計算思維驅動下的計算機導論課程改革

杭月芹　管致錦　陳德裕

摘要：計算思維已成為現代多學科人才必須具備的一項基本素質。為了在計算機導論課程的教學中大力培養學生的計算思維能力，文章依據計算思維的內涵和計算機導論課程的構建目的，從教學內容、教學理念、教學方法及教學評價4個方面介紹課程改革情況，指出這種改革充分體現以人為本、傳授知識、培養能力、提高素質、協調發展的現代教育理念。

關鍵詞：計算機導論；計算思維；課程改革；自由文理；團隊教學

0 引言

針對國內外計算機教育發展的新動向，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，特別就計算思維能力的培養問題形成幾點認識。計算機專業教育應該在計算思維能力培養中做出表率，將系統化計算思維能力的培養貫穿在計算機專業的教育中。計算機導論是計算機專業的一門先導必修課程，是作為計算機專業學生進入大學后的第一門專業課程，其主要作用可以歸納為“五導”：導知識、導方法、導思維、導意識和導職業。我們認為“導思維”是首要的，也是最為核心的，同時也是最難做到的，“導思維”在引導培養學生計算思維能力的過程中，可以很好地、潛移默化地達到其他4項引導作用。

如何建立計算思維能力的培養要求、實施途徑、評測規范與方法一直是當前計算機教育者從事計算思維研究的一項重要課題。我們結合教學團隊多年的經驗積累，依據計算思維的本質和特征及計算機導論課程的構建目的，從教學內容、教學理念、教學方法及教學評價等方面探討如何在計算思維驅動下對計算機導論課程進行一系列的改革和探索。

1 計算思維與計算機導論

計算思維（Computational Thinking），籠統地講，是指受過良好訓練的計算機科學工作者面對問題所習慣采用的思維方法，體現為在過去半個多世紀以來成就計算機和信息技術輝煌發展過程中行之有效的若干分析問題與解決問題的典型手段與途徑。其具體內涵在近年來發表的文獻資料中均有豐富論述。而有關計算機導論課程的構建問題，在1989年ACM攻關組所提交的“計算作為一門學科”（Computing as a discipline）報告中認為，該課程要培養學生面向學科的思維能力，使學生領會學科的力量，以及從事本學科工作的價值所在。報告希望該課程能用類似于數學那樣嚴密的方式將學生引入到計算學科各個富有挑戰性的領域之中。

2008年6月在網上公布的ACM對CC2001（CS2001）進行的中期審查報告（CS2001 Imerim Review）（草案）中，開始將美國卡內基·梅隆大學計算機科學系教授周以真（Jeannette M.wing）倡導的“計算思維”與計算機導論課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計算思維的本質。

綜上所述，計算機導論這門課程不是解決對計算機功能的工具性認識問題，而是要對學生進行專業引導和思維引導，應該以面向計算學科的思維能力，也即計算思維能力的培養為核心。學生如果有了良好的計算思維品質，不管環境、知識需求如何變化，都可以靈活應變，從而為今后的專業學習以及走上工作崗位打好堅實的基礎。

2 計算思維驅動下的課程改革

2.1 統一教學目標，靈活教學內容

美國卡內基·梅隆大學周以真教授認為：計算思維是運用計算機科學的基本概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為。它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維一大特征是數學和工程思維的互補與融合。計算機科學在本質上源自數學思維，其形式化基礎建筑于數學之上。計算機科學又從本質上源自工程思維，基本計算設備的限制迫使計算機學家必須計算性地思考，不能只是數學性地思考。所以計算思維的研究存在多維性，它緊密地同數學、科學和工程結合在一起。另一方面，計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人和機器去執行，在求解問題時必須從人的認知、心理、思維活動和學科發展角度去入手，故存在研究角度的多態性。

因此，計算思維多維、多態的復雜特征決定了計算機導論課程當前培養方案的多樣性與差異性。當今計算機的理論和技術發展太快，新的知識大約每兩年就會增長一倍，教材根本無法實現實時地對新知識、新技術進行跟進。因此，我們主張教材為輔，“導思維”為主的原則，在統一的數學目標指導下靈活課程的講授內容，留給教師和學生最大的思考空間。沒有了教材的“束縛”，教師有了更多的掌控空間，學生也不會因教科書而將概念固定化，更不會出現臨考抱“教材”的現象。

