第26期教师发展论坛：计算思维的缘起、特征与实施策略

罗湖教师发展论坛（总第26期）

时间地点：2017年12月15日，锦田小学

主讲嘉宾：吴良辉，深圳市信息技术教研员

点评嘉宾：陈前永，罗湖区教科院信息技术教研员

参加教师：罗湖区全体信息技术教师

本期论坛以“计算思维的缘起、特征与实施策略”为题展开探讨。

环节一：自主分享

吴良辉

思维的本质是心理计算过程。思维都带有计算的特征，但是以前我们为什么不把它叫做计算思维，而是在计算技术高度发展的计算机时代才提出计算思维呢？计算思维具备哪些特征使得它可以独立于其他思维而成为一种独特的思维方式呢？

缘起

人类拥有了计算机后，实现了计算执行的自动化，人们将解决问题的步骤和方法以算法的形式表示出来，并用计算机能够直接识别和运行的语言告诉计算机如何工作，让计算机成为了人类思维的执行者。

正因为人类有了自己思维的忠实执行者，人类思维的内容和方式也在发生改变，解决问题的方式逐渐演变为以计算机能够识别的方式告诉计算机做什么以及如何做，这就使得问题的解决变成了算法的描述及程序的编写。

人们逐渐利用计算机来解决数学、物理、经济、军事、社会、生活等各方面的问题，从而使得利用计算机为工具来解决问题的这种思维方式快速发展，并开始与各个学科交叉融合，慢慢形成了一种新的独特的解决问题的思维方式——计算思维。

 一、什么是计算思维

人类应该具备的三大思维中，理论思维和实验思维是我们所熟悉的。现在提出第三类思维方式和这两者之间能够形成三足鼎立的叫计算思维，计算思维是对于自然现象的计算抽象，这三个当中我们看到都有一个关键词叫做“抽象”，抽象是思维最本源的基础。

周以真教授提出计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统，还要理解人内心。第三点很重要，理解计算机科学。计算机科学大家应该清楚，其实既有软件类也有硬件类的东西，整个是Computer Science。例如，在计算一元二次方程的时候我们可以用公式去求解的。可是由计算机求解有更简单的方法，因为计算机运算速度非常快，甚至不用回到方程本身，直接从负N到正N每一代进去试，结果就直接出来了。在这个基础概念上面是怎么去求解问题的，计算机怎么去做的、怎么去设计的，我们去系统化的这种思维，最终人类的行为也是在这个思维中发生变化。

二、计算与自动计算

理解计算思维要回到最初的计算，然后再到自动计算，从这个角度来说，比如3+2=5，大家很容易理解，其中3和2是数据，+是运算符，之所以我知道等于5而不等于6，是因为运作规则，简单的是这样的一个加法，像这么复杂的积分里面也有这些东西，有数据从1-5，从1到无穷大，有运算符为它做积分处理，然后通过积分推导公式。数据在运算符操作下按照计算规则进行一种数据的变化，这是我们说的计算。计算就是人和计算机之间的对比关系。从小学的数学开始，从学3+2，到最后学方程，再到后面学微积分，这个过程都在学习运算的规则，计算能力是人和计算机都非常重要的能力。 

再对比一下人和机器，人进行计算的时候规则可能很复杂，就是刚才X1和X2的求解，但是计算量却很小，一元二次方程的求解的东西，是前面好多代的祖先们、数学家们已经获取的方法。对于一元二次方程的求解，如果用计算机去做，虽然计算量大，但方法很容易。对于一元任意次的方程都可以用同一个方法去求解。什么能够、如何被有效自动计算，就是计算学科的科学家不断在研究和解决的问题。计算机最大的能力就是运算和处理速度非常快。一些很厉害的计算机，在17秒的时间内能够阅读3469本医学专著，24.8万字的论文，69种治疗方案、多少次实验数据与多少临床报告。

三、计算之树

一般来说，都是用机械的方式来代替人计算，然而通过《三体》这个文学作品展现的是用人来代替机器做这个运算。人们能够自动计算之后，把一部分计算规则、运算符和数字都放进机器之后，整体去看就有一个计算之树，于是战德臣教授把计算之树分为这三个点，第一个就是我们说的0和1，0和1是把我们要表达的东西都用0和1去表达。第二，把运算的符也用0和1去实现，包括整个计算的过程也也只有0和1在实现。

