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随着信息技术的快速发展，云计算、物联网、移动互联网、大数据、微博、微信、手势识别、体感交互、虚拟现实等这些新技术、新平台和新词汇层出不穷，让人们目不暇接。信息社会，每一位公民的生活都与计算机、互联网紧密相连。
随着现实世界与虚拟世界不断融合，数字化和计算化逐渐演变成为现代社会的基本形态特征，计算思维的作用和意义越来越突出。为了适应计算强度日益增加的信息社会，更好地认识和改造世界，人们就有必要深入地感知生活中的计算。在这种形势下，提升我们的学习能力，掌握科学的思维是每一个公民应该具备的基本素质。
科学家已将计算思维和理论思维、实验思维并列为人类三大科学思维，计算思维正逐渐成为一种基本的思维智慧。它从被美国卡内基大学教授周以真明确提出的那天起，便引起全球计算机教育者的广泛关注和热烈讨论。以周以真为代表的研究者认为，计算思维可以成为读、写、算之后的第四种基本能力，将在 21 世纪中叶成为人人必备的基本技能而不仅仅属于计算机科学家。
中学信息技术课程的发展与社会的进步、国家的要求、信息技术的发展以及师生个人的发展密切相关。在新的形势下，中小学信息技术教育正在实现教育目标从“信息常识”到“学科核心素养”的转向，教学内容从“工具技能操作”到“学科对个体发展的支持”的转向，学科价值从“应用行为”到“学科思维”的转向。
教育部在 2014 年 4 月 24 日正式印发的《教育部关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》中提出了研究制定学生发展核心素养体系和学业质量标准、修订课程方案和课程标准等十项措施。
2016 年 9 月 13 日，《中国学生发展核心素养》研究成果在京发布。该成果是教育部委托北京师范大学，联合国内高校近百位专家成立课题组，历时 3 年完成的，这个研究成果是课标修订、课程建设、学生评价等诸多方面的基础。
所谓“学生发展核心素养”，主要是指学生应具备的、能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。信息技术学科的核心素养包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。
即将公布的普通高中课程标准修订，也将核心素养作为重要的育人目标。在即将颁布的新课标中，将高中信息技术课程性质描述为：普通高中信息技术培训课程是一门旨在提升信息素养，帮助学生掌握信息技术基本知识与技能、增强信息意识、发展计算思维、提高数字化学习与创新能力，树立正确信息社会价值观和责任感的基础课程。
在学科核心素养公布以及新课标的引领下，计算思维必将成为中小学信息技术课程的核心教学内容，这也是信息技术学科内在价值的体现。关于中学生计算思维的培养也应成为中学信息技术教师关注的一个特别重要和迫切的核心研究问题。
2017 年 6 月 26 日，我们在CNKI（中国知网）上“文献全部分类”中以“计算思维”为关键词进行查询，得到了 2 307 条结果，年限范围是 1991 年至 2017 年。在这些搜索结果中，最早一篇题目中包含“计算思维”的文章是 1992 年 8 月 1 日北京师范大学黄崇福的一篇博士论文，题目是“信息扩散原理与计算思维及其在地震工程中的应用”，这篇文章提出的计算思维并没有引起反响。而随后的文章大多是谈思维能力以及计算能力的问题。真正意义上的“计算思维”还是周以真教授最早提出来的。
随后，我们剔除 2 307 条结果中关于小学生计算及其他无关于计算思维的文章，留下从 2007 年 5 月至 2017 年 6 月共 1 273 篇与“计算思维”紧密相关的文章。
这些文章按年份分布如表 1 所示：
表1 2007 年 5 月至 2017 年 6 月与“计算思维”紧密相关的文章
其柱形图如图 1 所示。
图1 2007 年 5 月至 2017 年 6 月与“计算思维”紧密相关的文章柱形图
从表 1、图 1 我们可以看出，国内关于计算思维的研究从 2009 年开始，至 2013年达到了一个高峰，在 2015 年又成为一个研究热点。值得注意的是，2017 年虽然刚刚过去半年，但相关研究文章篇数已达 155 篇，可见目前关于计算思维的研究与探索已经开始成为一个热点问题。
