“計算思維”帶給高師院校計算機教育的機遇與挑戰

◆石 云

(六盤水師范學院計算機科學與信息技術系)

“計算思維”帶給高師院校計算機教育的機遇與挑戰

◆石 云

(六盤水師范學院計算機科學與信息技術系)

介紹什么是“計算思維”及目前國內外“計算思維”的研究進展狀況，強調“計算思維”對于計算機教育的重要性。闡述當前師范院校計算機教育遭遇的困境，指出“計算思維”的提出使計算機科學從前沿高端向基礎普及的轉型，將給以教學為主的高師院校帶來的發展機遇及要解決的難題。

高師計算機教育 計算思維能力 教學改革

計算機從誕生至今逾半個世紀一直作為一種計算工具，隨著計算機的普及，它將變得越來越普通。催生大學計算機系的IBM公司早已開始“鼓吹”:不用過多久，今天的計算機系將“消失”，并被服務科學系取而代之。雖然“危言聳聽”，但卻折射出計算機學科未來發展前景渺茫。美國卡內基·梅隆大學周以真教授在《計算思維》這篇文章中，把計算機從工具聯系到思維的發展，進而提升到與“讀、寫、算”同等的高度和重要性，成為適合于每個人的“一種普遍的認識和一類普適的技能”。“計算思維”的提出，一定程度上意味著計算機科學從前沿高端向基礎普及的轉型，這無疑給以教學為主的高師院校帶來了發展空間，也提出了嚴峻挑戰。

一、什么是“計算思維”

國際上廣泛認同的計算思維定義來自周以真(Jeannette Wing)教授。周教授認為，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解的涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。

計算思維的本質是抽象和自動化。如同所有人都具備“讀、寫、算”(簡稱3R)能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。計算思維無處不在，當計算思維真正融入人類活動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人人都應掌握，處處都會被使用。

二、“計算思維”研究在國外

計算科學的至關重要性與學生興趣的下降形成鮮明對比背景下，2005年6月，美國總統信息技術咨詢委員會(PITAC)向美國總統提交報告，美國科學基金會(NSF)很快組織計算教育與研究領域的專家，召開系列會議，于2005年末至200 年初形成4份應對計算機教育危機的報告。

2006年3月，周以真(Jeannette M.Wing)教授在美國計算機權威雜志ACM會刊上發表的文章《計算思維》系統全面地提出了“計算思維”(Computational Thinking，CT)。2007年美國科學基金會(NSF)啟動了“大學計算教育振興的途徑”(CISE Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education，CPATH)計劃，投入巨資進行美國計算教育的改革。

經過2007年和2008年的資助和項目實踐，“大學計算教育振興的途徑”(CPATH)計劃相關工作者認識到，計算思維在計劃中所起的重要作用，對在2009年申報的項目提出了更為具體的以計算思維為核心的課程改革。“大學計算教育振興的途徑”(CPATH)計劃啟動后，不僅引起美國教育界的關注，也引起美國科學界的關注。2008年，美國科學基金會(NSF)還啟動了一個涉及所有學科的、以計算思維為核心的重大基礎研究計劃“計算使能的科學發現與技術創新”(Cyber－Enable Discovery and Innovation，CDI)，進一步將計算思維的培育擴展到美國的各個研究領域。

三、“計算思維”研究在國內

“計算思維”早就存在于中國的古代數學之中，但真正使“計算思維”的概念變得清晰化和系統化是周以真教授的《計算思維》，真正使“計算思維”的理念被國內專家學者關注和重視是2008年10月31日至11月2日在桂林召開的全國高等學校計算機教育研究會，之后國內專家對“計算思維”的論述層出不窮。

由李國杰院士任組長的中國科學院信息領域戰略研究組撰寫的《中國至2050年信息科技發展路線圖》指出，長期以來，計算機科學與技術這門學科被構造成一門專業性很強的工具學科。“工具”意味著它是一種輔助性學科，并不是主業，這種狹隘的認知對信息科技的全民普及極其有害。針對這個問題，報告認為計算思維的培育是克服“狹義工具論”的有效途徑，是解決其他信息科技難題的基礎。

孫家廣院士在《計算機科學的變革》一文中明確指出，(計算機科學界)最具有基礎性和長期性的思想是計算思維。

國家自然科學基金委員會信息科學部二處處長劉克教授，特別強調大學推進計算思維這一基本理念的必要性。

中國科學院計算技術研究所研究員徐志偉總工認為，計算思維是一種本質的、所有人都必須具備的思維方式，就像識字、做算術一樣;在2050年以前，讓地球上每一個公民都應具備計算思維的能力。

