非計算機專業本科生計算思維能力的培養與應用實踐

葉文珺　王劍云　張超

摘要：本文首先介紹了計算思維的概念以及在計算機公共課程中引入計算思維的必要性，然后闡述了提高計算思維能力的多種途徑，包括：通過程序設計課程類課程培養學生計算思維、通過上機實驗培養計算思維、通過大學生科創提高學生計算思維等幾個方面。

關鍵詞：計算思維；程序設計；上機實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）14-0115-02

一、引言

計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維同我們的閱讀、寫作能力一樣，是人類的基本思維方式。這種思維方式運用計算機科學的基礎概念和方法對問題進行描述、建模、求解，是一種具有普適性的科學思維方法。

二、在計算機公共教學中引入計算思維的原因

有了計算機，人類就能用自身智慧解決那些計算時代之前不敢嘗試的問題了。然而，長期以來，信息技術只是被社會看成一種高科技工具，計算機科學技術也被構造成一門專業性很強的工具性和輔助性學科，很多非計算機專業的學生從來就沒有體驗過計算的愉悅：基本原理的互相影響，計算思維的方式，以及有趣的問題解決。2006年，隨著周以真教授的“計算思維”課程（面向所有專業的一類“計算機科學導論”課程），以及Tim Bell教授領導的針對中小學生的“不插電的計算機科學”等不同類型的計算思維課程的成功開設，人們開始考慮用“計算思維”來全面改造傳統的大學計算機教育。2009年3月，ACM在網上公布的CS2008中，將原來在“導論”課程中的計算思維放到整個計算學科的教學過程中，認為“計算思維”對計算機課程教學越來越重要，報告建議將“計算思維”放在計算機課程教學的中心地位。

由此可見，不能將程序設計、大學計算機這些計算機基礎課程簡單地看成工具性課程，而應將其作為培養學生計算思維能力的重要課程來看待。那么，如何在課堂上結合課本的知識點培養學生的計算思維能力，使得計算思維成為學生的一種思維習慣，并能夠運用計算思維的方法進行問題的分析和思考？我們在計算機公共基礎課程的教學中，在這方面進行了一些有益的探討及實踐。

三、多種途徑提高計算思維能力

程序設計類課程曾經一度是只以講述程序設計語言的語法知識為主的應試課程，課程枯燥乏味，遠離應用。為了把程序設計從應試課程轉變為一種實踐工具，目前程序設計類課程多以培養學生運用編程語言解決實際問題的編程能力為目標，使學生掌握一門編程語言的基本語法、語句、控制結構，以及程序設計的基本思想和方法，使學生認識到算法、良好的程序設計風格及實踐在的重要性，培養學生熟練使用一門編程語言分析和解決實際問題的能力。進而培養學生的計算思維能力，使學生無論以后在學習、工作中使用什么語言編程，都能靈活應用這些思想和方法的能力，為學生進一步學習其他專業課程打下堅實的基礎。

（一）在程序設計類課程的教學中，采用基于任務驅動及算法多樣化訓練的計算思維培養方法

在程序設計類課程教學改革中，首先要轉變和更新教師的教學理念，從傳統的“以傳授計算機知識為主”轉變為“以培養計算思維”為主，研究從“教給學生什么知識”轉為“教給學生什么思維方法和能力”，以及如何確保由“知識傳授”轉為“基于知識的思維傳授”的問題，旨在讓學生不僅“學會”，更要“會學”，不僅“愛學”，更要“學有所獲、學以致用”，不僅“學會知識”，更要“學會思維方法”。

基于任務驅動的教學方法及算法多樣性訓練可以激發學生的思維活動，強化計算思維訓練。

1.采用基于任務驅動的教學方法。為了將計算思維的培養和課堂教學有機地融合，我們在教學過程中綜合采取任務驅動教學、整班教學與小組教學、多媒體教學與網絡教學等多種方法開展教學，充分發揮各種教學方法的優勢，積極采取多種途徑幫助學生在算法課程的教與學中有意識地加強計算思維的培養。

運用任務驅動教學法的教學形式是：提出任務→師生共同分析完成任務的方法和步驟→適當講解或自學或協作學習→完成任務實踐→交流或歸納。而傳統的教學形式是：基本概念介紹→舉例解釋→鞏固型獨立練習→小結評講→上機練習。在這個過程中，學生的學習基本上是被動的。采用任務驅動教學法，在課堂教學中，首先提出一個需要完成的具體任務，與學生共同分析解決該問題所需的知識、方法和步驟，圍繞具體任務進行適當的概念教學和舉例講解，或引導學生來獨立完成，也可以合作完成。目的是通過完成任務，掌握學習內容，學會學習，培養綜合能力。在這個過程中，教師要參與一些學生的討論去發現問題，個別的問題個別回答，帶有普遍性的問題在全班回答或講解。要引導學生掌握教學內容，適時交流，發現新思路，推廣新思路，鼓勵創新。教師進行比較、評講、歸納，或由計算機執行，學生從中得出結論，共同進步。