这些文章中对于中学生的计算思维培养的研究最早的是 2012 年 9 月的一篇文章。2012 年至 2015 年对中学生的计算思维培养方面的文章才逐渐增多，但也大多限于对计算思维的认识方面，真正落实到信息技术教学实践中的仅仅有几篇硕士论文零星的研究，没有形成规律性的研究结果，在研究广度以及研究深度上远远没有达到应有的程度。
关于中学生计算思维培养方面的文献从 2012 年至 2017 年 5 月共有 48 篇，按年份分布如表 2 所示。
表2 2012 年至 2017 年 5 月关于中学生计算思维培养方面的文献
从表 2 可以看出，关于中学生的计算思维培养与大学生和高职学生的计算思维培养相比较而言起步晚，远远没有达到应该受到的重视程度。从 2015 年开始，人们才意识到培养中学生的计算思维的重要性，但远远没有达到成为研究热点的程度，研究的广度、深度更是没法与大学、高职相关研究的相比。
从以上收集到的文献中，我们借助CNKI的学术关注度以及用户关注度工具进行了分析，如图 2 所示。下载了其中的一些重要文献，进行了深入的阅读和理解，理清了计算思维的概念以及计算思维的培养等方面的内容。
图2 文献分析
计算思维是当今备受关注的涉及计算机本质问题和未来走向的基础性概念，在国外，这一概念最早是在 1996 年由麻省理工学院（MIT）的Seymour Papert教授提出的，但真正有影响力的还是曾经担任美国卡内基梅隆大学（CMU）计算机科学系的主任周以真在 2006 年 3 月提出来的。周以真（J.M.Wing）教授在计算机权威期杂志《美国计算机协会通讯》（ Communications of the ACM ）上指出：计算思维（computational thinking，CT）是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、理解人类行为等一系列思维活动。她认为抽象和自动化是计算思维最显著的两大重要特征，计算思维还包括递归、平行思考、抽象、分解等。这个定义强调了计算思维的作用和普适性，并对计算思维的外延进行了描述，强调了计算机科学领域的方法和原则对问题解决的作用。
2010 年，她再次补充计算思维的定义：计算思维是一种解决问题的思维过程，能够清晰、抽象地将问题和解决方案用信息处理代理（机器或人）所能有效执行的方式表述出来。可以看出，对问题进行发现和抽象，对问题及其解决方案进行表述，采取信息技术方法和手段将其处理完成是计算思维的核心所在，这个定义再次突出了问题解决。
计算思维是关于人的思维，它的研究主体是人不是机器，也不是程序和计算机的思维。周以真教授总结出计算思维的六个特征。
第一，概念化，不是程序化。计算思维是我们在解决问题时要采取像计算机科学家那样思考问题的方式，不是计算机编程。计算思维要求能够在不同维度的抽象层面上进行思维，是一种复合型的思维能力。
第二，基本的，不是刻板的技能。计算思维是信息时代人人必备的一项基本技能，就像我们从小培养“读、写、算”等基本能力一样，它不是一种死记硬背的刻板技能。
第三，是人的，不是机器的思维。计算思维是人类求解问题的一条途径，但绝非是使人类像计算机那样思考。
第四，数学同工程思维的结合。
计算思维本质上起源于数学思维和工程思维。起源于数学思维，是因为计算思维的形式化建立在数学思维的基础之上。同时又起源于工程思维，是因为我们的最终目的是要构建能与现实世界产生互动的系统。
第五，是思想，不是人造品。计算思维不仅局限于用计算机生产制造出来的与现实生活息息相关的物品或者设计开发出来的软件程序。计算的思想，是能够被人们用来解决问题、管理日常事务、与人交际的思想理念。
第六，面向所有的人、所有的地方。计算思维作为人类具备的一项基本技能和问题解决工具，将无处不在，同时也应该在所有的学校和课堂当中得以应用。
周以真教授给出的有关计算思维的内涵和特征是大部分研究者和学者比较认可的，对计算思维的一系列探究也都是以周以真教授的有关计算思维的内涵和特征为基础展开的。