教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會對計算思維的培育非常重視。2010年7月，在西安會議上，發布了《九校聯盟(C9)計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》，確定了以計算思維為核心的計算機基礎課程的教學改革。

教育部高等學校計算機專業教學指導分委員會聯合中國計算機學會教育專業委員會、全國高等學校計算機教育研究會召開了一次主任(理事長)擴大會議，就計算思維能力培養形成共識:計算機專業教育應該在計算思維能力培養中做出表率。讓計算思維諸要素融入到非計算機專業學生的能力結構中。計算思維能力培養應該從中小學生抓起，這就會涉及到當前中小學信息技術教育內容的改革與師資水平的提高。

四、當前師范院校計算機教育現狀

1.計算機專業學生教育現狀

進入21世紀后，計算機技術迅猛發展并應用于經濟與社會發展的各個領域，信息產業成為全球最大的產業，社會對信息技術人才的需求，不僅在數量上有了更大的增長，而且在質量上也提出了更高的要求。但據2011年10月至12月對當地高師院校計算機學科在校生的學習現狀、畢業生就業情況以及用人單位對計算機專業人才評價的問卷調查顯示，90.5%的在校計算機專業學生認為，所學習的專業內容枯燥、抽象;86.7%的計算機專業畢業生認為，大學所學內容與市場人才需求存在脫節;83.9%的用人企業認為，計算機專業畢業生存在動手能力差，對計算機新技術的掌握及運用能力差;78.9%的用人單位認為，計算機專業畢業生競爭優勢不大。在2012年3月至4月的專業實習中，由于實習單位不能提供計算機專業實習內容，至使僅有30%的學生可以從事與計算機專業相關內容的實習。

高師院校計算機專業正在遭遇學生專業學習興趣低下、逃學率增加、入學率減小、社會認同度滑坡、就業狀況堪憂的局面。

2.非計算機專業學生教育現狀

隨著信息技術在中小學的普及，許多新進校的大學生已經具備一定的計算機操作技能，現有許多大學開設的非計算機專業的計算機入門課程“大學計算機基礎”的教學內容對許多新生來說已不在陌生，甚至早已掌握。現行非專業學生所學習的“大學計算機基礎”課程教學內容主要包括:計算機基礎知識(設及計算機發展史、計算機硬件組成及性能指標、計算機軟件系統及層次結構、計算機常用外部設備工作原理及特性、進制及進制轉換、字符及漢字編碼、計算機病毒等)、計算機網絡基礎(設及計算機網絡發展簡史、計算機網絡概念、數據傳輸方式或傳輸介質、計算機網絡拓撲結構、網絡協議、Internet概述、網絡接入方式等)、Microsoft Office軟件(Word、Excel、PowerPoint)操作。這些在中小學信息課程中不同程度學習過的內容，到大學繼續學習會讓學生產生厭學及抵觸情緒，逃學、上課不聽講、作業抄襲等現象時有發生，教學效果不理想。

五、當前師范院校計算機教育面臨的機遇與挑戰

1.計算機科學由前沿高端向基礎普及轉型可以發揮高師院校的優勢

“計算思維”的提出，使得計算機教育從“工具”教學向“思維”能力培養的轉變，成為與“讀、寫、算”(簡稱3R)能力一樣的人必須具備的思維能力。高師院校在科研環境、實驗設備投入、實習基地建設等方面都遠遠不及以科研為主的高校，但卻擁有一批教育理論扎實的師資隊伍，如何使用合適的教法培養學生的“計算思維”能力相對于其他類型的高校有優勢，但如何讓教師先行具有“計算思維”的觀念和能力、如何改革現行教材內容將是高師院校將面對的難題。

2.中小學將足夠重視計算機教學，高師院校將打開就業局面

各中小學為了提高升學率，對于信息技術課程沒有足夠的重視，信息技術課程課時少、教學設備匱乏、課程評價體系不健全，以至一些學校的信息技術課程常被語文、數學等課程占用，信息技術課沒有專職教師、高師院校無法在中小學正常開展教育實習等問題出現。計算思維可能是未來人類的一種與讀、寫、算類似的基本能力，其培養僅靠大學期間幾門課的學習是難以完成的，應該從中小學生抓起，這就會涉及到當前中小學信息技術教育內容的改革與師資水平的提高。這無疑給高師院校計算機專業畢業生提供了更多的就業空間，但如何對在校師范生開展計算思維能力的培養，并讓他們可以將這樣的能力傳播給中小學生，這些都給高師院校提出了挑戰。

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