在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維能力的研究

朱正國(guó)

（攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，攀枝花　617000）

在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維能力的研究

朱正國(guó)

（攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，攀枝花617000）

0　引言

2006年3月，時(shí)任美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊Communications of the ACM上發(fā)表了Computational Thinking（計(jì)算思維）一文，首次給出了計(jì)算思維的定義，2010 年11月陳國(guó)良院士在第六屆大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報(bào)告論壇上所做的報(bào)告中第一次正式提出了將 “計(jì)算思維能力培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革切入點(diǎn)的倡議。在國(guó)內(nèi)從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的專(zhuān)家和學(xué)者開(kāi)始重視培養(yǎng)計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的重要作用。

1　開(kāi)設(shè)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的必要性

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)是大學(xué)通識(shí)教育重要的組成部分，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)是為非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供的計(jì)算機(jī)知識(shí)、能力與素質(zhì)方面的教育，其中的教學(xué)的目標(biāo)是：培養(yǎng)能力和面向應(yīng)用，即使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)及其他相關(guān)信息技術(shù)的基本知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的意識(shí)與能力，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)素質(zhì)，能夠善于應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)和環(huán)境解決專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中的問(wèn)題。我國(guó)把計(jì)算機(jī)定位為基礎(chǔ)課程，像數(shù)學(xué)和物理那樣成為人類(lèi)學(xué)習(xí)知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的基本組成和基本技能。

2　計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)目前的現(xiàn)狀

目前計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)最主要的是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)使用計(jì)算機(jī)，把計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)僅僅是作為一門(mén)工具，但是學(xué)生沒(méi)有學(xué)到計(jì)算機(jī)精髓，學(xué)生只知道使用，沒(méi)有培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域科學(xué)探索的興趣。

很多學(xué)校開(kāi)設(shè)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)這門(mén)課程，就是為應(yīng)付計(jì)算機(jī)等級(jí)考試，考試考什么就講什么，把考試過(guò)級(jí)率作為評(píng)價(jià)教學(xué)效果的重要的依據(jù)。學(xué)生知道怎么樣去應(yīng)付考試，但是很多學(xué)生拿到具體的問(wèn)題就無(wú)從下手了。

目前所采用的教學(xué)方法，學(xué)生普遍表現(xiàn)學(xué)習(xí)積極性不高，沒(méi)有一種像學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)那樣發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的精神。上課氛圍沉悶，回答問(wèn)題積極性不高。

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)更加重視培養(yǎng)學(xué)生對(duì)軟件的使用，學(xué)生掌握使用軟件的方法和技能，卻忽略了把思想教給學(xué)生，應(yīng)該在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)過(guò)程中重視計(jì)算思維的作用，從掌握方法和技能上升到培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

3　計(jì)算思維的內(nèi)涵

周以真教授認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)的行為，它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維代表著一種普遍的認(rèn)識(shí)和一類(lèi)普適的技能，每一個(gè)人，不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)家，都應(yīng)熱心于它的學(xué)習(xí)和運(yùn)用。通過(guò)分析我們可以發(fā)現(xiàn)它的深刻的內(nèi)涵。

計(jì)算思維是人類(lèi)科學(xué)思維活動(dòng)重要組成部分，計(jì)算思維將會(huì)像數(shù)學(xué)和物理那樣成為人類(lèi)學(xué)習(xí)知識(shí)和應(yīng)用知識(shí)的基本組成部分和基本技能，必將滲透到我們每個(gè)人生活中，我們利用啟發(fā)式推理來(lái)尋求問(wèn)題的解答，作為認(rèn)識(shí)世界和理解世界的重要基本工具。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)應(yīng)貼近現(xiàn)實(shí)生活，這樣在從事教學(xué)過(guò)程中，我們無(wú)意識(shí)地運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維去解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題。

計(jì)算思維應(yīng)融入到每個(gè)專(zhuān)業(yè)，不只是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)，讓學(xué)生剛進(jìn)入大學(xué)接觸計(jì)算方法和模型，激起學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域科學(xué)探索的興趣，把學(xué)習(xí)作為一種學(xué)習(xí)興趣。每個(gè)專(zhuān)業(yè)和領(lǐng)域都需要發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，計(jì)算思維就是用來(lái)培養(yǎng)學(xué)生理解和解決現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題。