所谓的程序，就是算法+数据结构=程序，程序是最基本动作，程序是把基本元素和符号进行组合，由基本动作构造出更复杂动作。而把递归单独去列出来也是战德臣教授的说法，他认为递归是由高阶调用低阶的一种构造和执行非常有效的方法，也是体现出计算机特性的很有意思的东西。

所有的东西都是一个编码，这个编码是有规则的，为什么现在的车牌为什么是5位的？为什么到了新能源绿色的车牌可以有6位呢？为什么一开始只有数字，然后又加了字母，加几个字母？一头一尾加字母还是按顺序加字母？都是做编码的一种，看多了你就明白这个规则了，因为字体不一样，这就是具有计算思维的人，我们在做的就是进行编码的分析和考证，推理最后得出下一步趋势，这就是体现的一个方式。

四、计算思维的特征

计算思维是一种人机结合的思维方式，也是一种算法思维，它至少具有抽象性、构造性和数字化，在这里要先把这个计算思维讲清楚，是因为新出来的高中的课表讲到了信息学科的核心素养，这核心素养里面，计算思维就是其中最重要的核心素养，然后还有数字化、信息意识、社会责任化。这里面最少涉及两个，数字化、计算思维。

大家肯定很熟悉的就是我们递归问题，例如俄罗斯套娃，通过阶乘算法，从大到小，依次排除。随着问题的复杂度提高和规模的增大，计算工具逐渐由单机变成了网络，人们需要用系统化的思维和网络化的思维来解决问题，这就产生了这两个特征，系统化和网络化。最后，思维过程最终要在虚拟计算机事件当中得以实现，出现第六个叫做虚拟化，这六个思维方式是我们国内专家黄凌丽写出的六个特征，分别为互联网思维、系统思维、数字化思维、算法思维、智能化思维。

五、中小学计算思维培育的实践载体

顺着这五个思维的分类再去看小学初中的内容就可能看的很清楚，比如说涉及到系统思维的，有计算机外部的储存、窗体和OS操作系统，这是系统方式，初中就是计算机内部系统、软件系统，包括邮件机器人系统等等。顺着这个数字化思维的思路，文字一体等等都可以进行数字化，甚至flash当中时间轴、图层、图象都是可以数字化的。

六、计算思维下的课程设计

1. 由简单到复杂，是我们设计内容和分析问题的时候很重要的思路，以后讲一个东西的时候，不要说书本上讲它，我就直接讲它，你的思维方式首先把它简化，就是一个三角型怎么简化成一条线，把它简化是一个思路，由一个东西讲到四个东西，那就很厉害了。

2. 趣味化也很重要，把基本原理讲清楚之后再去画更复杂的东西。

3. 加入虚拟化、智能内容。虚拟化必要的时候可以把一些东西采取局域网去实现。例如我在2003年上了一堂有关电子商务课，课上让孩子们买东西，当孩子点的东西，快递真的不一定送得到，给学生讲电子商务或者网上购物，并不只是告诉他可以在网上买到东西，你告诉他的很多，比如说有没有陷阱，购物里面要注意什么，这是很重要的东西。

4. 核心素养里有一个很重要的，伦理道理和信息责任问题。很多孩子对于伦理、安全、责任是没有概念的，直到孩子们吃亏后才会明白，就是我们自己不小心手机摔了，我的心痛了，我后悔刚开始我为什么不把他好好看管起来。一样的道理，骗子有的时候我们成人都防不胜防的，你必须要经历这个东西，比如我们说网上购物一方面，就是让孩子去明白，如果你是一个卖东西的人你在想什么，如果你是买的人你在想什么？

环节二：小组讨论

环节三：展示交流

第四组代表

吴老师讲的是计算机源起、特征和策略，主要是讲思维，计算机思维是一个定向的，它没有感情，我在想计算辑思维，如果人炒股我们每次买卖都有依据，每次买卖亏损的原因是什么？就是没有计算机思维。因为人的思维、情感会波动，而计算机不会。

