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1引言

計算思維作為人工智能的基礎(chǔ)思維,對于未來社會的發(fā)展具有重要意義和價值.隨著互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興信息技術(shù)發(fā)展,計算思維受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注.計算思維在數(shù)學(xué)問題解決、數(shù)學(xué)推理等方面具有重要價值.初中階段與計算思維相關(guān)的概念主要與運算能力相關(guān),要求學(xué)生“根據(jù)法則和運算律正確的進行運算,理解運算算理,尋求合理簡潔的運算途徑解決問題”[1];高中階段涉及“數(shù)學(xué)運算”核心素養(yǎng),要求學(xué)生“理解運算對象,掌握運算法則,探究運算思路,選擇運算方法,設(shè)計運算程序,求得運算結(jié)果等”[2].計算思維在計算科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,關(guān)于計算思維的教育主要集中在高等教育,K12階段也有所涉及.具體到學(xué)科方面,國外對計算思維在數(shù)學(xué)、科學(xué)學(xué)科已經(jīng)進行了一些探索,國內(nèi)的研究主要集中在信息技術(shù)領(lǐng)域,數(shù)學(xué)學(xué)科相關(guān)研究較少.OECD開展的國際學(xué)生評估項目(PISA)以其前瞻性、先進性、嚴(yán)謹(jǐn)性和建設(shè)性被國際社會大多數(shù)國家和地區(qū)認(rèn)可并參與,成為國際上最具影響力的學(xué)生評價項目之一[3].PISA2021以數(shù)學(xué)為主要測評領(lǐng)域,在數(shù)學(xué)素養(yǎng)定義、內(nèi)涵以及測評內(nèi)容方面均做出了重大調(diào)整[4].其中最明顯的變化是首次引入計算思維,并將其和數(shù)學(xué)問題解決、數(shù)學(xué)推理一起納入21世紀(jì)數(shù)學(xué)素養(yǎng)的一部分[5].未來社會的問題解決與計算機編程、算法設(shè)計、數(shù)據(jù)科學(xué)、機器學(xué)習(xí)密不可分,均以計算思維為重要基礎(chǔ)[6].計算思維與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)密切相關(guān),如何從數(shù)學(xué)的角度理解計算思維?本文結(jié)合PISA2021數(shù)學(xué)素養(yǎng)測評框架,解讀數(shù)學(xué)中的計算思維,在此基礎(chǔ)上討論對我國中學(xué)數(shù)學(xué)課程改革的啟示.

2數(shù)學(xué)中的計算思維

計算思維在學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中具有重要作用,結(jié)合PISA2021測評,分別從計算思維的內(nèi)涵、計算思維在數(shù)學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)中的價值以及計算思維在數(shù)學(xué)素養(yǎng)評價中的體現(xiàn)三個方面解讀數(shù)學(xué)中的計算思維.

2.1計算思維的內(nèi)涵

計算思維作為計算機科學(xué)家的思考方式引入并被視為一種思維過程[7],在制定問題和設(shè)計解決方案時,需要計算機、人或兩者的結(jié)合來執(zhí)行.由于技術(shù)在學(xué)生生活中發(fā)揮越來越大的作用,PI-SA2021認(rèn)為數(shù)學(xué)素養(yǎng)應(yīng)包括數(shù)學(xué)思維和計算思維之間的協(xié)同和互動關(guān)系.數(shù)學(xué)中計算思維的內(nèi)涵主要體現(xiàn)在:(1)數(shù)學(xué)中計算思維的本質(zhì)數(shù)學(xué)中計算思維的本質(zhì)被概念化為定義和闡述可通過編程表達的數(shù)學(xué)知識,允許學(xué)生動態(tài)地建模數(shù)學(xué)概念和關(guān)系.針對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的計算思維實踐包括數(shù)據(jù)實踐、建模和仿真實踐、計算問題解決實踐和系統(tǒng)思維實踐.(2)數(shù)學(xué)素養(yǎng)中的計算思維技能數(shù)學(xué)素養(yǎng)中的計算思維技能包括模式識別、分解、確定可以使用哪些(如果有)計算工具來分析或解決問題,以及將算法定義為詳細(xì)解決方案的一部分.學(xué)生應(yīng)該擁有并能夠展示計算思維技能,并將其作為問題解決實踐的一部分.(3)計算思維在數(shù)學(xué)中的作用計算思維在數(shù)學(xué)中的作用包括特定數(shù)學(xué)主題如何與特定計算主題相互作用,以及數(shù)學(xué)推理如何補充計算思維等.數(shù)學(xué)教育不但在工具使用和支持學(xué)生探索強大學(xué)科思想的潛在方式方面不斷發(fā)展,而且可以通過精熟使用計算思維工具和技能單元創(chuàng)造有效的學(xué)習(xí)條件從而深化數(shù)學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí).計算思維工具為學(xué)生提供了一個情境,在這個情境中,學(xué)生可以具體化抽象結(jié)構(gòu)(通過動態(tài)方式探索和參與數(shù)學(xué)概念),也可以用新的方式表達想法,并通過媒體和新的表征工具與概念互動.數(shù)學(xué)與計算思維的結(jié)合,不僅促進學(xué)生對數(shù)學(xué)領(lǐng)域概念理解的發(fā)展,也是培養(yǎng)學(xué)生計算思維概念和技能的關(guān)鍵.讓學(xué)生更加真實地了解如何在現(xiàn)實世界中使用數(shù)學(xué),進而為他們在相關(guān)領(lǐng)域的職業(yè)生涯做好更加充分的準(zhǔn)備.