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)的行為，是計(jì)算機(jī)技術(shù)在具體現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。例如：現(xiàn)在我們可以利用網(wǎng)站購(gòu)買(mǎi)火車(chē)票；醫(yī)院的掛號(hào)窗口可以用醫(yī)院的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)掛號(hào)和交費(fèi)，這些都是計(jì)算思維解決問(wèn)題的目的。

4　計(jì)算思維在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中的培養(yǎng)

（1）計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段是計(jì)算思維內(nèi)容的拓展，是計(jì)算思維作用的體現(xiàn)

（2）微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展是根據(jù)微處理器的字長(zhǎng)和功能劃分的，是計(jì)算思維應(yīng)用具體實(shí)現(xiàn)；

（3）計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和類(lèi)型都是與計(jì)算相關(guān)的思維活動(dòng)；

（4）計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用到人類(lèi)生活、生產(chǎn)及科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中，如科學(xué)計(jì)算、信息處理、辦公自動(dòng)化、生產(chǎn)自動(dòng)化、人工智能等各個(gè)領(lǐng)域，這些都是計(jì)算思維活動(dòng)的體現(xiàn)；

（5）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成，就像人身體的組成一樣，是計(jì)算思維決定了計(jì)算機(jī)的組成各個(gè)部件；

（6）計(jì)算機(jī)的工作原理，用計(jì)算思維的方式確定了解決問(wèn)題的方法，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)最基本的思想是“存儲(chǔ)程序”的原理；

（7）使用Windows和Office，是計(jì)算思維活動(dòng)的體現(xiàn)。

在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中無(wú)處不存在著計(jì)算思維應(yīng)用案例。

程序設(shè)計(jì)是計(jì)算思維的重要體現(xiàn)。程序是由算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，算法是操作的描述，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對(duì)數(shù)據(jù)的描述，而在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要程序設(shè)計(jì)方法和語(yǔ)言工具及開(kāi)發(fā)環(huán)境。算法是為解決一個(gè)問(wèn)題而采取的方法和步驟，算法是用計(jì)算思維來(lái)解決問(wèn)題對(duì)的，是計(jì)算思維的體現(xiàn)。每個(gè)程序的設(shè)計(jì)都需要大量的算法，這些無(wú)非都是計(jì)算思維活動(dòng)的體現(xiàn)。無(wú)論是面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)還是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)都是計(jì)算思維。

5　計(jì)算思維在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中的實(shí)施策略

為了提高計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的質(zhì)量，全國(guó)大部分高校都在進(jìn)行計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革，而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維是大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的重要方法。培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，重要的是在課程中逐步引入計(jì)算思維，先前的教學(xué)過(guò)程隱含了計(jì)算思維的方式，是潛移默化的使用了計(jì)算思維，但是沒(méi)有明顯地直接提出來(lái)，現(xiàn)在我們?cè)诖髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中顯示地增加計(jì)算思維的相關(guān)知識(shí)，不是改變以往所講的知識(shí)點(diǎn)，而是把計(jì)算思維與所講的課程內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激勵(lì)學(xué)生探索計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的興趣。

