教育学计算思维研究综述.docx

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1、计算思维研究综述【摘要】计算思维作为21世纪学生应具备的关键能力，是一种可以灵活运用计算工具与方法求解问题的思维活动，越来越受到教育者的关注。为了更好地理解计算思维的内涵，了解国内外计算思维概念的发展及其相关内容，本文围绕国内外计算思维的发展渊源、计算思维的本质及特征两个方面进行综合解读，并探讨了培养计算思维的价值和意义。通过综合解读计算思维的定义，文章梳理了计算思维的基本内涵，可为计算思维的深入研究提供参考。【关键词】思维；计算思维；问题解决一、前言计算思维(ComPUtationa1Thinking)的历史至少可追溯至20世纪50年代“，1980年，在麻省理工学院(MIT)的西摩帕尔特(S

2、eymourPapert)教授的头脑风暴：儿童、计算机及充满活力的创意(Mind-Storms：Chi1dren,Computers,andPowerfu1Ideas)一书中首次被提及。1996年，西摩帕尔特教授在发表的文章中再次提及计算思维，他希望运用计算思维来帮助构建具有“阐述性”的几何理论，但他并未对计算思维进行界定。2006年,美国卡内基梅隆大学(CMU)的周以真(JeannetteM.Wing)教授，提出了一种建立在计算机处理能力及其局限性基础之上的思维方式一一计算思维。她认为,计算思维就是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列

3、思维活动，能为问题的有效解决提供一系列的观点和方法,它可以更好地加深人们对计算本质以及计算机求解问题的理解,而且还能克服“知识鸿沟”，便于计算机科学家与其他领域专家交流。计算思维作为21世纪学生应具备的关键能力，是一种可以灵活运用计算工具与方法求解问题的思维活动，越来越多的学者认识到计算思维的重要性，引发了诸多学者对计算思维的广泛关注。但如今的中小学教师仍普遍对“计算思维”的概念还处于初步接触与了解的阶段，还谈不上深入理解及用于教学。为了更好地理解计算思维的内涵，了解国内外计算思维概念的发展至关重要。二、国内外计算思维的发展渊源(一)国内对计算思维的研究解读通过文件检索可知，自2006年周以真

4、教授提出计算思维的正式定义后，学者们纷纷基于自身的学科背景和理解对计算思维进行了多角度的定义补充。通过对计算思维系列定义的梳理发现，虽然有周以真教授的观点作为参照，但是目前国内学者们由于切入角度的不同，对计算思维的定义仍有许多不同的看法，具体表述如表Io表1国内学者对计算思维的定义国内学者对计算思维的定义学者观点董荣胜运用计算机科学的思想与方法进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动蒋宗礼一种与计算机及其特有的问题求解紧密相关的思维形式，在求解各类问题时，有意识地使用计算机科学家们所采用的思想、方法、技术及工具，甚至环境，不仅包括思考，还包括更一般的活动龚

5、沛曾计算思维是由意识、方法和、能力三个层次的内容所组成的复合思维任友群一种独特的解决问题的过程，是一种可以帮助人们更好地理解和分析复杂问题的思维方法，从而形成具有形式化、模块化、自动化、系统化等特征的问题解决方案李峰认知特征角度：一种具有技术员科学性特征的、与信息化社会相适应的心理工具；表现特征角度：一种基于信息技术解决问题的能力；信息环境角度：头脑内部信息系统和外部自然信息系统的合理互动过程从以上不同学者的的观点可以看出，虽然大多数人都强调计算思维是解决问题需要的能力特征，但是因为不同人思考问题的角度不同，所以大家对计算思维的具体解读也不尽相同。2019年1月新版普通高中信息技术课程标准（2

6、017版）（以下简称“新课标”）提出把计算思维列入四个核心素养之一，要求学生掌握数据算法、信息系统、信息社会等关键学科知识，了解信息与计算，形成运用计算思维解决问题等关键能力。同时新课标提出计算思维是以计算机领域的学科方法界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据，通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案，总结利用计算机解决问题的过程与方法，并可迁移到与之相关的其他问题解决中的一种学科思维3。这也是目前国内学者比较认同的说法。（二）国外对计算思维的研究解读国外学者或组织对计算思维的解读也存在多样性。具体表述见表20表2国外对计算思维的定义学者/组织观点周以真（20

7、06年）运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。美国国际教育技术协会与计算机科学教师协会（2011年）操作定义：计算思维是一种可利用计算机和其他工具的方式来解决问题的过程，涉及数据收集、数据分析、数据表示,利用算法思维来制定步骤与资源的最优组合的自动化解决方案，并可将问题的解决过程推广到其他领域。美国计算机科学教师协会（2016年）是一种解决问题的方法论，这种方法可从计算机科学的领域扩展到所有学科，为分析和开发能够通过计算方法解决的问题，提供一种独特的方法。计算思维专注于抽象、自动化和分析，是计算机科学更广泛学科的核心元素:。英国

8、皇家学会是一种认识周围世界计算方面的过程，通过应用计算机科学的工具和技术来理解和思考自然、人工系统和工序。英国的CAS是一个通过逻辑推理进行认知或思考的过程，主要包括算法思考能力、分析思维能力、思考泛化与识别并利用模式的能力、抽象思维能力与评估方面的思考能力2.对国外计算思维的解读一内容美国学者布伦南和累死尼克通过多年的Scratch在线社区和研讨会等活动，从时间的视角将计算思维分解为计算概念、计算实践与计算观点三个维度I。关于这三个维度的具体描述及其例子如下表3所示。表3计算思维的三个维度维度描述例子计算概念程序员使用的概念顺序、循环、并行、事件、条件、运算符、数据计第实践发生在编程过程中解