2.2計算思維在數(shù)學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)中的價值

計算思維是數(shù)學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)的重要基礎(chǔ).結(jié)合PISA2021框架界定的數(shù)學(xué)領(lǐng)域(數(shù)學(xué)推理和數(shù)學(xué)問題解決、數(shù)學(xué)內(nèi)容、數(shù)學(xué)情境),計算思維在數(shù)學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)中的價值主要體現(xiàn)在數(shù)學(xué)推理、數(shù)學(xué)問題解決以及特定數(shù)學(xué)內(nèi)容等方面.(1)計算思維有助于理解數(shù)學(xué)抽象數(shù)學(xué)推理(包括演繹推理和歸納推理)是數(shù)學(xué)素養(yǎng)的核心,由一些關(guān)鍵理解支持,這些理解是學(xué)校數(shù)學(xué)的基礎(chǔ).其中“欣賞抽象和符號表示的力量”這一關(guān)鍵理解中涉及計算思維.數(shù)學(xué)抽象的本質(zhì)在于它是一個自包含的系統(tǒng),數(shù)學(xué)對象從該系統(tǒng)中獲得其意義.抽象涉及有意地和有選擇地關(guān)注數(shù)學(xué)對象之間的結(jié)構(gòu)相似性,并基于這些相似性構(gòu)建對象之間的關(guān)系.在學(xué)校數(shù)學(xué)中,抽象形成了具體對象、符號表示和運算(包括算法和心智模型)之間的關(guān)系.這種能力在使用計算設(shè)備時也起著作用.在重要的計算思維技能中,在技術(shù)環(huán)境中處理抽象概念時,能夠創(chuàng)造、操縱和提取意義.(2)計算思維豐富學(xué)生數(shù)學(xué)問題解決手段和工具數(shù)學(xué)問題解決過程包括表述、應(yīng)用和詮釋.“表述”是指學(xué)生能夠有效地識別在問題情境中使用數(shù)學(xué)的機會,然后提供必要的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),以數(shù)學(xué)形式公式化情境問題;“應(yīng)用”是指學(xué)生能夠很好地進行計算和操作,并將他們所知道的概念和事實應(yīng)用到數(shù)學(xué)問題的解決方案中.“詮釋”涉及學(xué)生如何有效地反思數(shù)學(xué)解決方案或結(jié)論,在現(xiàn)實問題的背景下解釋它們并確定結(jié)果或結(jié)論是否合理或有用.在數(shù)學(xué)問題解決過程中鼓勵學(xué)生通過計算思維工具和實踐體驗數(shù)學(xué)問題解決過程,鼓勵學(xué)生練習(xí)預(yù)測、反思和調(diào)試技能.比如在“詮釋”過程中,計算思維的價值包括使用數(shù)學(xué)思維和計算思維進行預(yù)測,為論證提供證據(jù),測試和比較提出的解決方案.計算思維為學(xué)生數(shù)學(xué)問題解決提供了豐富的手段和工具,可以有效激發(fā)學(xué)生“做數(shù)學(xué)”的積極性[8].(3)計算思維促進學(xué)生數(shù)學(xué)內(nèi)容深度學(xué)習(xí)對數(shù)學(xué)內(nèi)容的理解以及將這些內(nèi)容應(yīng)用于解決有意義的情境化問題的能力非常重要.數(shù)學(xué)內(nèi)容包括變化與關(guān)系、空間與圖形、數(shù)量、不確定性與數(shù)據(jù)四個方面.以數(shù)學(xué)內(nèi)容“變化與關(guān)系”為例介紹計算思維的價值.在生物生長、音樂、季節(jié)變化和周期、天氣模式、就業(yè)水平和經(jīng)濟條件等多種環(huán)境中,變化和關(guān)系是顯而易見的.函數(shù)和代數(shù)的傳統(tǒng)數(shù)學(xué)內(nèi)容包括代數(shù)表達式、方程和不等式、表格和圖形表示,是描述、建模和解釋變化現(xiàn)象的核心.計算工具提供了一種將變化和關(guān)系可視化并與之交互的方法.識別計算設(shè)備如何以及何時能夠增強和補充數(shù)學(xué)概念是一項重要的計算思維技能.

