面向計算思維的教學模式研究與實踐

摘要：文章研究了計算思維的教學模式設計、實踐與效果分析，重點介紹了計算思維的基本概念和目前高校對計算思維研究的現狀，提出了面向計算思維的教學模式整體思路，并以計算機網絡專業的核心課程網絡互連技術為例，從課程教學內容構建與教學案例設計角度，系統分析了基于計算思維能力培養的計算機類課程教學模式的具體方法與實踐。

關鍵詞：計算思維；教學模式；教學內容；教學案例

中圖分類號：G710文獻標識碼：A文章編號：1005-1422（2015）04-0054-04

收稿日期：2015-03-12

作者簡介：鄧單（1981-），男，廣州番禺職業技術學院高級工程師，博士。研究方向：計算機網絡、信息安全。（廣東 廣州/511483）

基金項目：本文系廣州市教育科學“十二五”規劃面上一般課題（編號：1201431075）、廣東省高教學會云計算與大數據專委會科研課題（編號：GDYJSKT14-06）項目成果。 一、引言

計算思維（Computational Thinking）的概念最早由美國卡內基梅隆大學周以真教授于2006年提出，并進行了系統的定義與分析。隨著計算思維概念的提出，工業界與學術界對于計算思維的研究逐漸深入。美國計算機協會（ACM）明確要求在計算機導論課程中講授計算思維的核心內容。而英國計算機學會（BCS）則組織歐洲的研究學者對計算思維進行研討與分析，提出了歐洲國家針對計算領域挑戰的解決策略。

雖然學術界對于計算思維的準確定義分歧仍然較大，但周以真教授的系統解釋獲得了國際上最為廣泛的認同。周以真教授對計算思維給出如下定義：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；計算思維涵蓋了反映計算機科學之廣泛性的一系列人類的思維活動。計算思維所使用的方法有約簡、嵌入、轉化和仿真等。一方面，通過抽象化和分解化將復雜問題簡化為若干個容易描述的小問題來處理；另一方面，通過啟發式推理，在不確定性條件中尋找幫助、提出方案、解決問題。

本文探索計算思維的教學模式設計、實踐與效果分析，以網絡互連技術課程教學為研究對象，以培養學生計算思維為目標，構建課程教學內容，設計典型教學案例，創新課程教學方法。全文結構安排如下：引言部分介紹計算思維的起源與基本概念；第二部分對國內計算思維的研究及應用狀況做簡要分析；第三部分從整體層面介紹面向計算思維的教學模式設計思路；第四部分基于計算思維能力培養，分別以教學內容、教學案例等角度討論網絡互連技術課程教學模式。第五部分為結論部分。

二、計算思維研究現狀

國內相關研究學者也已經將計算思維能力培養的理念應用于計算機及相關領域課程的教學實踐中。圖1給出了近8年來各年度發表的計算思維相關文獻的數量。2007年，周以真教授首次將計算思維的概念引入國內后，初期并沒有引發較大反響；2009年國內著名學者完成了計算思維開拓性的工作：國防科技大學朱亞宗教授首次系統闡述了計算思維與實驗思維和理論思維的區別與聯系；桂林電子科技大學董榮勝則詳細描述了計算思維與計算機方法論研究領域的相互促進關系。河北師范大學郭喜鳳教授則從理論層面詳細對比了計算理論思維 、計算技術思維 和計算工程思維，并將計算思維推廣到計算機思維。

圖1計算思維文獻數量分析

2010年7月發布的九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明，旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務，到此開啟了計算思維研究的序幕。2011年之后，相關文獻的數量呈爆發式增長。近年來，基于計算思維的研究已經從理論走向實踐。崔玲、奎曉燕等研究將計算思維的理念應用于數據庫應用課程教學實踐。牟琴、譚良、周雄竣等人則基于計算思維提出了任務驅動式教學模型，將教學者、學習者以及教學活動運用數學函數的模型表述，并在教學實踐中驗證了該模型的可行性。2014年，哈爾濱工業大學戰德臣等提出面向計算思維的大學計算機課程教學內容的最小集合與實施方法；基于計算思維能力培養目標，詳細分析了各教學模板的必要性與內容構成。龔向堅和艾明晶等提出以培養和強化學生計算思維能力為目標的計算機專業主干課程教學改革方案和教學實施計劃，確立了專業培養計劃中的能力目標，構建計算機知識與計算思維有機整合的課程體系。袁磊等結合應用型人才培養的需要，提出基于計算思維的探究式教學模式，具體內容包括課程改革，實踐環節以及多維評價機制。韓慶龍等以非計算機專業軟件設計基礎課程為研究對象，從教學模式、計算思維培養切入點及教學案例等角度對課程改革方案進行了初步探索。馬莉則分析高職院校當前信息安全課程教學的現狀，提出將計算思維應用于課程的培養目標，課程體系及教學模式等各方面。

