二、计算思维培养框架

计算思维已成为当今国际学术界多学科领域关注的热点议题，随着人工智能等新一代信息技术的飞速发展，计算思维培养需要全新的教学策略框架。本书基于计算思维的核心要素，结合计算思维培养原则和培养目标，构建中小学计算思维的培养框架，并给出相应的实施建议。教师在具体教学活动中可以根据实际问题，选取相应的模块，将计算思维培养融入课堂。

（一）计算思维培养原则

教学原则反映了教与学的客观规律，是指导学生学习活动的基本原理，也是教师在信息技术教育教学过程中优化教学应当遵循的基本要求。基于计算思维培养的课程教学，需要兼顾教学内容和教学方法两条途径来开展教育实践。

1.强调教学内容与学生认知特征相符合

学生的认知发展有着客观的自然规律，特别是教学对象是中小学生时，他们绝大部分都还处于重要的成长阶段，无论是哪一个学科所设定的教学目标及实施的教学内容，都应该遵循他们认知思维发展的规律，计算思维培养也不例外。在有关学生认知发展的理论研究中，皮亚杰关于儿童认知发展阶段的理论最具影响力。皮亚杰提出儿童认知发展的过程可以划分为四个主要阶段：感知运动阶段（0~2 岁）、前运算阶段（2~7 岁）、具体运算阶段（7 ~ 11 岁）和形式运算阶段（11~16 岁），如图 2-4 所示。中小学生主要集中在具体运算阶段和形式运算阶段，在具体运算阶段，学生能够利用符号进行有逻辑的思考活动，能够处理较为复杂的问题，到了形式运算阶段，学生的认知发展水平逐渐成长到趋近成人的水平，抽象思维逐步发展完善。在计算思维培养过程中，培养目标的确立和教学方法的选择都需要建立在对学生认知发展深入分析的基础上，以适应学生的认知发展水平。

2.关注学段之间的衔接性

发展心理学研究学者伍新春指出，在一定的社会和教育条件下，学生在不同阶段会形成典型的、一般的、本质的心理特征。 因此在计算思维培养过程中，教师需要结合小初高不同年龄段学生的发展心理学阶段特点进行课程设计。综合国内外发展心理学研究，各学段表现出的阶段性特点可以概括为：小学阶段善于模仿，对实践类如绘画、做手工等活动比较感兴趣，虽难以解决科学问题，但是希望了解并尝试从不同角度看待问题，处于皮亚杰认知发展理论的具体运算阶段；初中生的思维发展水平得到进一步提升，并且开始建构自我同一性，与同伴的关系更密切，开始从不同角度探索、研究并解决问题；高中生的注意力、科学推理能力、辩证逻辑思维和创造性思维逐渐占据优势，适合开展综合性的项目探究活动。此阶段性特点为计算思维培养提供理论支撑，在相应的教学目标、内容、实施和评价上应该充分考虑不同阶段学生在身体、认知、语言、情绪和社会化等方面的差异。

3.落实教学内容的有效性

培养学生的计算思维，不能照本宣科，需要联系生活实际，培养学生解决问题的能力。选取教学内容时以贴近生活为中心，整合相关资源。要进行有效的课堂教学，在保证教学内容符合学生认知发展的同时，还需要采取有针对性的措施来实施教学，设计和创设出有效的课堂活动，以促进学生进行有效学习。

在课堂教学中应突出学生的主体地位，在学生“自主”的基础上“互动”；同时创设丰富的课堂内容，调动全体学生主动参与学习的全过程，使学生自主地学习、协调地发展。计算思维的培养目的不仅仅是使学生增加知识，更重要的是培养学生的思维能力，提高学生的问题意识，形成有效的问题解决能力。

4.注重直观性与思想性相结合

计算思维是人们利用计算机科学原理思考问题的过程，计算思维的培养大多时候是抽象的，是存在于思维层面的，因此在教学中要充分结合直观性教学帮助学生理解与学习。直观性教学原则主要是根据教学活动的需要，让学生直接感知学习对象。这一原则是针对教学中词、概念、原理等理论知识与其所代表的事物之间相互脱离的矛盾而提出的，一般分为三大类：实物直观、模象直观、语言直观。教学活动中要靠教师通过创设直观性教学情境启发诱导学生，使学生处于积极的状态，充分发挥学生的主动性。因此，教学中教师要把学生置于主体地位，激发学生的学习兴趣和求知欲，启发学生积极思维，引导他们独立思考、主动探索，以及生动活泼地学习，自觉地掌握科学知识和技能，发展自己的能力。

（二）计算思维培养目标

计算思维是思维方式的一种，是关注问题解决方案的形成过程，其核心是基于问题需求，进行过程设计、结果评估，提升内化成思维能力。计算思维让的宗旨是让学生像计算机科学家那样去思考，提高学生的问题解决意识。针对不同学段的学情特点，需要关注计算思维培养目标在不同学段的具体体现。小学阶段主要提高学生对计算领域的兴趣，促使学生形成计算思维意识，培养简单的问题解决能力；初中阶段引导学生基于编程语言，能够进行基本的计算思维过程以及简单的创作；高中阶段培养学生熟练使用编程语言，能够进行复杂的系统设计和项目创造。计算思维各阶段培养目标如图 2-5 所示。

