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【摘要】当前编程教育着眼于培养学生利用计算的过程和方法理解和解决问题的能力，强调学生在问题解决过程中提升信息素养，激发学生开放、合作、协商的行动意识，鼓励运用计算思维形成解决问题的方案。为更好地在程序设计课程中培养计算思维，使学生的计算思维能力真正能够在跨学科领域的实践中进行塑造和强化，在联系实际生活的情境中加以应用和迁移，本文阐述从计算思维本质、教育内容和教学策略三方面，构建计算思维的培养框架。
【关键词】计算思维;编程教育;教学策略
一.计算思维的本质
计算思维是多种思维能力的综合体，是一种总括性术语，以逻辑思维、算法思维、系统思维为显著特征，本文将从过程要素和行为表现两个层面来剖析计算思维的本质内涵。
（一）计算思维过程要素
计算思维的思维过程是问题解决中逻辑思维、算法思维和系统思维的具体作用过程，也是计算思维特质的集中表现。研究中把计算思维分为了以下六部分：分解、模式与概括、归纳抽象、算法设计、调试优化、泛化迁移。
1.分解
分解是思维过程的基础，分解就是把一个复杂的大问题，分解为一个个容易理解的小问题，这样的过程有利于找到解决问题的路径。
2.模式与概括
模式识别与概括是思维过程的重要方法。生活中大大小小的问题会以不同的形式出现，尽管这些问题大相径庭，但是他们之间可能存在着共性。概括就是根据各种条件，找出能解决同一类问题的一种通用的方法，是在之前的解决问题方法的基础上，形成新问题的解决方案。建模往往是模式识别与概括的产物，通过构建模型或模拟以表示系统运行的原理以及将来运行的趋势。
3.归纳抽象
抽象是指通过隐藏任何不必要的信息使问题或系统更容易理解，抽象是简化事情，识别什么是重要的，而不用担心太多细节。抽象过程决定我们需要突出和保持的一般特征以及我们可以忽略的细节，这是计算思维的基础。
4.算法设计
算法设计是思维过程的重要环节，也可理解为流程建设。前面通过分解，把复杂问题分解成一个个较小的问题，然后就需要我们根据项目的完成步骤，按顺序把这些小问题组合起来，而这个顺序，就是我们说的算法。算法设计的思维过程不仅适用于程序设计，而且适用于其他学科以及生活中的问题解决。
5.调试优化
调试优化是思维过程的自我评判，指的是在解决方案无法正常工作或效率不高时检测、识别并修复错误或对方案进行优化。具体地说，调试优化可以帮助我们检查对于项目解决方案的质量如何，程序的算法是否高效，如果是软件的话，用户界面是否合适，如果是创客项目，还要关注产品外观是否够人性化。有了评估，能帮助我们检测项目是否已经完成，完成的质量如何，并可以通过优化考虑如何改进。
6.泛化迁移
泛化迁移是思维过程的延伸，通过思维碰撞，可以建立起从特殊到一般、从具体到广泛的普适性联系。通过反思、总结，某一具体问题的解决过程可以迁移到其他情境或领域，希望以后在处理问题时可以根据之前已有经验，能更有效地解决问题。
在具体编程教学活动中可以通过思维过程的角度分解程序，从而将计算思维融入编程课堂。
（二）计算思维的行为表现
计算思维是解决问题的能力，因此也适用于问题解决的思路，而问题解决的这个过程，在行为表现中可以分为四个步骤：1.理解问题;2.制定计划;3.执行计划;4.评估。
计算思维的行为表现是指在计算环境中即利用计算设备或应用计算原理，从而进行问题解决的过程，在教学中是表现性任务中评价的主要参考依据。这一过程除了遵循上述问题解决的一般过程外，在编程教学中遵循程序设计的一般过程：1.分析问题;2.设计算法;3.编写程序;4.运行程序，分析结果。对于基于实物设备的编程教育中，还需遵循STEM理念中解决问题的一般思路，即问题驱动、设计方案、实施过程、作品呈现与分享改进。