我們確定計算機導論課程的教學目標是：在學生建立計算機專業學科知識體系框架的同時激發學生的學習興趣及學習的主動性，培養學生的計算思維能力、洞察問題及解決問題的能力，為后續學習相關專業課程、參與創新課題等打下堅實的基礎。在教學內容的劃分和安排上，由于課時有限，我們主張理論教學內容在劃分上盡可能地簡單分明，前后知識可以很好地呼應起來，這樣更有利于知識點的系統化，不會因為章節龐雜、知識點太多而導致學生難于消化。為此將課程的講授內容簡單劃分成3大部分：

（1）介紹計算學科各領域的發展史及前沿，揭示各主要領域的基本規律及相互之間的內在聯系；認識當前社會和職業問題等。

（2）介紹計算機學科中的經典科學問題，初步認識和理解抽象、理論和設計3種學科形態。

（3）講解計算機學科中的核心概念（如算法、數據結構、程序、軟件、硬件、信息表示等），探討研究學科中的數學方法和系統科學方法，培養計算思維能力。

在講授過程中，我們借助精心制作的多媒體課件，結合授課內容和計算思維的培養目標，隨時有針對性地調整和豐富自己的講授內容。例如，講解計算機學科各領域的發展史時，通過引薦吳軍老師的《浪潮之巔》，讓學生對整個信息產業有個整體了解，明鑒信息技術之興衰和發展；而王偉老師的《計算機科學前沿技術》則系統展示了計算機學科各領域中令人激動的前沿技術，揭示未來計算機的發展方向，很好地體現了計算思維及其重要性。endprint

2.2 主張自由文理教育，突顯學生主體

作為國家建設未來的棟梁，需要的不是僅有技能的人才，重要的是有思想、精神、獨立思考能力和良好的身體。技能是容易學的，但一個人的素養和教養不是一蹴而就就能培養的。大學教育的目的應該在于培養學生終身學習的能力，比如閱讀、寫作、計算思維，而不是一時的某項職業技能。如果學生進入大學僅是為了將來的飯碗，那必然會羈絆他的頭腦，抑制他的求知欲。所以大學的專業學習需從“學什么”（內容）轉到“如何學”（過程），將“導思維”放置課程建設的首位。

我們主張自由文理（Liberal Arts）的教學理念，力爭引導一種自由的環境，激起學生主動學習的欲望，成為真正熱愛學習的人，即在沒有外界利益驅使下仍然在學習的人。對于自由的學生，他們的時間，他們的大腦和心靈在學習的時刻才真正受他們自己所支配，這樣的學習過程才可能專注且快樂。

在教學中，我們堅持以學生為本，打破傳統的教師講學生聽的單向模式，在課堂上采用提問式教學，注意引發學生學習的動機；嚴格地遵循計算機學科的發展規律，定期給出具有一定挑戰性的課題，通過分組合作的方式，以師生間討論、辯論的形式，自律地學習獲取知識的方法及分析問題的原則；利用平時的小論文，引導學生收集資料，增強自我學習的能力，建立抽象立體的概念；通過對科學大師的解讀沉淀一種學者的尊嚴和對真理的敬重和向往，培養學生的社會責任心。

2.3 遵從螺旋式組織方式，提升學生思維

若將教學比作爬山，通常的教學習慣是一口氣從山下直線攻頂，而布魯納在《教育過程》中所提出的螺旋式課程（Spiral curriculum）則是繞著山轉，在相同的角度看到的風景雖然都一樣，但每次繞回來時的高度不同，能看到的廣度和深度都不一樣。等到達山頂時學生不僅對山有具體認知，也能掌握四周環境全面性的關聯知識。計算機導論課程幾乎涵蓋了計算機領域所有的理論、技術和研究課題，內容太過廣泛，若前后不能很好地呼應起來，學生往往會因孤立地學習太多的知識點而導致前面學的內容到后面就忘記了，理解起來也相對困難。對于計算機科學這樣一個有機的、龐大的學科體系，教師應該引發學生對計算機學科知識結構的理解，精熟其基本原則、原理，以此產生類化的能力，而不是零碎概念、知識點的描述。