第一组代表 

如果我们将计算思维简单化一点，计算思维我们能不能把它想象成一个计算机具备的思维能力，而人类具有的计算思维其实是使用计算机来解决的能力，比方说在这里数字化思维是文字图像、音频、视频的数字化。就像人脸识别，人类可以根据人的脸部特征认出来，但是很难把所有人认出来，而人脸识别技术把人的脸变成一串数字，人类具有了识别人脸的能力，电脑具备了人脸识别技术，它是不是也具备这样一种能力？互联网思维现在说的是人类通过互联网跟电子邮件跟别人沟通，如果计算机应用上这种思维是不是具备了跟其它计算机沟通的能力，我们现在所想一个智能化思维，智能机器人，应用软件的智能化，如果计算机有这方面的能力，他是不是就能够脱离人类自己来控制机器人，我们现在所做的、所学的计算思维其实是帮计算机完善它，我们现在所学的计算思维其实是帮助计算机解决我们遇到的问题。

第二组代表

在我们上公开课的时候，我们公开课里面幻灯片的制作讲到思维导图，思维导图也是将流程模块化、具象化的过程，也是应用计算思维的过程，来将我们教材模块模化、具体化，将内容具象的流程形式表现出来。希望这个思维可以更多和我们的教材结合起来，能够将这个思维真正应用我们教材里面去。

第五组代表

我本身是学程序的，对VB、VC还是比较熟悉的，之前我在教初中主要以（无形）这一块为主，高一是以VB教学为主，我觉得学生学起来还是比较吃力。前段时间去重庆学习，我觉得重庆的学校在程序设计这一块比我要好很多，因为他们不是从代码入手，而是从一些基本的框架、控件的形式着手，既容易上手又很容易学习。

第三组代表

我们想从工具两个字说起，人类为什么成为人类？就是因为工具，我们会使用工具，使用工具也会让人类不断发展，一直变成现在这个样子，工具不但是人类发明出来，而且能够改变人类，就跟以前的车一样，后来慢慢有马、有车、有地铁。工具改变人类大脑思维方式。

电脑也是一个工具，电脑的使用，智能工具的使用，也改变了人类的生活方式、思维方式，电脑跟以往工具不一样的地方，就是电脑可以模仿人类的思维，可以实现人类某部分思维。我觉得在这种状态下，我们作为信息老师，现在强调计算思维，就在于我们要教会学生以后去怎么样使用计算机来做一些事情，来解决社会上的一些事情，最早是我们了解计算机怎么样工作，我们要了解0+1、要了解变成二进制、了解编程、了解计算机怎么工作。第二个层次是怎么利用计算机工作，比如之前教的office做网站等。现在我们就进入第三个层次，利用计算机工作的模式来解决问题，我们学校老师要利用计算思维来教学生怎么利用计算机，怎么使用计算机、怎么让很多事情更简单、更快捷。

环节四：专家点评

陈前永

首先感谢吴老师精彩而简练的演讲，我觉得他讲得非常清楚，能够感觉得到吴老师查阅收集了大量的资料来跟大家做交流。计算思维看起来好像高大上，其实我们每个人都可能会用到，距离我们其实不远。

众所周知，随着信息技术快速的发展，信息技术学科也面临着不断地更新和改革，现有的教学内容已经不可以单单是学习某几个软件，应该与时俱进，增加人工智能的相关内容，尤其是计算思维。

案例讲解

今天吴老师讲解计算思维的时候举了几个深一点的例子 。一个是方程。一元二次方程求解，AX+BX+C=0。他提出用判断的办法在“-n”“+n”之间判断，然后用自变量的变化，依次由计算机判断。另外一个是用俄罗斯套娃演示递归的性质。递归有这样两个特点，第一个特点是把问题越来越简单化，比如n的阶乘等于多少，我不知道，但是我知道n的阶乘就是“n-1”；“n-1”的阶乘是多少呢？我不知道，但是我知道“n-1”阶乘就是“(n-1)x(n-2)”的阶乘……把它定义它为0，回过头来我们就可以计算，这就是递归。

（以上根据录音整理，未经本人校对）

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来源：罗湖区教育局

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