面向計算思維的教學模式研究與實踐 三、面向計算思維的教學模式改革思路

2014年5月，為加快發展職業教育，建設現代職業教育體系，國務院發布了加快發展現代職業教育的決定（國發[2014]19號）；2014年6月，教育部等六部門印發了《現代職業教育體系建設規劃（2014-2020）》（以下簡稱規劃）。規劃中明確要求：推動教學方法改革，通過真實案例、真實項目激發學習者的學習興趣、探究興趣和職業興趣。

正是在這種形勢下，計算思維的教學理念為高職計算機類課程教學改革提供了有益的理論指導。計算思維的核心思想與規劃要求完全相符。計算思維的培養核心在于培養學生在已有知識的基礎上，主動分析問題、解決問題并進行歸納總結進而推廣的能力；它不只是單純知識點的講授，也不只是具體技能的培養，而是建立在理論知識與職業技能基礎上的思維習慣。計算思維的培養也不只是特定課程的責任，而應該貫穿于整個專業教學體系中。計算思維的訓練也是一個長期的過程，需要在教師的指導下有意識地進行訓練。

需要特別指出的是，基于計算思維的教學模式，并不需要將已有的教學體系全部推翻重新設計，而應當將具體的計算機知識與計算思維的培養進行適當融合，將計算思維的訓練過程融入到課程的教學內容中，通過典型任務、典型案例的設計，潛移默化地將計算思維的思想滲透到學生的思維習慣中。本文將以網絡互連技術課程教學為具體研究對象，以培養學生計算思維為目標，構建課程教學內容，設計典型教學案例，創新課程教學方法。

四、面向計算思維的教學模式設計

下文將以網絡互連技術課程為例，詳細闡述面向計算思維的教學模式設計思路。網絡互連技術是高職計算機網絡技術專業中的核心課程，該課程以培養學生安裝和配置網絡設備基本技能為主要教學目標。其先導課程包括計算機網絡基礎和計算機操作系統，后續課程有網絡安全技術、網絡系統集成等。傳統的網絡互連技術課程要求學生熟悉交換機、路由器在網絡系統中的作用，通過交換機、路由器的配置來組建、管理和維護中小型網絡。

（一）教學內容構建

網絡互連技術課程一般包括網絡互連概論、交換機原理與基本配置、路由器原理與基本配置、訪問控制與地址轉換、無線網絡原理與配置和廣域網原理及配置等若干教學單元。基于計算思維能力培養的課程改革，并不是將已有成熟的教學內容全部推翻；而是將計算思維的培養與網絡互連知識有機地整合，在教學過程中強化計算思維。重新構建設計的網絡互連技術課程教學內容如表1所示。由表1可見，課程分為6個教學單元。針對各教學單元與計算思維培養的關系，我們將逐一進行詳細分析。

第1教學單元網絡互連概論中，主要的教學內容包括：網絡拓撲層次化結構設計、IP地址的分配和子網劃分。本教學單元中，教師需要在講解網絡發展歷史過程中，將發展過程中蘊含的計算思維詳細剖析，并組織學生進行小組自主討論分析；在IP地址分配知識點教學過程中，與之對應的是將復雜問題化簡優化的計算思維；在子網劃分教學內容中，主要涉及的計算思維理念是層次化拓撲結構思維。

第2教學單元交換機原理與基本配置中，主要的教學內容包括：交換機工作原理、交換機管理方法、交換機端口安全、VLAN原理及應用和生成樹協議及配置。本教學單元為網絡互連技術課程的重點和難點教學內容。其中VLAN原理教學內容對應的是網絡化計算思維的培養；生成樹協議與配置教學單元則著重強化學生運用計算思維中的遞歸思想以及數學與工程思維相融合的能力。

第3教學單元路由器原理與基本配置中，主要的教學內容有：路由器工作原理、靜態路由與動態路由和路由器配置方法。本教學內容涉及的知識點難度較大，理論深度和數學要求較高，屬于本課程教學中的難點內容。在靜態路由與動態路由教學內容中，著重講解兩種路由的設計思路，需要讓學生理解計算思維中算法設計思維和路由選擇設計思維。

第4教學單元訪問控制與地址轉換中，主要的教學內容有：IP包過濾與防火墻、訪問列表的功能與作用、訪問控制列表配置、地址轉換原理與應用、地址轉換配置。在介紹訪問控制列表教學過程中，需要將網絡安全思維引入教學活動，引導學生使用融合與分解的方法，從不同角度思考加強網絡安全的可能性；通過啟發式的引導讓學生潛移默化地感受計算思維的強大魅力。