我們在課程實施中，遵循螺旋式課程的組織方式。首先結合教學團隊多年的教學經驗和團隊成員之間的合作討論對課程知識進行合理的結構化；然后從學生認知發展角度出發，沿認知發展的動作表象、形象表象、符號表象3個階段來組織課程內容。講授內容如2.1節所述，知識點在組織安排上前后呼應，螺旋式地擴展和加深，直至復雜、抽象的現代知識領域；最后在教學過程中我們采用合理的教學方式和緊密相連的學習節目來配合教學過程。比如教學中我們注重學習情境的安排，在講授算法時，注重引導學生感受其產生背景，摸索過程，走過什么道路，不同階段產生什么改變，將來的發展趨勢是什么，它還可以做什么改進等。引導學生主動參與學習活動，提供學生更多自行探索的機會，最終實現將“知識個人化”。為使學生站在同一角度看到更大的廣度和深度，我們主張采用團隊教學制。計算機學科發展迅速，應用領域廣，學科交叉和滲透十分突出，而計算機學科教師掌握和積累知識的廣度是有限的，往往限于個別研究方向，為了提高學生的學習興趣，拓展學生的思維和視野，在不同的知識領域會組織邀請相應有所“?！钡慕處焷碇v授，這樣可以發揮團隊互補優勢，實現對學生全方位的指導，收到良好的人本教育的效果。

2.4 采用分級評價手段，有效監管教學過程

計算思維能力的培養是一個長期的過程，學習和思維不是彼此獨立的，是緊密而互補地聯系在一起的。所以為了內化學生的計算思維能力，我們必須有效監管整個教學過程，對每個個體在不同的教學環節中的表現做出正確評價，這樣才可以實施因材施教，兼顧那些因各種原因而落后的學生。

我們采用螺旋式教學法，非常注重引導學生課前進行預習。在講授新內容之前，我們要求學生課前收集相應的材料加以了解，課堂上通過實施提問式教學，引導學生積極討論，同時依據學生參與情況及時做出相應的評價，對未準備的學生要給予相應懲罰，并在下次課中加重對其進行考察。相應地，在平時作業中我們不會布置常識性的題目，而是根據授課內容布置一些能夠引發思考、對計算機學科整體認知有幫助的題目，這樣就避免了作業抄襲的現象，增加了學生主動思考的機會，教師也可及時捕獲學生思維能力的變化，調整和改進后續的講解內容。

我們所采用的團隊教學制為實施團隊合作式學習提供了很好的平臺。在整個課程結束后，教學團隊中的每個成員會給出一些具有挑戰性和合作性的題目，學生根據自身對學科分支的理解和把握情況來挑選導師，在導師的牽頭引領下開展以小組為單位的研究型學習。學生最終需按照要求提交論文或報告，并在小組內通過上臺演講的方式進行答辯，最終以個人和小組的共同表現綜合給出評定。

期末考試是課程教學的最后環節，也是整個評價的最后一部分。為了與課程“導思維”的目的一致，我們與平時授課和作業結合起來，在大量減少客觀性的、死記硬背式題目后，增加大量探討性的、主觀性題目，給予學生足夠的思考空間。這樣一方面在某種程度上減少考場作弊的機會，另一方面也能夠更好地檢驗學生對計算機學科整體認識的程度。

3 結語

計算機科學與技術不僅為不同專業人員提供了解決相關問題的有效方法和手段，而且提供了一種獨特的處理問題的思維方式。因此在計算機導論課程中，我們堅持將“導思維”放在第一位，在授課過程中以學生為主體，選擇合適的教學方法，充分調用學生的積極性和主動性，通過多級評價體系強化教學效果，為后續相關課程的學習奠定理論和方法論的基礎。當然有關計算思維能力的培養是個漫長的過程，是一個終生學習的過程，對于每一位教育工作者都應在教學中堅持“授之以漁”，而不是簡單化為“授人以魚”。

（見習編輯：劉麗麗；編輯：郭田珍）endprint