1.小学计算思维培养目标

（1）阶段特征。

小学生年龄一般为 6 岁到 12 岁，处于由儿童向青少年的过渡期，学生的思想与思维方式开始发生转变，是培养学习能力、学习习惯以及发展期思维能力水平等的最佳时期。这个阶段是学生的思维由具体形象思维向抽象思维过渡的关键时期，同时小学生语言发展水平也由口头语言逐渐向书面语言过渡。而且，小学中高年级的学生开始偏重对自己喜欢的事物进行分析、探究，从过去笼统的印象转变为具体的分析。

①小学生思维跳跃性较强。

小学阶段，学生往往活泼开朗，对事物有浓烈的好奇心，在学习过程中，这类好奇心往往会带领学生进行跳跃式思维想象，能够发现更多开放性的问题。但过强的跳跃性思维也存在着不足之处，就是缺乏持久性，小学生的身心并未发育成熟，在学习过程中常常由于思维跳脱而出现走神的情况，往往会前一刻还在想着某件事，后一刻注意力又被另一件事所吸引。因此在培养小学生计算思维的过程中需要充分考虑保持学生的注意力和积极性。

②从以具体形象思维为主要形式向以抽象逻辑思维为主要形式过渡。

小学低年级学生的思维虽然有了抽象的成分，但仍然是以具体形象思维为主。比如，他们所掌握的概念大部分是具体的、可以直接感知的，他们难以区分概念的本质和非本质属性，而小学中高年级学生则能区分概念的本质和非本质属性，能掌握一些抽象概念，能运用判断、推理等方法进行思考。小学生的思维由具体形象思维向抽象逻辑思维的过渡存在着一个转折期，一般出现在四年级。如果教育得当，训练得法，这一转折期可以提前到三年级。

③抽象逻辑思维发展不平衡。

在整个小学时期，儿童的抽象逻辑思维水平不断提高，思维中抽象的成分日渐增多，但在不同的学科、不同的教学内容中表现出不平衡性。例如，对于儿童熟悉的学科、难度小的任务，儿童思维中抽象的成分较多，抽象的水平较高；而对于儿童不熟悉的学科、难度大的任务，儿童思维中的具体成分就较多。

④抽象逻辑思维从不自觉到自觉。

小学低年级学生虽然已掌握一些概念，并能进行简单的判断、推理，但他们尚不能自觉地调节、控制自己的思维过程。而小学中高年级学生，他们在教师的指导下，反省和监控自己的思维过程的能力有了提高，能说出自己解题时的想法，能弄清自己为何出错，这表明他们思维的自觉性有了发展。

⑤辩证逻辑思维初步发展。

抽象逻辑思维的发展要经历初步逻辑思维、经验逻辑思维、理论逻辑思维三个阶段。小学生的思维主要属于初步逻辑思维，但却具备了逻辑思维的各种形式，并具有了辩证逻辑思维的萌芽。研究表明：小学儿童辩证逻辑思维发展水平随着年龄的增长而提高。小学一、二、三年级是辩证逻辑思维的萌芽期，四年级是辩证逻辑思维发展的转折期。整个小学阶段辩证逻辑思维发展水平尚不高，属初级阶段。

（2）培养目标。

部分国家和地区小学阶段计算思维培养目标体系

许多国家和地区都针对小学阶段计算思维的培养制订了相应的目标体系，如美国、英国、澳大利亚、中国香港等都提出了明确的标准。本研究在对计算思维操作性定义理解的基础上，参考CSTA于 2011 年发布的美国《K-12 计算机科学标准》中对K-6 年级阶段学生应达到的计算思维能力水平要求，结合小学信息技术课程标准，确定本研究中小学生计算思维的培养目标。计算思维的操作性定义将其界定为一种问题解决的思维过程，清晰指出了解决问题的方法步骤。

首先，该定义所提出的问题解决的六个环节对学生有着不同方面的能力要求，这几方面的能力构成了发展计算思维的基本要素，它涵盖了适应于计算机的问题表述能力、数据组织与分析能力、抽象建模能力、算法与程序设计能力、知识与方法迁移能力等多个方面，融合在从分析问题到形成解决方案，再到灵活应用的各个步骤之中。其次，该定义提出的六个环节指明了在计算思维教育中学生需要达到的目标，计算思维的培养应以阶梯式进行，可将其划分为三个阶段，即基础培养阶段、进阶培养阶段与综合培养阶段。其中基础培养阶段包括前四个环节，后两个阶段分别对应第五、第六环节，后一个阶段是在前一个阶段的基础上进行的，是培养学生从计算思维的入门者到精通者的进化过程。同时这也表明，计算思维是具有层次等级的，像计算机科学家一样的思维水平显然已经是计算思维的高阶水平。而针对小学生主要是开展基础阶段的培养，通过学生在数据分析、问题分解、抽象等方面能力的显性效果来判断其计算思维的发展水平。最后，操作性定义描述的是问题解决的基本流程，而非培养计算思维的过程，它是对计算机科学家解决问题流程的高度概括，是一种比较普遍的形成问题解决方案的方法，是基于计算思维进行问题解决的一种形式化步骤。但是，培养学生的计算思维，并不意味着要照搬其流程，具体的培养方法还需要根据具体的内容或者具体的问题来定，在教学活动中强化学生解决问题的流程方法，促进学生计算思维的提升。