计算思维的行为表现如图1所示：
在确定问题和分析问题阶段是整个过程中最重要的环节，直接影响策略的选择和问题的解决。外显的行为可能首先表现为能够发现问题的存在并能够清晰、详细地描述或说明问题，即表征问题，其次还表现在确定问题的本质并将复杂问题进行分解。在这一阶段，抽象归纳、结构分层以及模式识别是主要的思维过程。
设计阶段是理解问题之后的对于解决方案的初步设想，一般会准备基础的工具或程序来解决各类问题，对应主要的过程是算法设计。
实施过程和作品呈现这两个阶段属于整个系统的调试，确保整个项目的每一个小部分都能得到有效的解决。对应主要的思维过程是调试优化。
泛化迁移阶段需要总结整个过程，并形成案例，在再次遇到类似问题的时候可以参考、借鉴。在这过程中，也有可能，需要对原来的方案重新修订，再次进入新的一轮循环。本阶段对应主要的思维过程是泛化迁移。
学生的行为表现在教育内容的不断补充过程中，依靠自身的思维过程，不断推进，不断向学习目标逼近。
二、计算思维的教育内容
通过研究教育部确定的信息技术课程标准，结合美国、英国、澳大利亚三国与计算思维相关的教育标准或目标体系和教育部管理信息中心组织的“计算思维培养课程调研会”上有关专家和一线教师的意见，确定小学计算思维培养目标如下：
三、计算思维的教学策略
教学策略是为实现特定的教学目标、完成教学任务的重要手段，也是对教学内容组织、教学过程环节、教学方法和教学工具等因素的综合考虑。4为了让学生在不同计算情境和问题面前能够创造性地、灵活地应用所学的内容，真正具備计算思维，我们制定的教学策略需要结合计算思维的特点和编程教育、STEM教育的基本策略。
（一）计算思维的教学特征 根据之前提到的计算思维过程要素和行为表现，计算思维应该包括以下几个特征。
1.问题导向，体验自省。
计算思维是解决问题的科学思考或探究方式，其能力的培养和发展需要学生在问题导向的项目或任务中反复体验、试错，不断磨练其逻辑思维方法，从而自省、反思、深化理解。计算思维教学关注的焦点应该从问题的“标准答案”转向方法和解决方案的合理性。也就是问题中可能有不同的解决方案，或是同一类解决方案面对不同问题时评判指标可能发生改变，所以在教学中需要引导学习者将关注点放在遵循合理的推理、提供支持的论点等这些方面。
2.聚焦核心素养，多维度评价。
计算思维培养的是人，强调学生能力素养的发展。在教学中需尽可能多地收集各方面的证据来判断学习效果，除了学生在学习中的真实表现和作品分析外，学生在每个过程的思维表达也是计算思维发展的佐证，理应有相应的评估量规。而且，伴随性评估也是评估中很重要的一部分，这是对学习者是否理解或内化的非正式检查，包括教师提问、观察等等，虽有时无需打分或评定等级，但有时也是学习效果证据的一部分，为结论的得出提供有效性支撑。
3.要融入设计和迭代优化的理念。
计算思维强调调试优化的形成性过程。在学习中，学习者动手操作、分享作品，更重要的是在动手实操、反复试错的过程中学会自我评估和调试修改，在分享作品时能够听取他人意见完成优化和迭代。因此，在日常教学中，给学生搭平台，鼓励分享，给学生展示的机会，增强分享仪式感，让学生专心聆听别人的分享，然后给出中肯、专业的意见。
4.基于实际情景和跨学科性
基于实际情景的项目一般都会涉及多个学科。因此，基于实际情景的计算思维课程设计能打破学科间的壁垒，提升学生应用知识解决生活实际问题的能力。
5.小组合作，共同发展
计算思维课程的教学设计需要引导学生进行合作学习，如引入团体编程比赛、双人编程等活动，形成学习共同体，推动创造力的发展，同时也激发合作团队智慧的产生。
（二）计算思维教学策略四个维度的具体呈现
根据以上教学特征，计算思维教学策略的四个维度，整理如下：