第5教學單元無線網絡原理與配置中，主要的教學內容有：無線網絡架構、無線網絡設備簡介、無線網絡系統的配置。教師在講解無線網絡架構發展過程中，需要有意識地讓學生理解有線局域網向無線局域網轉化的內在原因與技術驅動，運用啟發式推理思維大膽預測未來網絡的發展趨勢。

第6教學單元廣域網原理及配置中，主要的教學內容有：廣域網協議原理、廣域網認證技術。在本教學單元中，需要讓學生理解廣域網中分層設計思維的優點以及實際網絡中數據加密的原理。

（二）教學案例設計

教學案例是教學內容的重要載體和表現形式。在計算機類課程改革中，可以將計算思維的理念與思想，融入到教學案例的講解與討論中，通過真實案例、真實項目激發學生的探究興趣。本節將以思維互連技術課程中的典型案例設計為例，討論基于計算思維能力培養的案例教學方法。

如圖2所示，基于計算思維的案例教學過程一般分為6個步驟。首先由教師創建描述具體的教學情境，引導學生將教學情境中的需求與問題抽象化，提取其中最根本的概念與知識點；隨后將復雜問題進行分解，轉化成具體的、可描述的具體問題；再根據已經掌握的知識尋求具體問題的解決方法；當復雜問題解決之后，通過啟發式的引導，讓學生將本案例進行推廣，并總結歸納其中的經驗，回顧教學情境中解決問題的整體思路。

圖2基于計算思維的案例教學過程分析

在路由器原理與配置教學單元中，單臂路由實驗是其中一個重要的知識模塊。通過本實驗的學習，學生可以深入理解子網劃分，VLAN工作原理以及跨VLAN通信原理等多個知識點，具有綜合性強，實用性高，難度大等特點。在教學過程中，需要培養學生運用抽象化與分解化的計算思維，發現問題并解決問題。

首先，我們根據實際工作場景創設教學情境，根據中小型網絡構建的實際需求引導學生自主地尋求解決方案。在教學情境中，可設計為具體的企業網絡場景，并描述企業網絡中用戶需求：根據不同用戶進行子網劃分以及跨子網間通信。學生了解具體場景需求后，需要在提問或小組討論中運用計算思維的方法，將具體問題進行抽象化，并將較為復雜的應用問題分解為幾個較為簡單的技術問題，即VLAN劃分與跨VLAN通信兩部分。在此基礎上，教師應組織學生在已有網絡知識的基礎上，對上述技術問題提出解決方案，并在模擬環境或者實體環境中驗證方案的可行性。學生經過理論分析和實驗驗證之后，對具體技術問題已經有了較為全面的認識和理解，此時需要將本次教學情境涉及的技術問題進行推廣，以從中找到最為本質性的網絡互連知識，并討論其推廣后的應用場景或從中迸發出來的創新的方法與應用。最后需要在教師的帶領下，對整體案例學生過程進行總結歸納與回顧，及時指出優缺點并給予具體評價。

同樣，基于計算思維能力培養的案例教學，不需要將已有的教學安全完全打破重新設計，而應當從計算思維的基本理念從發，引導學生運用計算思維抽象化分解化的方法解決具體問題，通過啟發式推理，提出創新的解決方案。

（三）實踐與效果分析

針對面向計算思維能力培養的教學模式設計，我們在2013級兩個教學班共計108人次進行了教學實踐，達到了預期的教學目的，取得了良好的效果。我們還抽取出教學內容構建中典型的10種具體計算思維能力為教學培養目標，通過問卷調查與測試考核相結合的方式對教學實施前后的效果進行了定量分析。

圖3給出教學課程前后各個具體計算思維能力達標的統計數據。由統計數據可以看出，教學實踐后的能力成效明顯高于教學前。其中本課程中核心的網絡化思維能力從教學前的37.04%提升到83.3%；學生普遍反映較難掌握的遞歸思維也由教學前的8.33%提升到59.26%。整體上分析，10種計算思維能力的平均值從19.26提升到72.41%，教學實踐成效明顯。

圖3基于計算思維的教學模式實施效果對比

五、結論

加強計算思維的能力培養已經成為大學計算機類專業課程改革的共識。本文首先介紹了計算思維的基本概念和目前高校對計算思維研究的現狀，提出了面向計算思維的教學模式整體思路；并以計算機網絡專業的核心課程網絡互連技術為例，從課程教學內容構建與教學案例設計角度，系統分析了基于計算思維能力培養的計算機類教學模式的具體方法與實踐。最后從具體化的計算思維能力培養的統計數據角度出發，定量分析了教學模式實施前后的效果對比。統計數據表明，面向計算思維能力培養的教學模式能有效提升學生的學習興趣和學習成效。

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責任編輯何麗華