2.3計算思維在數(shù)學(xué)素養(yǎng)評價中的體現(xiàn)

背景調(diào)查是學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)評價的起點.為了更好對教育系統(tǒng)做出評估,自第一輪PISA以來均設(shè)置學(xué)生和學(xué)校背景調(diào)查問卷.通過調(diào)查問卷可以提供背景,解釋教育系統(tǒng)內(nèi)部和之間的PISA結(jié)果;也可以為其他教育指標(biāo)提供可靠和有效的測量,這些指標(biāo)本身可以為政策和研究提供信息.PISA2021數(shù)學(xué)框架中背景調(diào)查問卷包括四個維度:數(shù)學(xué)推理、計算思維和技術(shù)在數(shù)學(xué)教學(xué)中的作用、四個重點內(nèi)容領(lǐng)域以及數(shù)學(xué)背景下的21世紀(jì)技能.分別從以下幾個方面對第二個維度“計算思維和技術(shù)在數(shù)學(xué)教學(xué)中的作用”進行介紹:(1)學(xué)生對計算思維的體驗計算思維的各個方面構(gòu)成了數(shù)學(xué)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)的一個快速發(fā)展和增長的維度.PISA2021數(shù)學(xué)素養(yǎng)框架說明了計算思維既是做數(shù)學(xué)的一部分,又對如何做數(shù)學(xué)產(chǎn)生影響.背景問卷中關(guān)于學(xué)習(xí)和開放性的價值觀和信念模塊可以探索學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中對計算思維作用的體驗.(2)關(guān)鍵問題PISA2021數(shù)學(xué)素養(yǎng)框架提請人們注意,技術(shù)正在以不同的方式改變世界,也在改變從事數(shù)學(xué)的意義.背景調(diào)查問卷的關(guān)鍵問題包括:首先,深入了解學(xué)生的數(shù)學(xué)經(jīng)驗和數(shù)學(xué)實踐是如何變化的;其次,在技術(shù)對學(xué)生如何參與數(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)人工制品等帶來影響的前提下,了解數(shù)學(xué)課堂教學(xué)法是如何演變的.對于學(xué)生來說,更好地理解技術(shù)如何影響學(xué)生的表現(xiàn)是很有意義的,可以在問卷框架的任務(wù)表現(xiàn)模塊中進行探討;教學(xué)問題可以在學(xué)習(xí)時間、課程和教學(xué)實踐模塊中探討.(3)評價內(nèi)容示例注重計算思維和技術(shù)在數(shù)學(xué)實踐和教學(xué)中的作用對背景調(diào)查問卷有影響,背景調(diào)查問卷應(yīng)提供措施,以便更好地了解學(xué)生在這方面的學(xué)習(xí)機會.尤其是問卷應(yīng)確定學(xué)生的頻率,例如:•設(shè)計或使用計算機模擬和/或計算機模型;•數(shù)學(xué)課堂內(nèi)外的代碼或程序;和•接觸計算機數(shù)學(xué)系統(tǒng)(CSM)(包括動態(tài)幾何軟件);電子表格;編程軟件(如Logo和Scratch);圖形計算器;游戲等).

3對中學(xué)數(shù)學(xué)課程改革的啟示

信息技術(shù)變革對學(xué)生未來數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)提出更高的要求,計算思維將發(fā)揮重要的作用.下面分別從數(shù)學(xué)素養(yǎng)內(nèi)涵、數(shù)學(xué)課程內(nèi)容、數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)評價三個方面闡述計算思維帶來的啟示.

