“大學計算機基礎”課程中計算思維能力培養探討

摘要：計算思維能力的培養，對于促進大學計算機基礎教學改革，培養學生的綜合素質和創新能力有重要作用。針對高等院校目前大學計算機基礎教學現狀，對課程教學中的計算思維能力培養進行了研究和探討，從教師教學理念、教學內容、教學方法等方面討論了計算思維能力的培養，并以問題驅動的案例教學為例，闡述了適用于計算思維培養的教學組織過程。

關鍵詞：計算思維；大學計算機基礎；案例教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0119-02

“大學計算機基礎”課程是針對高校非計算機專業一年級學生開設的計算機公共基礎課程，課程的培養目標是使學生掌握計算機科學與技術的基礎知識，具備利用計算機分析和解決問題的意識與能力，為更好地解決專業領域問題奠定基礎。計算機基礎教學是培養大學生綜合素質和創新能力不可或缺的重要環節，是培養復合型創新人才的重要組成部分。[1]

一、大學計算機基礎教學中存在的問題

隨著信息技術課程在中小學課堂的普及，大學新生已經具備了一定的計算機操作能力，高校的計算機基礎教育已不再是“零起點”，“大學計算機基礎”課程面臨新的挑戰。通過對國內一些高校的調查發現，目前在大學計算機基礎教學中存在如下問題。

1.對課程存在片面認識

許多人對大學計算機基礎課程的定位為“工具”，認為“計算機就是工具”，大學計算機課程就是“學習使用計算機”、“學習使用工具”。“工具論”觀點使學生對計算機學科的認識停留在膚淺層面，使教師把計算機基礎教學重點放在各種軟件工具的使用和操作技術的講授上，不利于計算科學中核心思想與重要方法的傳授，

2.缺少核心知識體系和穩定的知識結構

計算機基礎雖然是“基礎”課程，但目前尚未形成如同“數學”、“物理”等基礎課程的核心知識體系和穩定的知識結構。近10年來，大學計算機基礎教學大致經歷了學生計算機基礎知識相對匱乏和信息技術在中小學逐年普及兩個階段。前一階段中，教學中以計算機軟件和具體操作講解為主，主要是學習使用辦公自動化軟件；后一階段在教學過程中逐漸弱化計算機具體操作講解，注重計算機應用技能的培養，除辦公自動化軟件之外，許多高校增加了數據庫、多媒體、網絡應等學習內容。從整體來看，隨著計算機學科的發展，課程教學內容在逐漸調整。

3.教學學時大幅度減少

隨著本科培養方案中專業學時的總體減少，計算機基礎教學的學時也被大量的壓縮，而專業學習和社會對學生的計算機綜合能力要求卻在不斷提高。如何利用有限的學時培養、提升學生的計算機應用能力，成為計算機基礎教育者共同關注的問題。

二、計算思維與計算機教育改革

1.計算思維內涵

國際上廣泛認同的計算思維的定義是美國卡內基·梅隆大學周以真教授在2006年提出的：計算思維就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等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。[2]典型的計算思維包括約簡、仿真、遞歸、并行、抽象和分解、啟發式推理、折衷等一系列思維方式。

國內許多學者對計算思維做了進一步的闡述。如董榮勝教授認為計算思維的根本目的是解決問題的，即求解問題、設計系統和理解人類行為，計算思維的本質是抽象（Abstraction）和自動化（Automation），即什么能被有效的自動執行；[3]何欽銘教授闡述了計算思維的核心是基于計算環境（模型）的問題的求解，不僅構造計算環境，而且構造基于計算環境的問題求解過程。[4]

2.以計算思維為核心的計算機教學改革

計算思維的提出，得到了美國教育界的廣泛支持，包括卡內基·梅隆大學在內的美國70多所高校都開展了以“計算思維”為核心的大學計算教育改革。此外，英國等其他歐洲國家和地區針對計算思維也進行了相應的研究和探討。

計算思維的發展，引起了國內計算機教育者的密切關注。2010年7月在西安舉辦的“九校聯盟（C9）計算機基礎課程研討會”發表了《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方向。[1]計算機教育領域的許多研究學者積極致力于計算思維能力培養的研究和實踐，并取得了初步的研究成果。[5-7]

三、大學計算機基礎課程中計算思維能力培養措施

大學計算機基礎課程是大學生的第一門計算機課程，也是培養學生計算思維的關鍵平臺。大學計算機基礎教學如何承擔起培養學生計算思維的任務，從技能培養轉變為計算思維意識和能力培養，需要采取行之有效的措施。本文結合作者從事計算機基礎教育的實踐，從教學理念、教學內容、教學方法三方面進行教學探索與實踐。

概括來說，第一，提升教師的教學理念，利用科學的理論指導計算思維的培養；第二，優化教學內容，重視計算機學科中的基本原理和核心思想，構建計算思維能力培養的知識體系；第三，采用恰當的教學方法，把以講授知識點和操作技能為主線，改為以培養學生應用計算機求解問題的思維能力為主線，逐步培養學生計算思維認知能力。以下分別從上述三方面討論計算思維能力的培養。

