大學計算機基礎教學中的計算思維養成

摘要：文章闡述了在大學計算機基礎教學中對學生計算思維能力培養的方法和途徑，提出在教學的各個環節中融入思維訓練，可以使學科知識與計算思維能力互相促進，共同提高，達到提升創新實踐能力的目的。

關鍵詞：計算思維；大學計算機基礎；程序設計思路；實驗性學科

0.引言

隨著計算機技術的飛速發展和普及，計算機文化知識已經成為當代非計算機專業學生知識結構的重要組成部分。目前，我國大部分地區的中小學都開展了計算機的基礎教學工作，高中生在進人大學前已經具備一定的計算機理論知識和操作能力。在大學中開設的計算機基礎課程如果還是延續以往的基礎知識和上機操作，學生就會出現到課率不高、缺乏學習積極性等現象。

教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會提出了大學計算機基礎教學要培養對計算機的認知能力、利用計算機解決問題的能力、基于網絡的協同能力和信息社會終身學習的能力。因此計算機基礎教學的培養目標，不僅僅要強化基礎知識和應用技能，更重要的是在此基礎之上培養學生用計算機解決和處理問題的思維和能力，理解計算機在問題解決過程中所發揮的作用，展現計算機學科的思維方式，提升創新實踐能力。

1.關于計算思維

美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授認為，計算思維是每個人應必備的基本技能，不僅僅屬于計算機科學家。我們在培養學生解析能力時不僅讓他們掌握閱讀、寫作和算術（Reading，wRiting and aRithmetic

3R），還要學會計算思維。

計算思維就是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看似困難的問題重新闡釋成一個我們知道怎樣解決的問題，它是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為。計算思維無處不在，當其真正被融入人類活動的整體時，它就成為解決問題的有效工具。比如，女兒早晨上學，她把當天需要的東西放進背包，這就是預置和緩存；兒子弄丟他的手套時，你建議他沿走過的路尋找，這就是回推；在什么時候停止租用滑雪板而自己買一付呢，這就是在線算法；在超市付賬時，你應當去排哪個隊呢，這就是多服務器系統的性能模型；為什么停電時電話仍然可用，這就是失敗的無關性和設計的冗余性等。在現代生活中，計算思維在海量信息分析處理、大型系統設計、工程組織與實施、自然現象與人類社會行為模擬等方面具有重要的意義。在大學計算機基礎課程中有意識地講述這方面的內容，并加以適當的訓練，可以提高學生對計算機科學的理解和認識，形成科學的世界觀和掌握科學的方法論。

2.組織教學過程

計算機是一門理論性與實踐性都很強的學科，在教學中貫穿計算思維的培養是一個新的跨越和挑戰。在傳統的計算機基礎教學模式中，計算思維是隱藏在能力培養中的，要靠學生自己去領悟，而現在要將其明白地講出來，讓學生有目的地、自主地學習。

南京工業大學開設的大學計算機基礎課程內容主要分為兩部分：計算機信息技術和程序設計語言。計算機信息技術課程由理論知識和實踐操作組成，理論知識部分主要介紹計算機信息處理方面的基本概念、原理和技術，實踐操作部分主要訓練計算機的操作和常用軟件的使用。程序設計語言分語種進行，南京工業大學主要開設了VB、VC和VFP三門語言。由于計算思維教育著眼于思維模式的養成和訓練，因此在理論學習和實踐操作兩個環節都有著與以往教學不同的要求和目標。

2.1信息技術課程的思維培養

教學目標是教學內容設計和實施的出發點和落腳點，對課堂教學的順利進行起主導作用。為了培養計算思維能力，需要對傳統的課程內容重新梳理，以新的組織方式和思路傳授給學生，在灌輸知識的同時引導學生積極思考，使其逐步建立基于計算的思維方式。大學計算機信息技術的教學內容中有很多隱藏著計算思維的知識點和案例，因此，我們在內容的組織上要按照教學大綱，首先歸納出知識單元，然后梳理出知識中所涉及的計算思維，引出思考點，將知識傳授轉變為基于知識的思維傳授，逐步引導學生建立基于計算思維的知識體系。

我們在課堂教學中盡量采取師生互動討論的方式，幫助學生回憶以前學過的內容，讓每一位學生都參與進來。通過學生講述、教師引導，歸納出問題所在，最后達到解決問題的目的。每次課都有一條思維主線，教學內容圍繞這條主線展開和延伸。例如，在講授計算機硬件結構時，可以先讓學生談談計算機所擁有的基本部件，由教師歸納并繪制出經典計算機工作的原理圖，同時讓學生思考影響系統工作效率的因素及改進方法，進而繪出現代計算機工作的原理圖。再如講授什么是信息技術時，先由概念引出人類獲取信息的方式，學生討論身邊有哪些信息技術以及這些技術的作用，進而引出利用計算機來進行信息處理的優勢，再來思考計算機是如何進行信息處理，這就涉及文字、圖片、聲音如何在計算機里表示，進而引出二進制以及如何將我們最熟悉的數值轉換成二進制的方法。在講述操作系統時，首先由學生談談所知道的操作系統的作用，由教師總結出幾大功能模塊，對具體的功能模塊展開思考，如CPU的管理，由學生提出提高CPU效率的方法，最后再由教師帶領學生共同進行可行性分析以確定合適的管理方法。

