計(jì)算思維融入高等教育的探索

鄭睿穎+王芷婷+陳安寧

一、計(jì)算思維介紹

計(jì)算思維由機(jī)器與人實(shí)行，是建立在計(jì)算過(guò)程的限制及能力范圍之上的。計(jì)算方法及計(jì)算模型讓學(xué)者能夠解決那些無(wú)比困難的問(wèn)題求解以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。近幾十年來(lái)，計(jì)算思維在學(xué)術(shù)界有著不一樣的解釋和定義。1962年由Alan Perlis最早提出此概念，同時(shí)闡述了卡內(nèi)基理工學(xué)院（現(xiàn)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)）的編程入門(mén)課程?；谒难芯浚?980年Seymour Papert在對(duì)數(shù)學(xué)概念的教學(xué)中運(yùn)用了編程語(yǔ)言，之后，程序性的思維被認(rèn)為是整體思維技能的一部分。

2006年3月，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)表文章，從此計(jì)算思維有了新的解釋與定義?？紤]到人們理解的難易程度，周教授又將其進(jìn)一步地定義，即將一個(gè)看似困難的問(wèn)題通過(guò)闡述成簡(jiǎn)單易懂的問(wèn)題，在轉(zhuǎn)化、嵌入、仿真和約簡(jiǎn)等方法下得以解決。

計(jì)算思維不單單屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，它是我們大家的基本技能。在培養(yǎng)孩子解析能力過(guò)程中，既應(yīng)讓孩子掌握閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“3R”），又使其學(xué)會(huì)計(jì)算思維。就如印刷出版促進(jìn)了3R的普及，計(jì)算和計(jì)算機(jī)也以相似的正反饋促進(jìn)了計(jì)算思維的傳播。因此，周教授認(rèn)為：“像對(duì)閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)一樣，我們應(yīng)將計(jì)算思維加到評(píng)價(jià)每個(gè)學(xué)生的能力中去?！?/p>

二、計(jì)算思維在高等教育中的現(xiàn)狀

隨著時(shí)代的變化，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程得到了更大的重視，幾乎成了所有大一新生必修的課程之一，它包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)原理、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)庫(kù)原理等多個(gè)不同的方向，它也是培養(yǎng)大學(xué)生計(jì)算思維能力的一個(gè)非常重要的平臺(tái)。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中包含了許多體現(xiàn)計(jì)算思維的案例，如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中數(shù)據(jù)的表示就是計(jì)算思維的表示，學(xué)生對(duì)辦公軟件的學(xué)習(xí)和使用也是計(jì)算思維的一種體現(xiàn)。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)能夠?qū)⒂?jì)算思維融入自己所學(xué)的其他課程中，在自己的學(xué)習(xí)生活中能夠運(yùn)用計(jì)算思維解決實(shí)際問(wèn)題。盡管如此，許多的問(wèn)題和挑戰(zhàn)依舊會(huì)在實(shí)施課程教育的過(guò)程中存在。

（1）學(xué)生水平參差不齊。我們對(duì)所有專(zhuān)業(yè)和非專(zhuān)業(yè)的學(xué)生均開(kāi)設(shè)了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，由于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生所占比例接近90%，且來(lái)自全國(guó)各個(gè)地區(qū)，學(xué)生知識(shí)水平有一定的差異，有的學(xué)生可能在高中就熟悉課程涉及的知識(shí)，但有的學(xué)生可能是首次接觸這方面的知識(shí)，所以教師需要根據(jù)學(xué)生們水平層次的不同來(lái)制定教學(xué)內(nèi)容。由于受到一些不可避免的條件限制，對(duì)于一些非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生許多高等院校采取的是大班授教，雖帶來(lái)了一定的方便，但是對(duì)于學(xué)生的上課狀態(tài)和計(jì)算思維的培養(yǎng)并未應(yīng)有的效果。

（2）教學(xué)安排理論多于實(shí)踐。基于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)繁多而復(fù)雜，且受到一些限制（如客觀條件），絕大多數(shù)院校對(duì)計(jì)算機(jī)課程的理論課和實(shí)踐課的安排并不平衡，經(jīng)常是理論課遠(yuǎn)多于實(shí)踐課。然而學(xué)生對(duì)上機(jī)實(shí)踐學(xué)習(xí)的興趣遠(yuǎn)高于知識(shí)理論課，由于大一新生課程比較多，理論課和實(shí)踐課的時(shí)間間隔也比較久，理論知識(shí)的掌握熟練度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)踐操作的熟練度，這樣導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng)，計(jì)算思維概念化，這成了高等學(xué)校在教育過(guò)程中的潛在障礙。