采用任務驅動教學法進行教學，教師的教和學生的學都是圍繞如何完成一個具體任務進行的。教師教學思路清晰，學生學習目的明確，學習就變成了學生的主動行為，更容易掌握學習內容。

2.尊重學生不同的認知方式，重視算法多樣化訓練。算法多樣化的本質是尊重學生不同的認知方式，在教學過程中由于學生認知方式的差異，必然會導致算法多樣化。教師應該尊重每位學生的個體特征，鼓勵學生從不同角度認識問題，用不同方式表達算法，用不同方法實現問題求解。同時教師給予適當的評價，就是尊重學生不同的認知方式。

在教學過程中，教師不但要倡導算法多樣化，還要引導學生對算法進行反思和進一步探索，從而達到簡化并優化算法的目標。將一個計算任務用多種思路、多種算法進行求解，可以發展學生計算思維的靈活性。算法多樣化讓學生可以用自己喜歡或能夠理解的算法，通過交流、評價得到計算結果。

研究表明，問題可以更好地激發學生的求知欲，使學生注意力集中。學習不應是簡單地接受課本一成不變的知識，而應在原有問題的基礎上不斷引導學生從不同的角度發現新的問題，拓展思維方式，培養創造精神。教師可以在講解完課本上的經典例子后，啟發學生將其修改后應用于一個實際問題中。教師在備課時，不僅要熟悉消化教材內容，更要精心設計課堂情境，準備好“問題”，設置好“陷阱”，引導學生積極思考，逐步培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。

（二）嘗試以上機實驗為重點的計算思維教學模式

程序設計類課程是實踐性學科，上機實驗是培養學生計算思維能力的重要手段，是程序設計課程教學的核心。

1.實驗內容分層次。按照難度不同將實驗內容分成了概念基礎實驗、應用基礎實驗和應用提高實驗三種類型。我們將概念基礎實驗設計為驗證性實驗，如某種數據結構的表示和實現并將此種數據結構封裝為一個類，并要求所有的學生都必須實現；應用基礎實驗，則是利用已實現的某種算法或數據結構實現的一個簡單應用；應用提高實驗，是利用已實現的某種或某幾種數據結構實現的一個綜合應用。后面兩種類型的實驗又分設若干實驗題，每個實驗題都設有難度系數。我們要求每個學生必須完成概念基礎實驗和一道應用基礎實驗題，選做一道提高實驗題，所選應用基礎實驗題和提高實驗題的難度將作為成績評定的一個依據。

2.增強實驗內容的趣味性和綜合性。通過計算任務的趣味性、綜合性等來增強實驗內容的難度，從而強化計算思維訓練。大學生一般對新鮮事物好學、好問并富于幻想，初遇計算任務時往往興致盎然，幻想編寫程序。但在傳統教學中，缺少趣味性和綜合性，進而導致同學們沒有學習興趣，所以，設計實驗內容盡量生活化、趣味化。例如，我們在C語言程序設計的實驗教學中，引入了學生熟悉并感興趣的“學生點名系統”、“四則運算測驗系統”等題目，從分支程序設計開始就引入這類實驗，進而在循環、數組、函數、文件等部分的實驗中不斷改進完善系統功能。當學生完成實驗的最終版本時，已經綜合運用了這門課程中的所有知識，同時享受到了完成一個作品的成功感，極大提到了學生的學習興趣。

（三）通過指導大學生科創激發學生的學習興趣，培養學生的計算思維能力

大學生科創旨在進一步推動高等教育教學改革，促進人才培養模式和教學方法的創新，鼓勵和支持大學生盡早參與科學研究、技術開發和社會實踐等創新活動，不斷提高大學生的創新精神、創業精神和實踐能力。通過指導學生科技創新項目，以現實中的實際項目為驅動，進一步激發學生的學習興趣，并在實際的項目中，深入培養學生的計算思維能力，讓學生在邊做、邊思考、邊學習的過程中養成良好的計算思維。近幾年來，完成的比較優秀的科創項目，每年都參加市級甚至全國的程序設計大賽，都能取得不錯的成績，這反過來又能激發學生對程序設計的學習熱情，也為教師的課堂教學提供案例。

四、結論

計算思維的培養不是通過一兩門課程的教學就能夠解決的，而是應該貫穿于整個專業課程的教學中。但計算機基礎課程的教學卻肩負著提高學生學習計算機的興趣和培養學生從生活中的問題求解過渡到學會用計算機進行問題求解的重任，因此，計算機公共課程的教師應當從計算思維的層面看待所授的課程，梳理和提煉課程中所蘊含的計算思維的概念、方法和思路，有目的有意識地從各個角度培養學生的計算思維能力，以期學生能夠利用這種思維方式自主解決實際問題，并在解決實際問題中鍛煉自己的能力。

參考文獻：

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