2011 年，美国国际教育技术协会（International Society for Technology in Education，ISTE）联合计算机科学教师协会（Computer Science Teachers Association，CSTA）基于计算思维的表现性特征，给出了一个操作性定义：“计算思维是一种解决问题的过程，该过程包括明确问题、分析数据、抽象、设计算法、评估最优方案、迁移解决方法六个要素。”这个操作定义首先将计算思维界定为问题解决的过程，在这个过程中首先需要形成一个能够用计算机工具解决的问题，在此基础上逻辑化组织和分析数据，通过模型和仿真对数据进行抽象表示，通过算法设计实现自动化解决方案，以优化整合步骤、资源为目标，确定、分析和实施可行的解决方案。将解决方案进行总结，并迁移到其他问题的解决中。这个定义对基于计算思维的问题解决过程进行了描述，较为清晰。
2012 年，英国学校计算课程工作小组（Computing at School Working Group，CAS）在研究报告中阐述：计算思维是识别计算，应用计算工具和技术理解人工信息系统和自然信息系统的过程，是逻辑能力、算法能力、递归能力和抽象能力的综合体现。
2013 年，南安普敦大学的CynthiaSelby博士和John Woollard博士提出计算思维包括算法思维（algorithmic thinking）、评估（evaluation）、分解（decomposition）、抽象（abstraction）、概括（generalisation）这五个方面的要素。
英国皇家科学院将计算思维定义为认识周围世界所存在的不同层次的计算，应用计算机科学工具和技术理解并辨析自然系统和人工系统及其运行过程。这一定义的核心在于对各种不同类型、不同层次计算问题的发现，以及通过计算机技术和工具对人工和自然系统进行剖析和理解。
美国德保罗大学（DePaul University）的Settle和Perkovic基于Peter J.Denning的七个伟大计算原理（The Great Principles of Computing）提出了一个计算思维的概念框架，内容包括计算、通信、协作、记忆、自动化、评估和设计。
Google公司对计算思维的认识也体现了技术支持下的问题解决过程，Google认为计算思维过程是问题解决技巧和技术的集合，并将计算思维过程界定为问题分解、模式识别、模式生成和抽象、算法设计。
在国内对于计算思维的研究中，桂林电子科技大学计算机与控制学院董荣胜教授阐述了计算思维与计算机方法论的关系，他指出：计算思维与计算机方法论虽有各自的研究内容与特色，但它们的互补性很强，可以相互促进，计算机方法论可以对计算思维研究方面取得的成果进行再研究和吸收，最终丰富计算机方法论的内容；反之，计算思维能力的培养也可以通过计算机方法论的学习得到更大的提高。两者之间的关系与现代数学思维和数学方法论之间的关系非常相似。
2009 年，中国工程院院士、中科院计算技术研究所所长李国杰提出：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它选择合适的方式去陈述一个问题，对一个问题的相关方面建模并用最有效的办法实现问题求解。有了计算机，我们就能用自己的智慧去解决那些计算时代之前不敢尝试的问题。
中国科学院自动化研究所王飞跃教授认为，计算思维是一种以抽象、算法和规模为特征的解决问题之思维方式。广义而言，计算思维是基于可计算的手段，以定量化的方式进行的思维过程；狭义而言，计算思维是数据驱动的思维过程。
中国科学院院士陈国良也给计算思维下了这样一个定义：计算思维是运用计算机的计算概念，它的重要性是说计算思维如同我们小孩子入学受到的各种教育，都必须具备的思维本领。从这个定义可以看出，计算思维是从计算机领域迁移出来的一种思维能力。陈教授对计算思维的定义和周以真教授的是有相似性的，他们都肯定计算思维应该是每个人应该具备的一种基本能力。
陈国良院士和董荣胜教授还进一步提出了一个包含八个概念、三个层次的体系，如图 3 所示。
图3 计算思维基本概念的层次关系