1.内容组织
内容顺序的组织需要根据具体的学习目标而定。计算思维的教育内容中“哪些目标可以先学习符合低年级学生的认知发展状态”、“哪些目标需要往后放更适合心智稍成熟的高年级学生”……这些需要科学的判断和严谨的构思。具体内容安排与实施在区科信局课题《基于培养计算思维的小学编程教育模式研究》 2018-JY-028有详细说明。
2.教学方法
教师在课堂上，主要使用讲授法和项目教学法。
讲授法中，教师通过示范或讲解，向学生介绍概念或知识，并通过提问推进教学进程。此过程中，学生的主要学习活动为接收和回应，通过观察教师活动、聆听教师讲授、摘录课堂笔记以及针对问题给出反应。
项目教学法就是在教师的指导下，将一个以解决生活实际问题为基础的项目交由学生自己处理，信息的收集、方案的设计、项目实施及最终评价，都由学生自己负责，学生通过该项目的进行，了解并把握整个过程及每一个环节中的基本要求。项目教学法的特点是学生学习为主，教师指导为辅。注重理论与实践相结合。
3.评价方式
计算思维培养注重学生综合思维能力的发展，因此在教学中应通过多种方式来判断学习效果。评价可以多维度收集学生的数据，反映其对知识的掌握情况;也可以通过信息反馈迭代教学设计。
对于容易检测的内容和学生关于项目的意见，可以使用问卷调查的形式。当学习的目标涉及深层次理解时，需要通过作品、方案分析，凭借学生更复杂的表现来判断目标是否己经达到。学生通过分享交流，回顾整个制作作品的过程，（下转第72版）（上接第60版）清晰了哪些步骤是重要的，哪些细节需要注意。这就是抽象的能力。学生通过组织语言对解决方案进行细节描述，使观众更容易理解，清晰地描述出制作过程中遇到什么问题，而又怎样从外观结构或程序设计方面进行改进。
4.教学工具
计算思维教学工具主要包括编程工具和实物设备。在计算机教室，通过设计好的线上活动，例如如编程游戏、计算任务等项目培养计算思维。也可以通过实物设备，例如机器人、单片机等设备完成基于解决生活实际问题的项目。
四、培养框架总结
综合文献研究和上述内容的梳理，图3展示了小学阶段计算思维的培养框架。
计算思维是一个总括性术语，是多种思维（逻辑思维、算法思维、系统思维）的集合名词，具备计算思维的学生能够综合利用计算思维各方面能力在计算环境中解决真实情境下的跨学科问题。培养框架从本质、教育内容和教学策略三个维度进行描述。
（1）计算思维的本质内涵从要素来看分为六个过程，分别是分解、模式与概括、归纳抽象、算法设计、调试优化、泛化迁移。从行为角度看，计算思维解决问题的系统性主要表现为分析问题、设计算法、编写程序、运行分析、泛化推广五个方面。
（2）计算思维的教育内容主要包括：低年段，把算法与实际生活相联系，理解指令序列。中年段，将生活中的条件选择情境用简单的语句来表述，并尝试编写程序。高年段，使用文本和图表（程序流程图）来记录和表述解决方案。通过可视化编程实现他们的算法/解决方案并优化。
（3）计算思维的教学策略以“问题导向，体验自省”“聚焦核心素养，多维度评价”“融入设计和迭代优化的理念”“基于实际情景和跨学科性”“小组合作，共同发展”五个特征为基础。从“组织内容”、“教学方法”“评价方式”“教学工具”四个维度给出教学策略上的建议。
计算思维的培养框架回答了计算思维“本质是什么”“教育内容”“培养路径”“评价方式”等问题。
【参考文献】
[1]李艳坤， 高铁刚. 基于思维视角的计算思维综合解读[J]. 现代教育技术， 2017（01）：68-73.
[2]侯震宇. 创客教育视野下小学生计算思维的培养——以创客项目“多功能混合动力便携冰箱”为例[J]. 教育信息技术， 2019， 000（007）：133-134：157.
