方案。 6應(yīng)用于更廣泛問題將“網(wǎng)上考試系統(tǒng)”所涉及問題的求解過程進(jìn)行推廣并

35、移植到更廣泛的問題中。首先，總結(jié)“網(wǎng)上考試系統(tǒng)”所涉及問題的自動(dòng)抽題算法、自動(dòng)閱卷算法等算法，然后進(jìn)行推廣、遷移，應(yīng)用到更廣泛的問題中。如可將自動(dòng)抽題算法、自動(dòng)閱卷算法等算法應(yīng)用到各種層次（大中小學(xué)校）、各個(gè)學(xué)科（語文、數(shù)學(xué)、外語等）的考試和競賽活動(dòng)中。五、結(jié)束語計(jì)算思維體現(xiàn)了信息技術(shù)課程的一種內(nèi)在價(jià)值，一定程度上可以解決信息技術(shù)課程的學(xué)科思維問題，是信息技術(shù)課程改革的助推劑。實(shí)際上現(xiàn)有的高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含了豐富的計(jì)算思維，只是現(xiàn)有的課程標(biāo)準(zhǔn)未能聚焦到它身上。本研究從基于“偉大的計(jì)算原理”的計(jì)算思維概念框架、計(jì)算思維操作性定義兩個(gè)視角來分析高中信息技術(shù)課程蘊(yùn)含的計(jì)算思維。雖然在計(jì)算思維的分析

36、中案例涉及高中信息技術(shù)課程一個(gè)必修模塊、五個(gè)選修模塊的很多知識(shí)，但是難免掛一漏萬。計(jì)算思維的充分挖掘是有效實(shí)施計(jì)算思維教育的關(guān)鍵和前提，希望更多的研究者能給予更多的關(guān)注。參考文獻(xiàn)1Jeannette, M. Wing. Computational ThinkingJ.Communications of ACM,2006,49(3):3335.2527王榮良.計(jì)算思維教育M.上海:上海科技教育出版社,2014.3譚浩強(qiáng).研究計(jì)算思維,堅(jiān)持面向應(yīng)用J.計(jì)算機(jī)教育,2012(21):45.4CS2001 Interim ReviewEB/OL./cs2001/in

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