我国《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》将小学 1 ~ 6 年级分为 3 个学段，在总体目标的基础上分别提出了每个阶段学生计算思维能力应达到的目标要求。新标准的修订改善了之前以信息素养为本位的课程标准的弊端。人工智能、大数据的发展，进一步使计算思维的培养占据信息科技课程目标的核心地位。本书以计算思维核心要素为出发点，对小学阶段计算思维培养的目标进行分析（见表 2-4）。

2.初中计算思维培养目标

（1）阶段特征。

①初中生认知特征分析。

初中阶段学生的认知正处于一个形式运算阶段，思维方式开始趋于成熟，具有一定的事物推理能力。他们在面对新的问题情境时，能够提出一系列的假设，并会根据假设设计相应的过程去验证假设，从而得出结论。同时，该阶段的学生是具有一定程度的图形化编程学习基础的，在小学时都接触过图形化编程工具。所以在图形化编程教学中，要在学生原有的认知基础上切实了解学生们的学习状态与需求，根据具体的教学目标和教学内容为学生搭建合适的学习支架，在完成编程知识教学的过程中有效地促进学生计算思维能力的发展。

②初中生学习特征分析。

初中阶段的学生正处于一个充满好奇、勇于探索、敢于挑战和学习积极性高昂的时期。他们的思维非常发散，喜欢创作一些有意思的作品，动手能力也比较强。同时，他们喜欢尝试新的东西，倾向与伙伴合作探究，善于交流。所以在图形化编程教学中要以学生为主体，多为他们设置一些有挑战、有难度的任务，调动学生创作的积极性与欲望，并增加小组合作探究的机会，充分锻炼他们的沟通交流能力。

（2）培养目标。

《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》将初中阶段的计算思维培养目标作为义务教育的第四学段。综合学者对课程标准的研究，本书对计算思维培养目标的分析也从具体的维度出发，探讨初中阶段的计算思维培养目标，如表 2-5所示。

3.高中计算思维培养目标

（1）阶段特征。

高中阶段的学生能脱离具体事物，运用抽象的概念进行逻辑思维，抽象逻辑思维的科学性、理论性更强，思维步骤更完整。他们能按照发现问题、明确问题、提出假设、制订解决问题的方案、实施方案、检验假设的完整过程去解决问题。高中生生活经验丰富，科学知识增多，对事物之间的内在联系了解得更深入。他们能对事物之间的规律联系提出猜想和假设，并设计方案检验假设。

高中生的思维特点是从形象思维逐渐向抽象思维过渡，辩证逻辑思维日趋发展。这一时期是他们思维发展的“黄金时期”，而这一时期如果思维没有得到有效的启发，思辨能力的发展会受到制约，进而影响其创造性思维能力的发展，甚至影响其终身全面发展。因此在教学中培养学生的计算思维和思辨能力，尤为重要。

（2）培养目标。

《普通高中信息技术课程标准（2017 年版 2020 年修订）》明确指出计算思维作为信息技术学科的四个核心素养之一，是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在问题解决过程中涉及的抽象、分解、建模、算法设计等思维活动。该课程标准中计算思维的内涵主要包括三个方面：基于计算机科学领域的方法解决问题的基本过程；应用算法形成解决方案；将过程与方法迁移到其他问题的解决中，并且围绕计算思维的内涵，对计算思维水平进行划分。本书依据信息技术学科核心素养水平划分，对高中计算思维培养目标进行分析（如表 2-6 所示）。

（三）计算思维培养框架

我国中小学计算思维的培养处于起步阶段，还有很多问题需要进行深入研究。在培养中小学计算思维的课堂实践中，既要坚持对计算思维本质内涵的科学阐述，也要关注不同学段教育的特征和学生的特点，特别是在培养内容的选择、计算思维和学科教育之间关系的处理、培养目标的确定等关键问题上，需要遵循一定的培养原则，符合学生的认知发展规律。

本书从计算思维过程出发，梳理计算思维核心要素和教学环节之间的映射关系，指向计算思维的培养目标，设计了中小学计算思维培养框架，如图 2 -6所示。

在计算思维培养的教学实践中，从问题解决的角度设定教学流程，主要包括明确问题、分析问题、解决问题、方法迁移四个环节。在明确问题阶段，需要教师提供相关数据与信息，创设情境，引导学生分解问题，对数据进行简单处理；在分析问题阶段，教师教授学生掌握基本的算法模型，帮助学生进行抽象建模，形成问题解决方案；在解决问题阶段，学生选择合适的工具，实施解决方案；在方法迁移阶段，学生将已经掌握的方法应用到新的问题情境中，教师组织学生进行方案评估与验证，并对学生的问题解决过程进行总结评价。