[3]傅赛.STEM视角下的计算思维培养[C].第十五届全国“基础教育跨越式发展创新试验研究”年会，2018（7）.
[4]張文兰， 刘俊生. 基于设计的研究——教育技术学研究的一种新范式[J]. 电化教育研究， 2007（10）：14-18.
【关键词】计算思维;编程教育;教学策略
一.计算思维的本质
计算思维是多种思维能力的综合体，是一种总括性术语，以逻辑思维、算法思维、系统思维为显著特征，本文将从过程要素和行为表现两个层面来剖析计算思维的本质内涵。
（一）计算思维过程要素
计算思维的思维过程是问题解决中逻辑思维、算法思维和系统思维的具体作用过程，也是计算思维特质的集中表现。研究中把计算思维分为了以下六部分：分解、模式与概括、归纳抽象、算法设计、调试优化、泛化迁移。
1.分解
分解是思维过程的基础，分解就是把一个复杂的大问题，分解为一个个容易理解的小问题，这样的过程有利于找到解决问题的路径。
2.模式与概括
模式识别与概括是思维过程的重要方法。生活中大大小小的问题会以不同的形式出现，尽管这些问题大相径庭，但是他们之间可能存在着共性。概括就是根据各种条件，找出能解决同一类问题的一种通用的方法，是在之前的解决问题方法的基础上，形成新问题的解决方案。建模往往是模式识别与概括的产物，通过构建模型或模拟以表示系统运行的原理以及将来运行的趋势。
3.归纳抽象
抽象是指通过隐藏任何不必要的信息使问题或系统更容易理解，抽象是简化事情，识别什么是重要的，而不用担心太多细节。抽象过程决定我们需要突出和保持的一般特征以及我们可以忽略的细节，这是计算思维的基础。
4.算法设计
算法设计是思维过程的重要环节，也可理解为流程建设。前面通过分解，把复杂问题分解成一个个较小的问题，然后就需要我们根据项目的完成步骤，按顺序把这些小问题组合起来，而这个顺序，就是我们说的算法。算法设计的思维过程不仅适用于程序设计，而且适用于其他学科以及生活中的问题解决。
5.调试优化
调试优化是思维过程的自我评判，指的是在解决方案无法正常工作或效率不高时检测、识别并修复错误或对方案进行优化。具体地说，调试优化可以帮助我们检查对于项目解决方案的质量如何，程序的算法是否高效，如果是软件的话，用户界面是否合适，如果是创客项目，还要关注产品外观是否够人性化。有了评估，能帮助我们检测项目是否已经完成，完成的质量如何，并可以通过优化考虑如何改进。
6.泛化迁移
泛化迁移是思维过程的延伸，通过思维碰撞，可以建立起从特殊到一般、从具体到广泛的普适性联系。通过反思、总结，某一具体问题的解决过程可以迁移到其他情境或领域，希望以后在处理问题时可以根据之前已有经验，能更有效地解决问题。
在具体编程教学活动中可以通过思维过程的角度分解程序，从而将计算思维融入编程课堂。
（二）计算思维的行为表现
计算思维是解决问题的能力，因此也适用于问题解决的思路，而问题解决的这个过程，在行为表现中可以分为四个步骤：1.理解问题;2.制定计划;3.执行计划;4.评估。
计算思维的行为表现是指在计算环境中即利用计算设备或应用计算原理，从而进行问题解决的过程，在教学中是表现性任务中评价的主要参考依据。这一过程除了遵循上述问题解决的一般过程外，在编程教学中遵循程序设计的一般过程：1.分析问题;2.设计算法;3.编写程序;4.运行程序，分析结果。对于基于实物设备的编程教育中，还需遵循STEM理念中解决问题的一般思路，即问题驱动、设计方案、实施过程、作品呈现与分享改进。
计算思维的行为表现如图1所示：
在确定问题和分析问题阶段是整个过程中最重要的环节，直接影响策略的选择和问题的解决。外显的行为可能首先表现为能够发现问题的存在并能够清晰、详细地描述或说明问题，即表征问题，其次还表现在确定问题的本质并将复杂问题进行分解。在这一阶段，抽象归纳、结构分层以及模式识别是主要的思维过程。
