CDIO理念下大學計算機基礎教學中的計算思維培養

申艷光 孫勝娟 薛紅梅

摘要：感悟和凝練計算機科學思維模式，將其融入可持續發展的計算機應用中，這是作為工程人才不可或缺的基于信息技術的行動能力。以CDIO教育理念為基礎，以計算思維為切入點，以信息素養的培養為導向，對非計算機專業計算機基礎課程進行了改革。從課程設計和教學內容、教學方法與手段、教學條件、教學隊伍四個方面進行了探索與實踐。

關鍵詞：計算思維；大學計算機基礎；CDIO

中圖分類號：G642 文獻標志碼：B/A 文章編號：1674-9324（2016）39-0179-02

一、CDIO與計算思維能力培養

CDIO大綱中的第二部分強調了個人、職業技能和特質的培養，認為工程師應掌握的三種思維模式是：工程思維、科學思維和系統思維，其中科學思維包括實證思維、邏輯思維和計算思維[1]。所以，計算思維的培養將有利于提高工程師的科學思維能力，符合CDIO理念的要求。

無論是計算機教育工作者，還是計算機普通用戶在學習和使用計算機的過程中，應該著眼于“悟”和“融”：感悟和凝練計算機科學思維模式，并將其融入可持續發展的計算機應用中，這是作為工程人才不可或缺的基于信息技術的行動能力。在非計算機專業第一門計算機課程中引入計算思維能力的培養，是提高大學生工程能力和信息素養的有效途徑，是CDIO教學模式改革中極其重要的環節。

計算思維是計算機和軟件工程學科的靈魂，作為第一門非計算機專業的大學計算機基礎課程，應該把培養重點放在學生的計算思維與信息素養能力上，應注重可持續發展的計算機應用能力培養，強調在分析問題和解決問題當中的終身學習能力，從而提高學生的思維能力、擴展思維寬度以及提高解決實際問題的能力。

二、大學計算機基礎教學中的計算思維培養

在計算機基礎教學中，我們將原來的《計算機文化基礎》課程更新為《計算文化與計算思維基礎》課程，主要從以下幾個方面進行了計算思維培養的探索與實踐。

1.課程設計和教學內容。我們對課程教學內容體系進行了科學規劃，針對計算思維的培養進行了教學內容的設計和教材建設。在適度的基礎知識與理論體系覆蓋下，突出回歸人本和回歸工程的教學方法論，既強調內容寬度和知識深度的結合，又通過把科學思維的要素、方法融入問題和案例，從問題分析著手，強調面向計算思維和信息素養的培養，力求達到“教師易教，學生樂學，技能實用”的目標。

（1）教材的編寫宗旨是建設符合我國實際的DR-CDIO（Double Regression-CDIO，回歸人本，回歸工程）人才培養模式的教材體系，有針對性地進行計算思維運用的教學內容的設計。按照認知規律，采用由簡入深、由外入內的教學模式。教材內容不只是講授計算機科學知識，更注重展現了計算思維以及思維能力和工程能力的訓練。

（2）面向現代工程師素質要求，多方位、多角度地培養工程能力。教材中設有“思考與探索”、“角色模擬”、“分析與認證”、“能力拓展與訓練”等多種小欄目，力求多方位、多角度培養學生的工程能力，包括團隊協同合作、有效合作、有效溝通、有效管理的能力、終身學習能力、社會及企業環境下建造產品的系統能力、可持續發展的計算機應用能力等。

“思考與探索”是面向計算思維的對于知識的一種解析，旨在培養學生的計算思維能力和善于觀察、勤于思考、勤于探索的良好學習習慣和品質。

“角色模擬”主要是通過模擬工程師與真實世界之間的互動，通過項目分析、設計與實現，進行工程設計教育、創新教育和工程訓練，強化學生實際動手能力和工程實踐能力的培養，從而提高學生應用工程知識解決真實問題的能力。

“能力拓展與訓練”包括一些思維密度較大、思維要求較高和需要自主學習的問題和要求，旨在培養學生的系統思維能力、發散思維能力、創新思維能力、溝通能力、適應變化的自信能力以及團隊協作創新的工作理念，激發學生自主探究性，在拓展創作中實現自我價值，并培養主動學習、經驗學習和終身學習的能力。

（3）通過把科學思維的要素、方法融入問題和案例，從問題分析著手，面向計算思維和問題求解能力培養。教材精選貼近生活的具有趣味性和實用性的案例，把科學思維的要素、方法融入案例中。

（4）強調教育的根本目標是人的完善。目前的教育過于重視學科知識和智力培養，偏離了教育的根本目標是人的完善，教材按照河北工程大學的DR-CDIO人才培養模式，重視人的全面發展，在教材每章后附有藝術家書法作品一幅，旨在和讀者共勉，內容引用了名言、警句、古詩詞名句等，并在附錄中附有《弟子規》原文，旨在傳承中國傳統文化之精華，充分發揮中國傳統文化對校園和社會所產生的凈化心靈、熏陶品質的作用，使讀者感悟中華文化的真諦，提高內涵素養和外在修養，從而塑造正確的思想道德觀念和人生價值觀念，提升德行修養，塑造健全人格。

2.教學方法與教學手段。

（1）案例教學法。采用“學習目標—實現方法和步驟—相關知識”的案例教學模式，從問題分析著手，強化如何進行抽象，如何將現實生活和工作中的問題抽象為一個數學建模問題或者一個形式化問題，從身邊的問題求解講解到計算科學家如何進行問題求解。比如，通過警察抓小偷、國際會議安排座位等問題的例子，來闡述現實問題如何通過人類的思維活動將其形式化、程序化和機械化后，交給計算機輕松地完成的過程。

（2）項目教學法。設計了以培養計算思維為目標的面向學科交叉及應用的計算機綜合實訓項目。成立CDIO課程小組，學生5～6人一組，實行組長負責制，小組討論、實驗實訓、課程考核答辯等均以小組活動的形式進行。項目實踐活動采用成立學生興趣俱樂部的方式，采取師生雙向選擇的方法，結合各類計算機大賽，提高了學生的創新能力。

（3）教學條件。隨著計算思維能力培養模式下教改的深入，逐步進行了教案、課件、教學網站、實驗實訓教學和項目實踐活動平臺建設，并建立了面向計算思維能力培養的考核形式，增加項目報告、學習記錄、展示作品、設計評估等形式，采用自評、學生評、互評、學校評、總評等方式進行，力求客觀、公正和公平。

（4）教學隊伍。在以培養學生計算思維能力為目標的教學模式中，必須進行教師角色和思維的轉變，我們通過制訂工程技術培養培訓和學術交流計劃，鼓勵與支持教師定期接受技術培訓和國內外學術交流，并做好對青年教師工程素質培養的“傳幫帶”，以提高師資隊伍的工程素質，以期逐步建立起一支面向先進工程教育的可持續發展的教學隊伍。

三、結語

經過幾年的逐步改進和完善，我們選取一些普適性的內容開設了精品視頻公開課《心連“芯”的思維之旅》，2014獲批教育部中國大學精品視頻公開課，并取得了良好的社會效益。

計算思維能力的提高和信息素養是一個長期的工作，在學生未來的生活和工作中將會逐漸體現出來，應該使學生通過自我學習和領悟，使其最終內化為一種思維習慣。

參考文獻：

[1]顧佩華，沈民奮，陳小華.重新認識高等教育——國際CDIO培養模式與方法[M].北京：高等教育出版社，2009.