9、决问题的做法递增与重复，测试与调试，再利用与再创做，抽象与模块化计算观点学生对自己、与他人的关系以及周围科技世界的理解表达，联系与质疑技术世界这三个维度的计算思维解读，有利于将计算思维的培养融合到具体的课程中，便于在不同的课程中培养学生的计算思维，被较为广泛的应用于具体的计算思维培养实践。（三）对计算思维的理解1 .思维：计算思维的起点思维是人类区别于动物的基本属性,思维的存在使人类得以认识世界、改造世界。柏拉图曾说,心灵必须通过理性,运用思维，以思维为工具,才能在认识过程中获得真知思维是一个古老、抽象的概念。美国哲学家、教育家约翰杜威g曾从哲学的视角，指出思维是由观察到的事物推断出别的事物的

10、一种思想活动，即由所见之物推断出未见之物的一种思想过程；朱智贤等以认为,思维是人脑对客观事物的本质和事物内在的规律性关系的概括与间接的反映；郅庭瑾I则认为,思维是指人在解决问题过程中的智力活动,接近“思考”一这些观点共同说明了思维是人所特有的认识世界的一种思想活动、思考过程。思维不会凭空产生,思维的缘由是遇到了某种困惑或怀疑一一困惑、怀疑即人们常说的问题，而只有遇到问题了，人类的思维才会被激活。思维因问题而产生，又因问题而得以持续地深入发展；思维的最终目的在于问题得到解决,并做出有所创新的发现I咒因此可以说,思维始于问题,而又终于问题解决;思维的实质乃是问题求解。2 .计算思维：三个理解视角通

11、过对计算思维系列定义的梳理，从其特点和倾向出发，国内外研究者对计算思维的概念认识视角大致可归纳为三个方面的理解视角，每个视角的内涵及代表性研究成果如图2所示。(XXM.2W1)Sm4(MMM)1rACMCoeiputrrwrarr(2N)P(H*r1dNmwiin(2910)RMaH(210)H11Wn1f(M11)Kwbf1kwnA1fredV.o(2012)CompadatAtSchoo1(2012.2015)JohnWoo11ird(2013)MmHIa(2O14)oteforEdecabOH(20图1计算思维的三个理解视角（1）跨学科、多领域融合下的综合性视角，主要关注人类思维能力的综

12、合发展，认为计算思维是解决复杂问题的一种必备的认知工具；在现代生活中，计算思维必不可少，不仅可以用来处理专业技术问题，也适合用来解决日常问题。（2）计算机编程基础之上的专业性视角，倾向于把计算思维等同于程序思维，关注程序语言技能，认为编程是其所围绕的核心内容，指出抽象的事务是被编程语言定义为一步步的可操作的算法程序的；强调计算思维和计算科学源自计算机学科。（3）语言、算法、抽象等分项能力表征下的功能性视角，主要从功能的角度出发，认为计算思维是一种对抽象事物的自动化；指出计算思维聚焦于创造和管理抽象事物的过程，与其它学科不同的是，计算思维关注的是众多抽象层之间的紧密联系，并添加了一种新的管理复杂

13、性的维度一一自动化，通过自动化和问题解决来放大人类的智慧，管理复杂性。三、计算思维的本质、特征1 .计算思维的本质计算思维的本质是抽象和自动化冽一一抽象指导是有待解决的问题用特定的符号语言标识并使其形式化，从而达到机械执行的目的（即自动化），算法就是抽象的具体体现。计算思维的目的是问题求解，本质是抽象和自动化，而其目的和本质之间又隐藏着互为表里的关系，如图3所示。互为表里2 图2计算思维的目的与本质的关系3 .我国关于特征与价值的探讨我国学者对计算思维的特征与价值也进行了一定的探讨。表4计算思维的特征与价值学者特征与价值李廉可行、构造、有限性、确定性和机械性陈国良抽象、自动化唐培和普适性、抽象

14、性和自动化任友群提供新视角、交流对话搭建桥梁钟博昌普遍性李峰提高解决问题的能力、批判能力、自我调节能力4 .计算思维的特性与价值解读（1）是人的思维，而非计算机或其他计算设备的思维计算思维是用人的思维驾驭以计算设备为核心的技术工具来解决问题的一种思维方式）计算思维是人在解决问题的过程中所反映的思想、方法，并不是计算机或其它计算设备的思维。（2）具有双向运动性杜威附认为，思维表现为双向运动，它在归纳和演绎这两种思维运动之间来回活动。其中，归纳就是将具体细节、现象概括为概念或原理的思维活动，演绎则是将概念或原理解释为具体事物的思维活动。计算思维属于思维的一种，同样具有归纳和演绎的双向运动性。（3）

15、是分析性思维、创造性思维和实用性思维的统合体Stemberg等提出了思维的三元理论,认为思维可以划分为分析性思维、创造性思维和实用性思维。（4）具有可计算特性计算思维具有明显的计算机学科所独有的“可计算”特性。采用计算方法进行问题求解的计算思维也要具有问题求解步骤的确定性、有效性、有限性、机械性等可计算特性。综上，计算思维具有概念化、抽象化、有限性、自动化、可解释性、关联性等特征，是融合了数学、工程与科学思维的一种跨学科思维，可被迁移到新的情境，为历届和认识自然、社会及其他现象提供了一个新的视角，为求解问题提供一个新的途径。故此，计算思维实质上是一种可以灵活运用计算工具和方法求解问题的思想方法和思维活动，它的价值不仅体现在能有效地克服知识鸿沟，搭建跨学科的对话桥梁；更为