设计阶段是理解问题之后的对于解决方案的初步设想，一般会准备基础的工具或程序来解决各类问题，对应主要的过程是算法设计。
实施过程和作品呈现这两个阶段属于整个系统的调试，确保整个项目的每一个小部分都能得到有效的解决。对应主要的思维过程是调试优化。
泛化迁移阶段需要总结整个过程，并形成案例，在再次遇到类似问题的时候可以参考、借鉴。在这过程中，也有可能，需要对原来的方案重新修订，再次进入新的一轮循环。本阶段对应主要的思维过程是泛化迁移。
学生的行为表现在教育内容的不断补充过程中，依靠自身的思维过程，不断推进，不断向学习目标逼近。
二、计算思维的教育内容
通过研究教育部确定的信息技术课程标准，结合美国、英国、澳大利亚三国与计算思维相关的教育标准或目标体系和教育部管理信息中心组织的“计算思维培养课程调研会”上有关专家和一线教师的意见，确定小学计算思维培养目标如下：
三、计算思维的教学策略
教学策略是为实现特定的教学目标、完成教学任务的重要手段，也是对教学内容组织、教学过程环节、教学方法和教学工具等因素的综合考虑。4为了让学生在不同计算情境和问题面前能够创造性地、灵活地应用所学的内容，真正具備计算思维，我们制定的教学策略需要结合计算思维的特点和编程教育、STEM教育的基本策略。
（一）计算思维的教学特征 根据之前提到的计算思维过程要素和行为表现，计算思维应该包括以下几个特征。
1.问题导向，体验自省。
计算思维是解决问题的科学思考或探究方式，其能力的培养和发展需要学生在问题导向的项目或任务中反复体验、试错，不断磨练其逻辑思维方法，从而自省、反思、深化理解。计算思维教学关注的焦点应该从问题的“标准答案”转向方法和解决方案的合理性。也就是问题中可能有不同的解决方案，或是同一类解决方案面对不同问题时评判指标可能发生改变，所以在教学中需要引导学习者将关注点放在遵循合理的推理、提供支持的论点等这些方面。
2.聚焦核心素养，多维度评价。
计算思维培养的是人，强调学生能力素养的发展。在教学中需尽可能多地收集各方面的证据来判断学习效果，除了学生在学习中的真实表现和作品分析外，学生在每个过程的思维表达也是计算思维发展的佐证，理应有相应的评估量规。而且，伴随性评估也是评估中很重要的一部分，这是对学习者是否理解或内化的非正式检查，包括教师提问、观察等等，虽有时无需打分或评定等级，但有时也是学习效果证据的一部分，为结论的得出提供有效性支撑。
3.要融入设计和迭代优化的理念。
计算思维强调调试优化的形成性过程。在学习中，学习者动手操作、分享作品，更重要的是在动手实操、反复试错的过程中学会自我评估和调试修改，在分享作品时能够听取他人意见完成优化和迭代。因此，在日常教学中，给学生搭平台，鼓励分享，给学生展示的机会，增强分享仪式感，让学生专心聆听别人的分享，然后给出中肯、专业的意见。
4.基于实际情景和跨学科性
基于实际情景的项目一般都会涉及多个学科。因此，基于实际情景的计算思维课程设计能打破学科间的壁垒，提升学生应用知识解决生活实际问题的能力。
5.小组合作，共同发展
计算思维课程的教学设计需要引导学生进行合作学习，如引入团体编程比赛、双人编程等活动，形成学习共同体，推动创造力的发展，同时也激发合作团队智慧的产生。
（二）计算思维教学策略四个维度的具体呈现
根据以上教学特征，计算思维教学策略的四个维度，整理如下：
1.内容组织
内容顺序的组织需要根据具体的学习目标而定。计算思维的教育内容中“哪些目标可以先学习符合低年级学生的认知发展状态”、“哪些目标需要往后放更适合心智稍成熟的高年级学生”……这些需要科学的判断和严谨的构思。具体内容安排与实施在区科信局课题《基于培养计算思维的小学编程教育模式研究》 2018-JY-028有详细说明。
