計算思維融入高等教育的探索

鄭睿穎+王芷婷+陳安寧

一、計算思維介紹

計算思維由機器與人實行，是建立在計算過程的限制及能力范圍之上的。計算方法及計算模型讓學者能夠解決那些無比困難的問題求解以及系統設計。近幾十年來，計算思維在學術界有著不一樣的解釋和定義。1962年由Alan Perlis最早提出此概念，同時闡述了卡內基理工學院（現卡內基·梅隆大學）的編程入門課程。基于他的研究，1980年Seymour Papert在對數學概念的教學中運用了編程語言，之后，程序性的思維被認為是整體思維技能的一部分。

2006年3月，周以真教授在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》上發表文章，從此計算思維有了新的解釋與定義。考慮到人們理解的難易程度，周教授又將其進一步地定義，即將一個看似困難的問題通過闡述成簡單易懂的問題，在轉化、嵌入、仿真和約簡等方法下得以解決。

計算思維不單單屬于計算機科學家，它是我們大家的基本技能。在培養孩子解析能力過程中，既應讓孩子掌握閱讀、寫作和算術（以下簡稱“3R”），又使其學會計算思維。就如印刷出版促進了3R的普及，計算和計算機也以相似的正反饋促進了計算思維的傳播。因此，周教授認為：“像對閱讀、寫作和算術一樣，我們應將計算思維加到評價每個學生的能力中去。”

二、計算思維在高等教育中的現狀

隨著時代的變化，計算機基礎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，它包括計算機基礎原理、操作系統、網絡安全、數據結構及數據庫原理等多個不同的方向，它也是培養大學生計算思維能力的一個非常重要的平臺。計算機基礎課程中包含了許多體現計算思維的案例，如計算機數據結構課程中數據的表示就是計算思維的表示，學生對辦公軟件的學習和使用也是計算思維的一種體現。學生通過學習能夠將計算思維融入自己所學的其他課程中，在自己的學習生活中能夠運用計算思維解決實際問題。盡管如此，許多的問題和挑戰依舊會在實施課程教育的過程中存在。

（1）學生水平參差不齊。我們對所有專業和非專業的學生均開設了計算機基礎課程，由于非計算機專業的學生所占比例接近90%，且來自全國各個地區，學生知識水平有一定的差異，有的學生可能在高中就熟悉課程涉及的知識，但有的學生可能是首次接觸這方面的知識，所以教師需要根據學生們水平層次的不同來制定教學內容。由于受到一些不可避免的條件限制，對于一些非計算機專業的學生許多高等院校采取的是大班授教，雖帶來了一定的方便，但是對于學生的上課狀態和計算思維的培養并未應有的效果。

（2）教學安排理論多于實踐。基于計算機基礎知識繁多而復雜，且受到一些限制（如客觀條件），絕大多數院校對計算機課程的理論課和實踐課的安排并不平衡，經常是理論課遠多于實踐課。然而學生對上機實踐學習的興趣遠高于知識理論課，由于大一新生課程比較多，理論課和實踐課的時間間隔也比較久，理論知識的掌握熟練度會遠遠高于實踐操作的熟練度，這樣導致學生動手能力不強，計算思維概念化，這成了高等學校在教育過程中的潛在障礙。

（3）“變化的世界”對于信息技術學科有著極大的沖擊和挑戰，對于每個教師來說，課程目標、課程內容、課程載體、教學方法都不盡相同。在時代發展的影響下，拿捏課程中什么可變、什么不可變，對于教師來說是個考驗。

三、計算思維的培養

（1）加強課程的實踐。我們不僅要在計算機基礎課程教育課程培養學生的計算思維，同時也要對學生實際動手能力加以鍛煉，畢竟基礎知識和動手能力也是培養計算思維的前提條件之一。所以學院需要增加實踐課程，多培養學生的動手能力，以便加強學生對實際問題的解決能力。當學生遇到問題一時無法解決，在自己動手實踐之后將其解決，這樣不僅能夠加深學生對問題的印象，同時還可以方便學生對相似問題有一定理解，能夠觸類旁通。所以加強實踐動手能力是培養學生計算思維非常重要的一步。

（2）用游戲培養學生的計算思維。目前，引入解謎游戲常作為介紹編程的初學課程的方法。原先其只是個電腦游戲，學生為解決復雜的問題而利用混合的方向和命令移動頭像。“將學習內容變為游戲玩法，提高學生學習興趣，并且使學生理解了編程的工作原理，通過這些原理作為游戲元素來解決環境中的問題，從而使游戲成為了有意義的事。”之后的實驗證明：“游戲能夠支撐可視化的入門性的編程結構。”為探尋學生以游戲為基礎的學習及對計算思維的假設，應進一步用更大的樣本量來進行實驗研究。

（3）用完備的課程系統實現計算思維能力培養。僅僅開設一門計算機基礎課程是不能很好地體現出計算思維的。教師在備課過程中，應該考慮計算機與各個專業學科之間的聯系，制定與學生所學專業相通的教學內容，將計算思維融入不同學科當中，而不是僅限于計算機專業本身，這能更好地讓學生從不同角度利用計算思維理解并能夠解決相對難以解決的實際問題。

四、結語

計算思維如同一個引領著計算機研究者、實踐者與教育家的偉大愿景。收攏還未進入大學的聽眾是尤為重要的，包括學生、父母及教師，應向他們傳遞以下兩個重要信息：

智力上的挑戰和令人著迷的科學問題依然有待理解和解決。因為個人的創造力及好奇心，這一些問題的解答才得以實現。同時一個人能夠主修計算機科學而從事任意一種行業。一個人也能主修數學或者英語，卻從事各式各樣的工作，計算機科學一樣如此。一個人能夠主修計算機科學，接著從事醫學、司法、貿易、政事和任何類型的工程及科學，乃至藝術工作。

計算機科學教授應該為大學新生開設一門課程，名為“計算機科學家的思維”，且其對應全部專業，而不只是計算機科學專業的學生。除此之外，我們應該運用各種方法去提高大眾對探索計算機科學領域的興趣，并要求高中生學習計算的技巧和模型，而不是哀鳴其研究費用的減少或悲嘆大眾對其興趣的衰落。只有這樣，計算機科學的樂趣與力量才能被傳播，才能使計算思維變為我們的有力工具。

參考文獻：

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