即将颁布的新课标在对高中信息技术课程目标的描述中有关于计算思维的进一步解释和说明。计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动。具备计算思维的学生，在信息活动中能够采用计算机可以处理的方式界定问题、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，并迁移到与之相关的其他问题解决中。
从以上对计算思维的描述中可以看出，无论是国外的研究者还是国内的研究者对于计算思维的研究都越来越清晰，可操作性也越来越强。
从计算思维不同角度的概念描述可以看出：计算思维是适应信息社会人人所应具备的一种思维能力。它具有抽象和自动化的本质特点，是利用计算机科学的方法解决实际问题的一系列思维活动，这一系列思维活动包括界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据等。
美国是最早开展计算思维研究和普及计算思维的国家。在美国教育界的大力推动下，不仅有像卡内基·梅隆大学这样的高等学府对此进行讨论与研究，而且还包括美国计算机协会（ACM）、美国计算机科学教师协会（CSTA）、美国数学研究所（AIM）等众多团体组织。
2008 年，美国计算机协会明确将“计算思维”正式纳入“计算机导论”课程，并明确要求该课程讲授计算思维的本质。美国计算机科学教师协会还在其主页上发布了名为《计算思维：一个面向所有课堂的问题解决工具》的报告，文中详细分析了什么是计算思维以及如何利用其进行问题的解决。
美国国家科学基金会在 2013 年 1 月启动面向 21 世纪的计算机教育（Compu-ting Education for the 21st Century）项目，重点扶持中小学开设计算机科学课程。计划在 2015 年前培训 10 000 名计算机科学教师在 10 000 所高中开始教授新型计算机科学课。计算思维作为计算机科学课程中的重要内容之一，被纳入最新版CSTA k12 标准（2012 修订版）中。
计算思维不仅影响着美国的教育，也影响着英国的教育，在英国的爱丁堡大学，人们在一连串的研讨会上探索与计算思维有关的主题。另外，英国计算机学会也组织了欧洲的专家学者对计算思维进行研讨，提出了欧洲的行动纲领。
2009 年 11 月 9 日，在《中国信息技术已到转变发展模式关键时刻》一文中，李国杰在展望未来信息技术的发展前景时指出，20 世纪下半叶是以信息技术发明和技术创新为标志的时代，预计 21 世纪上半叶将兴起一场以高性能计算和仿真、网络科学、智能科学、计算思维为特征的信息科学革命，信息科学的突破可能会使 21世纪下半叶出现一场新的信息技术革命。
2009 年 12 月 27 日，中国计算机学会青年计算机科技论坛哈尔滨分论坛（YOCSE哈尔滨）与哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院青年沙龙共同举办了“计算思维”专题论坛的会议。哈工大计算机学院副院长王亚东教授做了题为“计算与计算思维”的报告。报告从科学技术发展的角度出发，讲述了计算思维已经和即将对各门学科产生的影响，在计算机专业的各门课程中渗透“计算思维”的设想，并倡议学者们总结计算思维有哪些类别，以及它们和各门学科、日常生活的关系。
2010 年 7 月 19 日至 20 日，北京大学等 9 所知名高校在西安交通大学举办了“C9 高校联盟计算机基础课程研讨会”。教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会主任陈国良院士做了“计算思维能力培养研究”的报告。大会就增强大学生计算思维能力的培养发表了“C9 高校联盟计算机基础教学发展战略联合声明”。《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》强调要把培养学生的“计算思维”能力作为计算机基础教学的核心任务。
2013 年，教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会正式发布了《计算思维教学改革宣言》，进一步明确了计算思维培养在大学计算机基础课程教学中的中心地位，并把计算思维的培养提升到创新人才培养和国家发展的高度。