學(xué)校可以單獨(dú)開(kāi)設(shè)計(jì)算思維這門(mén)課程，大一新生剛?cè)胄＞蛯W(xué)習(xí)這門(mén)課程，把計(jì)算思維作為一門(mén)基礎(chǔ)課程，是學(xué)生今后學(xué)習(xí)的一門(mén)基礎(chǔ)課程。主要介紹計(jì)算、計(jì)算科學(xué)，以及計(jì)算機(jī)歷史、計(jì)算機(jī)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)；計(jì)算系統(tǒng)的基本思維，通過(guò)馮·諾依曼計(jì) 算機(jī)、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和不同抽象層次計(jì)算機(jī)的介紹，試圖使讀者能夠遞進(jìn)地理解計(jì)算系統(tǒng)；問(wèn)題求解框架，通過(guò)算法類(lèi)問(wèn)題和系統(tǒng)類(lèi)問(wèn)題的求解過(guò)程的介紹，試圖使讀者能夠理解社會(huì)問(wèn)題、自然問(wèn)題求解的兩種手段；算法與復(fù)雜性，通過(guò)幾個(gè)精選的典型算法類(lèi)問(wèn)題的討論與探索，試圖使讀者能夠建立起算法的思維方式與基本研究算法；數(shù)據(jù)抽象、設(shè)計(jì)與挖掘，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)的討論與探索，試圖使讀者能夠建立起以數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析與挖掘利用的思維方式，進(jìn)而深入理解計(jì)算科學(xué)的基本研究方法—抽象、理論與設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)化社會(huì)，通過(guò)對(duì)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)及形形色色的網(wǎng)絡(luò)的討論與探索，試圖使讀者建立起網(wǎng)絡(luò)話的思維方式，并理解網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境的基本研究方法。

以往的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教材都是先講計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，再講Windows和MS Office操作，這種計(jì)算機(jī)和具體軟件應(yīng)用方面的學(xué)習(xí)固然重要，但是如果沒(méi)有計(jì)算思維，那么你只是學(xué)會(huì)了操作這個(gè)軟件，如果你領(lǐng)會(huì)了計(jì)算思維，這些軟件就可以融會(huì)貫通，即使今后軟件更新，但是實(shí)質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化。未來(lái)的軟件更新速度非常快，樣式變化也非常大，面對(duì)未來(lái)巨大的變化，所以只有學(xué)會(huì)計(jì)算思維才學(xué)會(huì)了本質(zhì)。實(shí)際上無(wú)論是理論知識(shí)還是操作部分都有計(jì)算思維，我們可以在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)這里面增加計(jì)算思維相關(guān)的知識(shí)，向?qū)W生介紹科學(xué)與科學(xué)思維的內(nèi)涵、計(jì)算思維的內(nèi)涵與概念、計(jì)算思維的特征，在講授計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)顯示的提出各個(gè)知識(shí)點(diǎn)是怎么樣體現(xiàn)計(jì)算思維的。在操作部分，講授計(jì)算思維的具體應(yīng)用。

（1）用案例教學(xué)方法來(lái)體現(xiàn)計(jì)算思維

在授課的過(guò)程中，采用案例教學(xué)法能夠把現(xiàn)實(shí)生活中的案例呈現(xiàn)給學(xué)生，案例教學(xué)方法不同于傳統(tǒng)的教學(xué)方法，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以教師為中心先講述書(shū)本上的理論知識(shí)，然后講解書(shū)上的例題，接下來(lái)讓學(xué)生做教學(xué)指導(dǎo)書(shū)的上的習(xí)題。而案例教學(xué)方法在課堂教學(xué)過(guò)程中不先講理論，而是先給學(xué)生們展示一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中的案例，這個(gè)案例里面包含了本次課要講解的知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生從現(xiàn)實(shí)的實(shí)際案例出發(fā)，最后讓學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，而這些案例中就充滿了計(jì)算思維，通過(guò)現(xiàn)實(shí)生活中的案例來(lái)體現(xiàn)計(jì)算機(jī)思維。

（2）在各章知識(shí)點(diǎn)中引入計(jì)算思維

①計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段是計(jì)算思維內(nèi)容的拓展，用計(jì)算思維的思想來(lái)講解計(jì)算機(jī)的發(fā)展；

②微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展是根據(jù)微處理器的字長(zhǎng)和功能劃分的，從計(jì)算思維的角度講解微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展；

③在講解計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和類(lèi)型時(shí)引入計(jì)算思維；

④計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用到人類(lèi)生活、生產(chǎn)及科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中，如科學(xué)計(jì)算、信息處理、辦公自動(dòng)化、生產(chǎn)自動(dòng)化、人工智能等各個(gè)領(lǐng)域，講解計(jì)算思維是如何體現(xiàn)在這些應(yīng)用當(dāng)中的；

⑤計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成，把計(jì)算機(jī)的組成形象地比喻成了人身體組成部分，用計(jì)算思維講解如何決定了計(jì)算機(jī)的組成各個(gè)部件；

