計算思維在計算機應用型人才培養中的應用探索

袁磊　寧彬　谷瓊

摘 要： 在計算機專業教學過程中，如何培養學生計算思維能力的問題是當前計算機教育中的熱點課題。結合培養計算機應用型人才的需要，提出并踐行基于計算思維的探究式教學模式，包括課程教學改革、上機實踐、評價機制等方面的教學改革。經過兩年多的實踐證明，該模式有助于強化培養計算機專業學生的計算思維能力和專業實踐能力，為高等學校培養應用型人才開展教學改革提供了新的思路。

關鍵詞： 計算思維； 應用型人才； 教學改革； 人才培養

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）04-62-02

Abstract： Problem of how to cultivate the computational thinking ability for students in the computer teaching is the current hot topic in computer education. Combined with the necessity of the computer applied talent cultivation， the exploratory teaching pattern based on computational thinking is presented and fulfilled， including teaching reforms， practice， assessment mechanism， etc. After more than two years' practice， the results show that this mode can enhance students computational thinking ability and professional practice ability， and provide a new thought on developing teaching reform for cultivating applied talent in higher education.

Key words： computational thinking； applied talent； teaching reform； talent cultivation

0 引言

計算機科學領域研究成果的不斷豐富和完善，促使計算機技術廣泛應用于其他領域，如普適計算、商業智能、計算金融學、計算生物學、計算醫學等。計算機與這些學科之間的交叉越來越深入，單單依靠具有學術教育背景的傳統研究型計算機人才雖然是不夠的，所以培養能夠快速地將計算機技術應用于某一領域，解決該領域具體計算問題的計算機應用型人才非常重要。有計算機專業背景的研究人員往往被視為“編程者”，但隨著計算機無處不在，使用計算機的難度越來越低，設計數據庫、編寫計算機程序和復用它們的難度也不斷降低[1]。計算機技術人員正在從單純的編程實現脫離出來，從配角轉為主角，逐步地改變各學科研究人員對各自領域的認識和思考方式。這種現狀要求計算機應用型人才不僅有扎實的編程能力和計算機學科基礎，也應該擅長計算思維，能夠抽象和分解問題。

雖然一些計算機教育者正在教學過程中推進計算思維能力的培養，但是對于計算思維的總體認識和教學把握仍然處于摸索階段，還沒有形成一套完整的方法體系。

1 計算思維

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學周以真教授在ACM雜志上提出，計算思維是每個人的基本技能，我們應當使每個孩子在培養解析能力時不僅掌握閱讀、寫作和算術，還要學會計算思維。他指出：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。學會計算思維，是在信息社會中創新的需要。要培養出創造性人才，教育在思想和方法上就必須擺脫傳統教學的偏見，讓學生運用高效的思維去思考[2]。概括的說，計算思維與數學思維非常類似，是一種形式化描述思維，充分體現嚴謹的、形式化的、規整的邏輯思維。

目前，計算思維在教學和培訓中的應用正逐步展開。2008年，美國國家計算機科學技術教師協會（CSTA）在網上發布了得到美國微軟公司支持的 《計算思維：一個所有課堂問題解決的工具》報告。國內，多位專家學者也對此進行了一些有益的探索。2008年10月，我國高等學校計算機教育研究會召開專題學術研討會，根據“計算思維”領域的研究以及它在科技創新與教育教學中的重要作用，探討在教學過程中如何以課程為載體講授面向學科的思維方法，以共同促進國家科學與教育事業的進步。2009年12月，中國計算機學會青年計算機科技論壇舉辦“計算思維”專題論壇。

基于計算思維的教學核心理念是培養聰明的學習者，教師不僅要教會學生如何解決問題，也要教會學生發現值得解決的問題。通過為學生提供足夠的思維空間，激勵和引導學生自主學習，發現問題所在，繼而解決問題。一方面，以培養計算思維能力為目的，實現學生在計算思維活動中學習；另一方面，學習計算思維本身，這兩個方面相輔相成。基于計算思維的學習目的是為了創造，計算思維發展水平是學生成才的關鍵，計算思維教學對學生現在以及將來具有非常重要的影響。

2 基于計算思維的探究教學模式

為了在教學和實踐中融入計算思維，依據計算思維的方法和教學特點，提出基于計算思維的探究教學模式：教師確定教學內容，包括教學目標、教學任務、教學流程，并以問題的形式呈現給學生；學生面對問題，尋找幫助、提出解決方案、解決問題；運用計算思維方法、過程監督與指導，注重共享交流和反思評價。

基于計算思維的探究教學模式強調以學生為中心，把教師的教學活動和學生的學習活動以待解決的問題為主線貫穿起來，并在整個教學活動中貫穿計算思維的一系列方法：遞歸、抽象、分解，以及在不確定性情況下的規劃和利用啟發式的推理來尋求解決問題等，通過解決問題來激發學生的興趣和動機，通過教學內容的選擇、教學過程的設計和教學評價體系的構建實現對計算思維能力的培養。也就是運用計算機科學的基礎概念對問題進行求解、系統設計和行為理解，即建立計算思維[3]。