3.1豐富數(shù)學(xué)素養(yǎng)內(nèi)涵的理解

隨著新興信息技術(shù)的發(fā)展,學(xué)生生活的世界發(fā)生了巨大的變化,數(shù)學(xué)素養(yǎng)被賦予了新的內(nèi)涵.PISA2021測評框架指出21世紀(jì)數(shù)學(xué)素養(yǎng)包括數(shù)學(xué)推理、數(shù)學(xué)問題解決和計算思維.計算思維成為數(shù)學(xué)素養(yǎng)的組成部分.關(guān)于數(shù)學(xué)素養(yǎng),《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》提出十個關(guān)鍵詞,《普通高中數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提出六大學(xué)科核心素養(yǎng).二者雖然均強調(diào)信息技術(shù)的發(fā)展對數(shù)學(xué)教育的價值、目標(biāo)、內(nèi)容以及教學(xué)方式產(chǎn)生很大的影響,但并未明確提出計算思維.因此,在當(dāng)前義務(wù)教育改革深化的背景下,數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)將計算思維納入數(shù)學(xué)素養(yǎng)之中.與此同時,義務(wù)教育可以借鑒PISA2021數(shù)學(xué)素養(yǎng)測評框架,從計算思維視角對義務(wù)教育數(shù)學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵與外延進行明確界定,從而促進義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程改革.

3.2優(yōu)化數(shù)學(xué)課程內(nèi)容的整合

計算思維有利于學(xué)生開展數(shù)學(xué)推理、數(shù)學(xué)問題解決,在特定數(shù)學(xué)內(nèi)容上提供了行之有效的解決方案.但并不是所有的課程內(nèi)容都適合與計算思維整合,要結(jié)合數(shù)學(xué)內(nèi)容的特點和計算思維的特性合理安排.《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》明確指出,數(shù)學(xué)與計算機技術(shù)的結(jié)合在許多方面直接為社會創(chuàng)造價值,推動著社會生產(chǎn)力的發(fā)展;積極開發(fā)和有效利用各種課程資源,合理地應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù),注重信息技術(shù)與課程內(nèi)容的整合,能有效地改變教學(xué)方式,提高課堂教學(xué)的效益[1],但并未明確計算思維如何與課程內(nèi)容整合.修訂數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)時,可以以計算思維為導(dǎo)向,進行深度改革與實踐,全面更新、重構(gòu)數(shù)學(xué)課程內(nèi)容,通過實踐、總結(jié)再到實踐,最終構(gòu)建出真正融合計算思維的數(shù)學(xué)課程內(nèi)容,使得數(shù)學(xué)課程內(nèi)容更加與時俱進.

3.3拓展數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)評價的維度

已有的數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注數(shù)學(xué)知識、數(shù)學(xué)推理、數(shù)學(xué)問題解決評價等,未將計算思維的考察納入數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)評價當(dāng)中.PISA2021數(shù)學(xué)素養(yǎng)背景調(diào)查問卷中納入計算思維,拓展了數(shù)學(xué)素養(yǎng)測評維度.學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)評價應(yīng)當(dāng)兼顧計算思維,理想的方式是讓學(xué)生通過計算工具進行數(shù)學(xué)創(chuàng)作,作品可以是模擬某個現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型、經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘而得到數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)等.這樣既能體現(xiàn)學(xué)生對數(shù)學(xué)內(nèi)容、數(shù)學(xué)本質(zhì)的理解,又能展現(xiàn)學(xué)生計算思維與實踐的能力.通過引入計算思維的評價擴展學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)評價維度,達到促進學(xué)生全面發(fā)展的目的.

4結(jié)語

未來社會中學(xué)生需要在復(fù)雜情境中創(chuàng)造性地做出非常規(guī)的決策,計算思維將與數(shù)學(xué)推理、問題解決等共同發(fā)揮關(guān)鍵作用.本文以PISA2021數(shù)學(xué)素養(yǎng)測評為例,從數(shù)學(xué)的角度解讀計算思維,在此基礎(chǔ)上探討了對中學(xué)數(shù)學(xué)課程改革帶來的啟示.數(shù)學(xué)中計算思維的引入,對我國中學(xué)數(shù)學(xué)課程發(fā)展提供了良好的借鑒,促進深化數(shù)學(xué)課程改革,從而進一步推動數(shù)學(xué)教育走向現(xiàn)代化.

作者:劉錦 曹一鳴 單位:北京師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院