⑥計(jì)算機(jī)的工作原理，如何用計(jì)算思維的方式確定了解決問(wèn)題的方法，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)最基本的思想是“存儲(chǔ)程序”的原理；

⑦使用Windows和Office，是如何進(jìn)行計(jì)算思維活動(dòng)的。

（3）用計(jì)算思維解決問(wèn)題

①避免單純的介紹知識(shí)，在講解知識(shí)的過(guò)程中引入了大量的概念、定義，但是沒(méi)有深入闡釋期出現(xiàn)的背景和動(dòng)機(jī)，使初學(xué)者掉入概念與術(shù)語(yǔ)的海洋中。“知識(shí)、術(shù)語(yǔ)”隨著“思維”的講解而介紹，“思維”隨著“知識(shí)”的貫通而形成，能力隨著思維的解釋而提高。

②從問(wèn)題分析入手，強(qiáng)化如何進(jìn)行抽象，如何將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題抽象為一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題或者一個(gè)形式化問(wèn)題，提高問(wèn)題表述及問(wèn)題求解的嚴(yán)謹(jǐn)性。

③以圖示化的方法來(lái)展現(xiàn)復(fù)雜的思維，盡量通過(guò)規(guī)模較小的問(wèn)題求解示例來(lái)展示復(fù)雜的問(wèn)題的求解。

④要有一定的深度，這種深度不是追求理論與數(shù)學(xué)，而是追求“問(wèn)題”及問(wèn)題的討論。通過(guò)逐步地提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生從一個(gè)較淺的理解層次過(guò)度到較深如的理解層次。

6　結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)這門(mén)課程的重要性，但是目前這門(mén)課授過(guò)程中忽略了學(xué)生計(jì)算思維，通過(guò)對(duì)計(jì)算思維內(nèi)涵的講述，我們可以發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)大學(xué)生計(jì)算思維是非常重要的，要改變過(guò)去枯燥的講解理論的教學(xué)方法，學(xué)生只有領(lǐng)會(huì)了計(jì)算思維，才能真正掌握所學(xué)過(guò)的知識(shí)，在講授大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)這門(mén)課程過(guò)程中，要給學(xué)生顯示的引入計(jì)算思維。實(shí)踐表明，在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中引入計(jì)算思維符合學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)的規(guī)律，使學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，使教學(xué)不再局限于書(shū)本，擴(kuò)大了學(xué)生的學(xué)習(xí)的視野。培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為推進(jìn)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革提供了依據(jù)。

［1］陳國(guó)良，董榮勝.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育［J］.中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2011（1）:7-11.

［2］龔沛曾，楊志強(qiáng).大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的計(jì)算思維培養(yǎng)［J］.中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2012（5）:51-54.

［3］占德臣，聶蘭順.大學(xué)計(jì)算機(jī)-計(jì)算思維導(dǎo)論［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

College Computer Basis；Computational Thinking

Research on Fostering of the Computational Thinking Ability in Computer Basis Course Teaching of University

ZHU Zheng-guo

（College of mathematics and Computer of Panzhihua University,Panzhihua 617000）

1007-1423（2015）32-0067-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.32.016

朱正國(guó)（1980-），男，吉林樺甸人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等

2015-09-01

2015-11-01

闡述大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要性，探討目前教學(xué)中存在的問(wèn)題。分析計(jì)算思維對(duì)當(dāng)代大學(xué)生學(xué)習(xí)的重要性，指出目前計(jì)算機(jī)思維在教學(xué)中的所處的現(xiàn)狀，提出計(jì)算思維在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中的實(shí)施方案。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)；計(jì)算思維

攀枝花學(xué)院校級(jí)教研教改項(xiàng)目（No.JJ1422）、四川省高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會(huì)2014-2016年教育教學(xué)改革研究課題（2014-06）

This paper states the importance of the college computer basic course and the problem exiting in the class firstly.And it then analyses the importance of computational thinking for present-day college students.It points out what is comptational thinking at present and puts forward the implementation plan for the computatinal thinking ability in the college computer basic course.