（3）“變化的世界”對(duì)于信息技術(shù)學(xué)科有著極大的沖擊和挑戰(zhàn)，對(duì)于每個(gè)教師來(lái)說(shuō)，課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程載體、教學(xué)方法都不盡相同。在時(shí)代發(fā)展的影響下，拿捏課程中什么可變、什么不可變，對(duì)于教師來(lái)說(shuō)是個(gè)考驗(yàn)。

三、計(jì)算思維的培養(yǎng)

（1）加強(qiáng)課程的實(shí)踐。我們不僅要在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教育課程培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，同時(shí)也要對(duì)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力加以鍛煉，畢竟基礎(chǔ)知識(shí)和動(dòng)手能力也是培養(yǎng)計(jì)算思維的前提條件之一。所以學(xué)院需要增加實(shí)踐課程，多培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，以便加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決能力。當(dāng)學(xué)生遇到問(wèn)題一時(shí)無(wú)法解決，在自己動(dòng)手實(shí)踐之后將其解決，這樣不僅能夠加深學(xué)生對(duì)問(wèn)題的印象，同時(shí)還可以方便學(xué)生對(duì)相似問(wèn)題有一定理解，能夠觸類(lèi)旁通。所以加強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維非常重要的一步。

（2）用游戲培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。目前，引入解謎游戲常作為介紹編程的初學(xué)課程的方法。原先其只是個(gè)電腦游戲，學(xué)生為解決復(fù)雜的問(wèn)題而利用混合的方向和命令移動(dòng)頭像?！皩W(xué)習(xí)內(nèi)容變?yōu)橛螒蛲娣ǎ岣邔W(xué)生學(xué)習(xí)興趣，并且使學(xué)生理解了編程的工作原理，通過(guò)這些原理作為游戲元素來(lái)解決環(huán)境中的問(wèn)題，從而使游戲成為了有意義的事?！敝蟮膶?shí)驗(yàn)證明：“游戲能夠支撐可視化的入門(mén)性的編程結(jié)構(gòu)?！睘樘綄W(xué)生以游戲?yàn)榛A(chǔ)的學(xué)習(xí)及對(duì)計(jì)算思維的假設(shè)，應(yīng)進(jìn)一步用更大的樣本量來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

（3）用完備的課程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維能力培養(yǎng)。僅僅開(kāi)設(shè)一門(mén)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是不能很好地體現(xiàn)出計(jì)算思維的。教師在備課過(guò)程中，應(yīng)該考慮計(jì)算機(jī)與各個(gè)專(zhuān)業(yè)學(xué)科之間的聯(lián)系，制定與學(xué)生所學(xué)專(zhuān)業(yè)相通的教學(xué)內(nèi)容，將計(jì)算思維融入不同學(xué)科當(dāng)中，而不是僅限于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本身，這能更好地讓學(xué)生從不同角度利用計(jì)算思維理解并能夠解決相對(duì)難以解決的實(shí)際問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

計(jì)算思維如同一個(gè)引領(lǐng)著計(jì)算機(jī)研究者、實(shí)踐者與教育家的偉大愿景。收攏還未進(jìn)入大學(xué)的聽(tīng)眾是尤為重要的，包括學(xué)生、父母及教師，應(yīng)向他們傳遞以下兩個(gè)重要信息：

智力上的挑戰(zhàn)和令人著迷的科學(xué)問(wèn)題依然有待理解和解決。因?yàn)閭€(gè)人的創(chuàng)造力及好奇心，這一些問(wèn)題的解答才得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)一個(gè)人能夠主修計(jì)算機(jī)科學(xué)而從事任意一種行業(yè)。一個(gè)人也能主修數(shù)學(xué)或者英語(yǔ)，卻從事各式各樣的工作，計(jì)算機(jī)科學(xué)一樣如此。一個(gè)人能夠主修計(jì)算機(jī)科學(xué)，接著從事醫(yī)學(xué)、司法、貿(mào)易、政事和任何類(lèi)型的工程及科學(xué)，乃至藝術(shù)工作。

計(jì)算機(jī)科學(xué)教授應(yīng)該為大學(xué)新生開(kāi)設(shè)一門(mén)課程，名為“計(jì)算機(jī)科學(xué)家的思維”，且其對(duì)應(yīng)全部專(zhuān)業(yè)，而不只是計(jì)算機(jī)科學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生。除此之外，我們應(yīng)該運(yùn)用各種方法去提高大眾對(duì)探索計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的興趣，并要求高中生學(xué)習(xí)計(jì)算的技巧和模型，而不是哀鳴其研究費(fèi)用的減少或悲嘆大眾對(duì)其興趣的衰落。只有這樣，計(jì)算機(jī)科學(xué)的樂(lè)趣與力量才能被傳播，才能使計(jì)算思維變?yōu)槲覀兊挠辛ぞ摺?/p>

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