整個課堂教學由學生發言→教師引出思考→學生提出解決方案→共同進行可行性分析→教師總結歸納幾個環節構成。在教學設計中，教師要引導學生對問題進行抽象、分析，使其掌握所涉及的計算原理，形成問題求解的思路。特別要設計好師生互動環節，給學生提出問題的機會，同時還要善于引導學生積極有效地思考、討論，鼓勵學生積極回答問題、探索問題的求解方法，使學生能在學習中思考，在思考中逐步培養計算思維。

2.2程序設計課程的思維培養

在現有課程設置條件下，在程序設計課程上如何培養學生的計算思維能力？程序設計課程的重點應放在講思路，講如何對問題進行抽象，講如何從計算機的角度去解決問題的步驟。以往的程序設計語言課效果欠佳的主要原因是過于注重語句語法，學生滿腦子都是語句，卻不能自主編出一個程序，無法達到課程設置的目的和要求。

在程序設計教學中應避免照本宣科地向學生講授語法規則、程序結構等，應從生活中的現象作為切入點，激發學生的學習興趣，積極引導學生思考問題，不要過早地被那些深奧晦澀的語句和語法搞得一頭霧水。例如，在講到選擇法排序時，可以隨機抽取若干名學生到講臺上排隊，通過對排隊過程的步驟分解，找出解決問題的形象化方法，使學生切身感受到排序在計算機中實現的機制，理解計算機解決問題的方式和方法。在學生理解了選擇法排序的過程之后，可以適當引入其他排序算法，通過對比時間與空間復雜度進行算法的效率分析，要求學生能根據所要解決的問題，選擇一種適當的排序法。也就是說，要改變目前的程序設計課程思路，以發現問題→分析問題→尋求多種解決方案→各種解決方案對比→實現解決方案作為程序設計訓練方法，探索不同算法在效率和性能方面的影響，理解實用的基本程序設計原則，盡可能接近解決實際問題的模式。

再如，講到VC++中鏈表的內容時，可以形象化地與生活中的“順藤摸瓜”這種結構對應起來，由此引申至計算機的非順序存儲結構及其所帶來的有效利用存儲空間的優勢。這樣就在原有的單純教會學生編程序的基礎上更進了一步，通過這種方法可以逐步培養學生形成理性的邏輯思維和嚴謹的思維習慣，讓學生成為問題的解決者而不僅僅是程序設計員。

2.3實踐環節的計算思維培養

大學信息技術的實踐環節，主要側重于學生對常用軟件的學習和使用。這部分內容教師在課堂上不做講授，只在實驗時進行輔導，由學生自己根據實驗指導書的要求完成實驗內容。在實驗中，教師可以適當結合理論課的內容和上機操作，要求讓學生就某一個知識點完成一篇科技小論文或就一個主題寫一篇綜述，通過以上要求不僅可以鍛煉學生的上機操作和信息檢索能力，而且可以使學生對課程中相關的知識有更加全面和整體的認識。由于目前各高校對計算機基礎課程課時都進行了刪減，在課堂教學中有些內容無法涉及，通過科技小論文和總結性的綜述可以引導學生進行自主學習。

程序設計課程屬于實驗性學科，讓學生按部就班地上機調試教材中的程序，不是實驗教學的真正目的。實驗的目的不僅是驗證程序是否正確可行，也是培養學生的問題求解和機器實現能力的手段，并逐步養成計算思維能力。在學生動手編寫程序代碼之前要求用文字寫下求解問題的實現步驟，這樣可以幫助學生理解計算機解決問題的方法和實現過程，在分析確認了實現步驟可行之后，再根據所使用程序設計語言的語法規則對應到具體的實現語句上，形成最終的程序代碼。因為程序設計語言是一種確定性的符號系統，學生在編程調試過程中出現的任何錯誤，都會在編譯、鏈接和運行時表現出來，而通過檢錯和糾錯的過程，就可以逐步培養學生形成理性的邏輯思維、嚴謹的行為習慣和科學的實證精神。

3.結語

計算機課程是一個理論性與實踐性都很強的科學。從計算能力培養到計算思維養成，是一個新的跨越和挑戰。在現階段的課程設置條件下，有針對性和系統性地對教學各個環節進行組織和設計，是培養學生計算思維能力的重要途徑，也’是大學計算機基礎教學改革的目標之一。然而，思維培養是一個綜合性很強的要求，僅通過一兩門課程是無法實現目標的。因此，計算機基礎教學課程盡管可以很好地訓練相關內容，但是真正意義上的計算思維培養還要從教育體系的全方位來實施。

（編輯：郭田珍）