基于計算思維的大學計算機基礎課程教學初探

董永健DONG Yong-jian

（常州機電職業技術學院，常州213164）

0 引言

“大學計算機基礎”是目前國內高校非計算機專業的計算機教育公共基礎課程。課程主要由理論知識講授和操作技能訓練兩部分組成。理論教學主要包括：計算機軟、硬件技術與網絡技術的基本概念、計算機信息系統安全、數據庫技術基礎、程序設計與算法基礎、多媒體技術基礎等方面的內容。操作技能訓練包括：Windows操作系統的一些基本操作和常用軟件的使用，主要是Office辦公自動化軟件、網頁制作軟件及圖像處理軟件等。

2010年10月在“第六屆大學計算機課程報告論壇”上，由中國科學技術大學陳國良院士提出將計算思維引入大學計算機基礎教學，從此計算思維得到了國內計算機基礎教育界的廣泛重視。利用計算機基礎教學來培養大學生的計算機思維能力，讓學生學會利用計算思維去思考、解決問題，對提高計算機基礎教學水平、培養優秀人才具有重要的意義。

1 計算思維的內容

美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授于2006年3月在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》上給出[1]，并定義的計算思維（Computational Thinking）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行為，它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[2]。這一概念深度概括和抽象，讓人難以理解，同時周教授又把計算思維引伸成七大類方法。由于教學對象是非計算機專業學生，無論是概念還是進一步引伸，仍然顯得晦澀難懂，對教學工作幾乎不存在可操作性，需要探討研究，力圖重新規劃成可以開展教學的問題。經過探討分析，大家發現周以真教授對計算思維的論述涵蓋了“意識、方法和本質”三個方面問題：

1.1 計算思維意識 計算思維從古至今，無所不在。計算思維的內容在不斷地拓展延伸。所以計算思維并不是一種新發明，而是人類早已存在的思維活動，是每個人都具備的一種技能。目前，計算思維與理論思維、實驗思維一起已被公認為人類的三大科學思維。數學學科以推理和演繹來培養理論思維（即推理思維），物理學科以觀察和總結自然規律來培養實驗思維（又稱實證思維），計算機學科以設計和構造來培養計算思維（又稱構造思維）計算思維的案例在計算機基礎教學中也是處處存在的。關鍵是人們如何把計算思維從無意識變為有意識，從被動變為主動地去解決各類問題。

1.2 計算思維方法 計算思維內容的核心是計算思維方法，周以真教授將其引伸為七大類方法。總而言之，可概括成兩大類：一類是出自數學和工程的方法；另一類是出自獨有的計算機科學方法。計算思維與計算方法彼此促進，彼此互補。計算思維方法是通過計算方法對計算思維研究取得的成果進行反復研究和吸收來豐富內容的。

在大學計算機基礎課程中，幾乎每一個定義都與計算思維方法相對應。例如，Cache是預置和緩存方法，多核處理器是并行處理方法。[3]在計算機應用課題中，每一個案例都是多種計算思維方法的集合。

1.3 計算思維的本質 計算思維的根本內容即其本質是“抽象化”和“自動化”。與數學和物理科學相比，計算思維中的抽象完全超越物理時空觀，并完全用符號來表示。數學抽象的最大特點是拋開現實事物的物理、化學和生物學等特性，而僅保留其量的關系和空間形式，而計算思維中的抽象化卻不僅僅如此。不僅有形式化表示，而且表示還應具備有限性、程序性和機械性。

2 計算思維教學現狀

①計算思維教學的無意識的。由于計算思維的研究不是很成熟，又因為計算機應用的根本是求解問題，而且問題求解的方法就是計算思維的方法，所以計算機基礎教育者都在無意識、潛移默化地實行計算思維教學。②對培養計算思維能力的重要性缺乏認識。以前，人們普遍觀點是計算思維是計算機應用能力之一，沒有真正意識到它是人類的三大科學思維之一，是推動人類文明發展和科學進步的三大支柱之一，是21世紀人才必備的根本技能。所以，從某戰略高度將計算思維從計算機應用能力中突顯出來，作為學習者的一種基本技能來實施教學。③教學只注重技術與應用，卻忽視了思維方法。由于開發軟件或系統是計算機應用的最終目的，因此教學上只重視它們的開發過程和細節，而忽視了引導計算機應用的思維方法教學。因此計算機基礎教學必然要將課程提升至思維教學的高度。

3 面向計算思維的教學改革策略

①開展計算思維教學是大學計算機基礎課程原有內容的提高和優化，并不是顛覆。將計算思維與基礎課程進行有機的結合，計算思維教學由無意識變有意識，由被動變主動，有消極變積極。②大學計算機基礎應是綜合“技能、知識和思維”三方面內容的課程。所有學生必須熟練掌握計算機的基本操作技能。以往在計算機基礎教學中教師著重是知識講解及傳授，而忽視了計算思維的培養。今后教師需將課程內容的知識點重新整理，在傳授理論知識的同時把計算思維方法直接傳授給學生。并通過案例分析、課堂討論等方式，來強化學生思維能力的培養，讓學生掌握運用計算思維來求解問題的方法步驟。③訓練計算思維的課程有很多，但是“大學計算機基礎”是訓練大學生計算思維的最佳課程，因為它是各類高校所有學生必修的課程。根據目前高校計算機基礎教學普遍采用“1+X”或“2+X”的課程體系，我認為在開展計算思維教學中，關鍵是“大學計算機基礎”，重點是“程序設計課程”，目的是“X門應用課程”。學生通過大學計算機基礎課程的學習，應能在一個較高的層次上利用計算機、認識并處理計算機應用中可能出現的問題，并且能夠將計算機科學中的一些理念、技術和方法有意識的借鑒、運用到各自的專業學習中。④我校作為應用型的高職高專院校,不能簡單照搬本科高校的教學內容。而應把計算思維的理念融入到探究教學中，運用計算思維的方法來調動學生的主動性、合作性、發展性、創造性，提倡以學生為本，進而更好地發揮二者的效力，綜合利用計算思維的教學策略，構建以教師為主導，學生為主體，以能力培養為目標的思維教學新意圖。根據基于計算思維的探究教學方案，我們采用案例教學法學習計算機基礎課程，從而通過探究計算思維來提高教學效果和培養學生思維能力。具體做法：1）通過挖掘課程教材，提出方案問題。2）運用計算思維的方法來啟發學生思考。在這一步驟中，學生根據教師提出的問題，思考解決的方案。教師在課堂上發揮主導作用，運用計算思維方法來啟發學生，幫助學生，引導學生。3）實時提供資源，幫助學生自主探究學習。4）提供協助，讓學生小組協作運用計算思維解決問題。5）總結拓展。這一步的關鍵是教師對問題進行交流歸納，總結經驗，拓展傳遞知識。學生運用所學方法討論、反思、遷移知識。

[1]Jeannette M.Wing.Computational Thinking[J].Communications of the ACM,2006,49(3):33-35.

[2]陳國良，董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育[J].中國大學教學,2011(1):3.

[3]李廉.計算思維—概念與挑戰[J].中國大學教學,2012(2):5.