从 2010 年《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》发布至今已近 7 年时间，这期间大学教师利用计算机基础课程对包括计算机相关专业以内的几乎所有专业的大学生进行了计算思维培养的教学实践，出版了一系列基于计算思维培养的专著、教材。
我们以“计算思维”为关键词在当当网上搜索，返回了 352 项书籍的搜索结果，其中包括一些关于计算思维的专著，大部分是基于计算思维培养的大学计算机基础课程的教材。
从这些专著教材以及中国知网搜索的文献来看，大学教师对于培养学生计算思维的实践大多是基于算法和程序设计来展开的。由张莉主编，黄达明、陶婷、张萍编著，清华大学出版社出版的《计算机网络——以计算思维为视角》挖掘了计算机网络知识中与计算思维相关的知识点，提炼这些知识点并融合到相应的教学内容中，为利用除算法和程序设计之外的教学内容中培养学生的计算思维提供了借鉴。
浙江树人大学信息科技学院的汤益芳于 2016 年 5 月在《软件导刊（教育技术）》杂志上发表了一篇题为“基于软件应用的计算思维能力培养的教学实践与研究”的文章，在该文中作者论证了利用软件应用类课程培养计算思维能力的必要性和可能性，阐述了基于软件应用的计算思维能力培养的教学理念。将该理念的教学设计过程应用于“Dreamweaver网页设计”课程中。遗憾的是可能由于版面限制原因，该文并没有详细列出培养了哪些计算思维能力，对于详细的培养过程也没有明确说明。
可见，到目前为止，算法和程序设计成为学生计算思维培养的重要载体，承担了绝大部分计算思维培养的功能。其他信息技术教学内容中也会渗透计算思维的思想和理念，需要教师深入地挖掘和整理。
现在越来越多的学者、专家开始对计算思维感兴趣，开始进行研究和交流，但是在基础教育阶段中关于计算思维的研究则开始得比较晚。
基础教育阶段中培养学生的思维能力的文章还不多，现阶段对计算思维培养的研究大部分还停留在理论阶段，有的仅仅是在课堂中引入了计算思维，对计算思维的培养仍然缺乏科学的体系。
从有数的几个研究文献来看，大家一致认为，计算思维的培养是中学信息技术学科责无旁贷的任务，计算思维培养正是中学信息技术学科内在价值的体现。在中学进行计算思维的培养是非常必要和可行的。计算思维的培养有利于学生形成科学的态度，使学生的思路更加开阔，思维更加缜密；能提高学生的合作和交流能力、质疑能力。
有学者认为计算思维是一种运用计算概念和工具解决实际问题的过程。它是一种需要系统培养、锻炼的科学思维方式，分析其特征和我国信息技术教育现状，可以将计算思维从方法习得、工具应用、思维迁移三个层面与中小学信息技术课程融合并落实。
上海市浦东教育发展研究院谢忠新、曹杨璐认为，Selby和Woollard博士关于计算思维的观点比较适合中小学信息技术教育。两位学者认为，不仅仅是算法与程序设计模块能较好地培养计算思维中的算法思维，在其他课程内容模块中，只要精心组织好培养计算思维的课堂活动，也都可以很好地培养学生的计算思维，关键是教师要结合信息技术课程内容挖掘与精心设计计算思维培养的课堂活动。
进行中小学信息技术学科课堂教学过程的设计时，教师可以针对计算思维其中一种思维的培养，设计课堂某个教学环节的活动。教师也可以结合课堂教学内容，关注计算思维的多个方面的培养，设计课堂整体教学活动。认为这种方法适合目前中学信息技术教学现状，具有非常强的可操作性和借鉴意义。
中国在中学生计算思维培养的研究及实践处于刚刚起步阶段，与计算思维应有的重要地位极不相称。北京市信息技术学科特级教师李冬梅老师在接受访谈时认为，中小学的信息技术教育应该是通过学习知识，能够解决实际的问题，这是更重要的一个价值，要实现就一定要让学生慢慢地熟悉这样的一种思维方式。另外她认为，计算思维不仅仅是针对计算机科学家和学者的，现在的学生必须要学习这种思维，这是一种必备的素质。
学生的计算思维不能自然形成，必须经历由教师进行理论研究及实践探索才能达成。
目前，对于如何培养计算思维还没有确切且有效的方法，对计算思维在中学信息技术教育中的培养还没有引起足够的重视。由于计算思维的抽象性，没办法在短时间内有效测量计算思维能力是否得到提高，目前也没有一定的量化标准来测量计算思维能力。因此，需要我们中学信息技术教师主动探索中学生计算思维培养的策略、特点，在实践中摸索对中学生计算思维培养的规律，从而提高学生的计算思维能力，在日常的学习和生活中能够使用计算思维方法，运用计算思维的特征来解决实际问题，为他们更好地适应不断变化的信息社会打下良好的基础。