計算思維應用到計算機專業應用型人才培養過程的核心任務是，教會學生面對求解問題，從構思、設計、實現、運作等四個層面去分析、抽象，拿出應用計算機求解問題的思路，并以團隊式和工程化的方法去設計、實現和運作，以達到培養學生的綜合應用能力和創新思維能力的目的。

3 計算思維在應用型人才培養的應用實踐

在課程教學中，從講授方式、上機實踐及評價機制三大環節，注重用計算思維的方法來引導學生研究問題。

3.1 以計算思維為核心，實施課程教學改革

明確將計算思維融入到課堂教學，將傳統的知識傳授轉變為基于知識的思維傳授，以提高學生運用計算機知識抽象和分解問題的能力。在課堂講授中，從各種現實世界問題出發，圍繞分析問題和解決問題的過程，采用一種對教學有利的程序設計語言，講授一些典型的實例、可能的解決方案以及在計算中一些必要的計算機基礎知識。啟發學生針對新問題尋找更好的問題解決方案。鼓勵學生運用計算思維求解問題并編寫一些簡單的、可解決實際問題的程序。

以計算機相關專業基礎課程——“程序設計基礎”為例，從內容上進行改革，力求從講授一門程序設計語言及其應用，轉變為講授“思想和方法”。以發現問題→分析問題→尋求多種解決方案→對各種解決方案比較選優→實現解決方案的“問題求解驅動式程序設計”訓練方法，盡可能逼近解決真實世界問題的模式，從而提高學生的學習興趣和學習主動性。

教師在教學過程中要精心組織教學素材，不但要講授課程的相關知識，而且要介紹一些與問題有關的領域知識，注重由應用導入知識點。

3.2 基于應用型人才培養的本質需要，加強上機實踐

在知識體系構建過程中，注重學生計算思維和實踐能力的培養，合理設置實驗課程的教學內容，使學生在應用過程中尋找解決問題的多種方法、掌握計算機應用技術。

在上機實踐環節，采用個人作業和小組集體作業的組織方法。學生完成個人作業是可以運用所學課程的知識獨立分析實際問題和解決實際問題，并在實踐環節中不斷加深對計算思維的理解和運用，提高個人獨立分析問題、解決問題的能力。

小組集體作業，由3-5名學生完成一個作業。教師可以給定選題，學生也可結合自己的專長和興趣進行選題。小組集體作業可以針對某個問題采用不同的方法，開發一個程序。通過這樣的團隊合作使學生了解和體會團隊合作在解決大型、復雜科學問題中的重要性。

在實踐教學過程中，強調學生的主體地位，以及學生之間相互交流的重要性。創造機會讓學生展示個人的成果。這樣通過合理的思維碰撞、討論，加強計算思維的滲透，可以更好地調動起處于被動學習狀態、思維活躍度不高的學生。

3.3 遵循思維的多樣化，建立多維的評價機制

計算思維是一種思維方式，不是一個具體的技能或事物。因此在教學過程中，學生是計算思維能力培養的思維主體，具有主觀能動性，可呈現出計算思維的多樣性。對計算思維的多樣性，教師應持有一定的寬容態度，并適當地在學生之間加以評價和引導，啟發學生對同一個問題進行多視角分析，提升思維的靈活性和創造性[4]。由此可見，建立多維的評價機制也十分重要。

為了客觀評價學生的學習效果和學生計算思維能力培養的結果，建立面向過程和結果的雙重性評價機制，包括個人自評、學生互評、教師評價等方面，開展過程性評價，及時改進教學過程，并以學生演示、答辯的形式作為最終評價，以檢驗學生綜合應用能力。這種多維評價機制有利于促使學生注重計算思維和自主學習，從而更有利于教學目標的實現。

4 結束語

自2011年9月開始在我院計算機科學與技術、軟件工程專業的教學過程中，融入計算思維能力的培養，開展了相應的教學改革。通過在教學和實踐中融入計算思維，讓學生在思考中面對問題并解決問題，不斷促進學生計算思維能力的提高，從而達到讓學生成為問題的解決者而不僅是軟件技術員的目的。通過兩年多的摸索和實踐，我院計算機相關專業學生的自我學習能力和計算思維能力得到了很大提高，綜合素質明顯增強，個人能力得到全面提升，對于培養應用型計算機專業人才起到了示范作用。

參考文獻：

[1] 谷瓊，袁磊，龔雄興等.地方高校“211”人才培養模式的探索與實踐[J].現代計算機，2011.8：34-37

[2] 張雪伍，常晉義，袁磊.計算思維在C++程序設計教學中的應用[J].計算機教育，2013.13：52-56

[3] 路美秀，王玉山，巫小蓉.“離散數學"教學中計算思維能力的培養[J].計算機教育，2013.5：47-50

[4] 盧俊嶺，王小明，吳三斌.基于計算思維的算法設計與分析課程改革[J].計算機教育.2011.22：35-38