1.提升教學理念

教學理念是對于教師教學活動和學生學習活動的基本觀念，先進的教學理念可以更好的指導教學實踐。因此，計算思維能力的培養首先需要教師與時俱進，更新、完善教學理念，以指導教學實踐。提升教學理念可以從以下幾方面進行著手。

（1）糾正狹隘的教學觀念。拋棄“工具論”的狹隘思想，樹立大學計算機基礎課程如同數學、物理等課程同等重要的“基礎”地位。注重計算機科學中核心思想和方法的講授，培養學生計算機科學獨特的思維方式。

（2）恰當扮演課堂角色。堅持以學生為主體，以教師為主導的教學理念。教師在課堂教學中扮演好引導者、組織者、啟發者和總結者的角色，培養學生的探究精神和創新意識。不僅要“授人以魚”，更要注重“授人以漁”，鼓勵學生自主學習，扮演好設計者和激勵者的角色。

（3）積極進行教育教學理論研究，重視學術交流。對計算思維理論進行系統的學習和深入的研究，跟蹤其在計算機教育領域的最新研究成果。同時，定期參加學術會議，了解國內外同行的教學改革成果，達到相互學習、共同提高的目的。

2.優化教學內容

根據計算思維的內涵，教學內容可從三個層面上進行優化。首先，弱化操作性內容的講解，注重計算機基本原理和核心思想的講解；其次，對現有的教學內容進行拔高，提煉體現計算思維的教學案例，梳理出用于思維教學的知識載體；最后，增加計算思維相關教學內容，構建培養計算思維的知識體系。這三個層次也是循序漸進、逐步深入的改進過程。

目前，減少或取消純粹操作內容在課堂上的講授已基本形成了共識，用于計算思維教學的案例也在不斷積累。例如，圖靈機體現了建模思維；馮·諾依曼體系結構體現了任務的抽象和分解；信息在計算機中的存儲和顯示體現了編碼、解碼思維；Cache、內存、外存三級存儲系統體現了在時間和空間、效率和成本之間進行折中的思維方法；多處理器體現了并行處理。通過對這些典型案例的提煉和升華，形成了用于思維訓練的知識載體，為構建計算思維培養的知識體系奠定基礎。同時，增加一部分新的教學內容，逐步形成系統的計算思維培養知識體系。如增加計算思維的理論教學內容，用于系統學習計算思維；增加計算機常用算法（如遞歸等）和建模工具（如數據庫建模工具E—R圖）的講授，用于培養求解問題的能力；此外，還應不斷探索適用于思維訓練的工具和語言，用于訓練和強化計算思維。

3.改革教學方法

在教學學時較少的限制下，要完成計算思維能力的培養目標，就一定要改革現有教學方法。教學過程中應根據教學內容特點，因地制宜的采用恰當的教學方法。如涉及計算機基礎理論內容時宜采用“問題驅動教學”，而應用性和技能性內容宜采用“案例教學”，[8]計算機硬件發展史則采用“參觀教學”，計算機技術最新動態宜采用“專題討論教學”。此外，由于大學計算機基礎教學內容寬廣，單一的教學方法不能滿足全部的課程教學任務，因此要重視多種教學方法的綜合運用。

例如，在教學組織和實施過程中，可以把案例教學和問題驅動教學結合，形成以問題驅動的案例教學方法，這種方法可以充分結合問題教學和案例教學的優點，更好的進行思維訓練。其總體思路為：首先選取經典案例，在案例教學中以“提出問題→求解思路→操作步驟→知識總結→思維升華→拓展練習”為主線進行教學。具體思路是：以問題驅動案例，吸引學生對教學內容的關注，啟發學生對問題進行思考；通過分析解決問題的思路，培養學生分析問題的的能力；操作講解側重培養解決問題的能力；把知識學習融合在案例講解中，并進行總結歸納；對案例進行提升點評，指出案例中蘊含的計算思維；拓展練習用于強化能力，引導學生進行深層思考和自主學習。

四、結論

課堂調查和教學反饋顯示，以計算思維能力培養為主的課程教學方式，使學生的學習興趣明顯增強，主動學習意愿大幅提高，對計算機基本原理和思想方法的理解更為深入，教學質量得到明顯改善。在教學實踐中也發現了一些問題，如目前還缺少配套的實驗教材使得計算思維能力培養真正落地，針對計算思維能力的考核機制尚未建立等。為了更好地實施計算思維教學改革、運用計算思維指導教學實踐，廣大教育者還需要不斷的研究和探索。

參考文獻：

[1]佚名.九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明[J].中國大學教學，2010，（9）：4-9.

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

[3]董榮勝.《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》

呼喚教育的轉型[J].中國大學教學，2010，（10）：10-14.

[4]何欽銘，陸漢權，馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養[J].中國大學教學，2010，（9）：5-9.

[5]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）：7-11.

[6]龔沛曾，楊志強.大學計算機基礎教學中的計算思維培養[J].中國大學教學，2012，（5）：51-54.

[7]謝旻.面向非計算機專業的計算思維培養模式探討[J].中國電力教育，2013，（7）：109-110.

[8]宋榮杰，魏蕾.VB程序設計案例教學淺析[J].電腦技術與應用，2007，（11）：1437-1438.

（責任編輯：劉麗娜）