值得庆幸的是，国际一些非盈利组织致力于推进青少年计算思维的培养，其中有影响力的两个大活动是“编程一小时活动”和“百博思”计算思维挑战赛活动，我国中小学生已经参与其中。
2014 年 12 月 8 日至 12 日，微软支持Code.Org，在全球 200 个国家、用 35 种语言，向百万青少年发出邀请，一起挑战“编程一小时”。这个活动由一家美国非营利组织Code.org发起的，是旨在提高人们尤其是青少年创新能力、计算思维和普及计算机科学教育的一个活动。这个活动寓教于乐，无论之前是否接触过编程，都可以在游戏中学习代码这门未来的语言。
微软公司创始人比尔·盖茨、Facebook创始人马克·扎克伯格、Dropbox创始人安德鲁·豪斯顿、美国总统奥巴马、NBA明星Chris Bosh、歌星黑眼豆豆William Adams等人都明确支持“编程一小时”这项活动。更重要的是，全球成千上万的教育研究者、在校教师、家长和学生都对这个活动赞不绝口。到目前为止，全球已有超过 47 796 025 名学生参加了这个活动。学校/机构在注册后，将会在本次活动的世界地图上有所显示。例如，北京航空航天大学、北京光华路小学等已经在地图上显示出来。
国际计算思维挑战赛（International Challenge on Informatics and Computational Thinking，国际统一缩写为Bebras，中文译为“百博思”），“百博思”挑战赛事始于2004 年的欧洲，大赛旨在激起学生对于计算思维和计算机科学的兴趣，同时了解学生计算思维水平。挑战赛采用浅显易懂的方式呈现题目，每道试题均为情境性任务，让学习者利用已有知识运用计算思维完成挑战性任务。
第一届“百博思”挑战赛于 2004 年在立陶宛举行。随着该赛事的影响越来越大，参与人数也急速增加，2011 年参与人数 37 万（18 个国家），2012 年 52 万（21个国家），2013 年73 万（29 个国家），2014 年93 万（36 个国家），2015 年131 万（38个国家），到 2016 年 161 万（34 个国家）。据预测，2017 年将有 50 个国家参与，测试人数将超过 200 万。
2017 年国际计算思维挑战赛中国赛区新闻发布会在北京师范大学国际学术交流中心举办。此次新闻发布会的召开，标志着国际计算思维挑战赛 2017 年中国赛区正式拉开序幕。
培养中学生的计算思维也是中学信息技术课程的内在价值体现。自 20 世纪80 年代以来，信息技术经历了以个人计算机为核心到以互联网为核心，再到以数据为核心的发展脉络，信息技术课程也随着这种变化而变化。一门充分发展的学科应有其独特的核心概念、逻辑结构和表达方式，以此反映学科的本体价值。中小学信息技术作为一门基础性学科课程同样需要明晰课程的知识结构，辨清逻辑关系，形成学科大概念的体系结构。计算思维是信息技术课程的一种内在价值，中小学信息技术课程的开展，不能只是停留在外在的技能操作练习上，甚至也不应停留于解决问题步骤的掌握上，更重要的还是发展学生利用信息技术解决问题的一种交互性思维方式，即计算思维。
形成计算思维能力是中学生适应信息社会、健康成长的需要。计算思维的培养能使中学生顺利适应信息化的学习、生活、生产、交易、交流等生存方式，获得在信息社会生存与发展的能力，从而成长为信息社会合格的数字公民。
培养中学生计算思维是践行新课标的必由之路，即将颁布的高中信息技术课程的新课标将中学生计算思维的培养提高到一个前所未有的高度。这是我们培养学生计算思维的依据，也必将成为我们今后很长一段时间教学工作的依据和中心内容。
总之，基础教育阶段对学生计算思维的培养仅处于摸索阶段，广大的一线中学信息技术教师对在信息技术课程中如何开展计算思维的培养缺乏整体的认识，在中学教育阶段究竟该如何渗透计算思维，如何让计算思维与现有的课程进行有机的融合，以及如何对学生进行有效培养等问题，需要信息技术一线教师在实践中摸索和探究。
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注：该文写于 2017 年 6 月