2.教学方法
教师在课堂上，主要使用讲授法和项目教学法。
讲授法中，教师通过示范或讲解，向学生介绍概念或知识，并通过提问推进教学进程。此过程中，学生的主要学习活动为接收和回应，通过观察教师活动、聆听教师讲授、摘录课堂笔记以及针对问题给出反应。
项目教学法就是在教师的指导下，将一个以解决生活实际问题为基础的项目交由学生自己处理，信息的收集、方案的设计、项目实施及最终评价，都由学生自己负责，学生通过该项目的进行，了解并把握整个过程及每一个环节中的基本要求。项目教学法的特点是学生学习为主，教师指导为辅。注重理论与实践相结合。
3.评价方式
计算思维培养注重学生综合思维能力的发展，因此在教学中应通过多种方式来判断学习效果。评价可以多维度收集学生的数据，反映其对知识的掌握情况;也可以通过信息反馈迭代教学设计。
对于容易检测的内容和学生关于项目的意见，可以使用问卷调查的形式。当学习的目标涉及深层次理解时，需要通过作品、方案分析，凭借学生更复杂的表现来判断目标是否己经达到。学生通过分享交流，回顾整个制作作品的过程，（下转第72版）（上接第60版）清晰了哪些步骤是重要的，哪些细节需要注意。这就是抽象的能力。学生通过组织语言对解决方案进行细节描述，使观众更容易理解，清晰地描述出制作过程中遇到什么问题，而又怎样从外观结构或程序设计方面进行改进。
4.教学工具
计算思维教学工具主要包括编程工具和实物设备。在计算机教室，通过设计好的线上活动，例如如编程游戏、计算任务等项目培养计算思维。也可以通过实物设备，例如机器人、单片机等设备完成基于解决生活实际问题的项目。
四、培养框架总结
综合文献研究和上述内容的梳理，图3展示了小学阶段计算思维的培养框架。
计算思维是一个总括性术语，是多种思维（逻辑思维、算法思维、系统思维）的集合名词，具备计算思维的学生能够综合利用计算思维各方面能力在计算环境中解决真实情境下的跨学科问题。培养框架从本质、教育内容和教学策略三个维度进行描述。
（1）计算思维的本质内涵从要素来看分为六个过程，分别是分解、模式与概括、归纳抽象、算法设计、调试优化、泛化迁移。从行为角度看，计算思维解决问题的系统性主要表现为分析问题、设计算法、编写程序、运行分析、泛化推广五个方面。
（2）计算思维的教育内容主要包括：低年段，把算法与实际生活相联系，理解指令序列。中年段，将生活中的条件选择情境用简单的语句来表述，并尝试编写程序。高年段，使用文本和图表（程序流程图）来记录和表述解决方案。通过可视化编程实现他们的算法/解决方案并优化。
（3）计算思维的教学策略以“问题导向，体验自省”“聚焦核心素养，多维度评价”“融入设计和迭代优化的理念”“基于实际情景和跨学科性”“小组合作，共同发展”五个特征为基础。从“组织内容”、“教学方法”“评价方式”“教学工具”四个维度给出教学策略上的建议。
计算思维的培养框架回答了计算思维“本质是什么”“教育内容”“培养路径”“评价方式”等问题。
【参考文献】
[1]李艳坤， 高铁刚. 基于思维视角的计算思维综合解读[J]. 现代教育技术， 2017（01）：68-73.
[2]侯震宇. 创客教育视野下小学生计算思维的培养——以创客项目“多功能混合动力便携冰箱”为例[J]. 教育信息技术， 2019， 000（007）：133-134：157.
[3]傅赛.STEM视角下的计算思维培养[C].第十五届全国“基础教育跨越式发展创新试验研究”年会，2018（7）.
[4]張文兰， 刘俊生. 基于设计的研究——教育技术学研究的一种新范式[J]. 电化教育研究， 2007（10）：14-18.