將計算思維的培養(yǎng)引入計算機基礎(chǔ)教學(xué)

張潔

[摘 要]文章從獨立學(xué)院現(xiàn)有計算機基礎(chǔ)教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，提出將計算思維引入基礎(chǔ)教學(xué)中，目的在于培養(yǎng)學(xué)生具備以設(shè)計和構(gòu)造為主要特征的思維能力。這種教學(xué)改革需要對現(xiàn)有教學(xué)從目標、內(nèi)容、方法和考核手段等方面進行優(yōu)化。其改革成果對于今后的獨立學(xué)院教育轉(zhuǎn)型具有重要意義。

[關(guān)鍵詞]計算思維；獨立學(xué)院；計算機基礎(chǔ)

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）11-0126-03

計算機基礎(chǔ)教學(xué)在大學(xué)教育中地位非常重要，它對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)、思維方式以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等有積極的作用。但近幾年在“狹義工具論”[1]的影響下，計算機基礎(chǔ)教學(xué)也暴露出一些問題。為了適應(yīng)計算機科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新趨勢，高等院校特別是獨立學(xué)院的計算機基礎(chǔ)教學(xué)更應(yīng)該積極轉(zhuǎn)變教學(xué)思路，不能簡單地將如何使用計算機作為培養(yǎng)學(xué)生的最終成果，而是應(yīng)該將具備以設(shè)計和構(gòu)造為主要特征的計算思維能力的培養(yǎng)作為教學(xué)目標。這不僅為獨立學(xué)院的基礎(chǔ)教育開拓了新思路，也對著力于打造應(yīng)用型本科人才的教育起到重要的作用。

一、獨立學(xué)院計算機基礎(chǔ)教學(xué)的目標及現(xiàn)狀

以江蘇省獨立學(xué)院為例，現(xiàn)階段計算機基礎(chǔ)教學(xué)的目標是使非計算機專業(yè)的學(xué)生不僅掌握計算機的操作使用方法，而且還要了解計算機信息處理的知識、原理與方法。南京師范大學(xué)中北學(xué)院具體的教學(xué)實施辦法是入學(xué)第一學(xué)期安排非計算機專業(yè)的學(xué)生接受計算機信息技術(shù)的基礎(chǔ)通識教育，第二學(xué)期在通識教育的基礎(chǔ)上，理科學(xué)生進一步接受程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)結(jié)束后統(tǒng)一參加江蘇省高等學(xué)校計算機等級考試，其中文科和藝術(shù)類專業(yè)學(xué)生參加一級考試，理科專業(yè)學(xué)生參加二級考試。筆者從事計算機基礎(chǔ)教學(xué)十幾年，深刻體會到此種教學(xué)模式在獨立學(xué)院中有其積極的一面，也不可避免地存在一些問題。

1.信息技術(shù)發(fā)展過快與教學(xué)內(nèi)容之間存在矛盾。信息技術(shù)的飛速發(fā)展對教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計提出嚴峻的考驗。在有限的教學(xué)課時中過多地強調(diào)計算機理論知識會使學(xué)生失去學(xué)習(xí)的興趣和積極性，然而過多地講解前沿知識，又會使缺乏基礎(chǔ)知識支撐的學(xué)生產(chǎn)生無源之水、無本之木的疑惑。

2.計算機基礎(chǔ)教育的作用在教學(xué)中存在誤解。長期以來計算機和信息技術(shù)被社會看作高科技工具，這種狹隘的“工具論”完全忽略了計算機技術(shù)與其他學(xué)科之間的滲透融合，有些學(xué)生甚至有些教師簡單認為計算機基礎(chǔ)課程旨在教會學(xué)生如何使用一些軟件，與專業(yè)學(xué)習(xí)無關(guān)。因此有些高校錯誤地將計算機基礎(chǔ)課程壓縮課時，甚至安排學(xué)生自學(xué)完成。

3.學(xué)生入學(xué)時計算機基礎(chǔ)水平不一給統(tǒng)一課堂授課帶來困難。現(xiàn)階段隨著計算機的大量普及，學(xué)生接觸計算機的程度明顯加強，但由于我國地域經(jīng)濟發(fā)展不平衡以及各地區(qū)中學(xué)對計算機教育重視程度不同，導(dǎo)致高等學(xué)校入學(xué)新生的計算機知識和操作使用能力參差不齊。如何彌合零起點和非零起點學(xué)生的知識與技能的差異，是教師在教學(xué)過程中需要著力解決的問題。

4.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生所學(xué)專業(yè)之間無關(guān)聯(lián)使教學(xué)雙方產(chǎn)生教學(xué)困惑。在實際教學(xué)中，一方面由于教學(xué)課時有限而課程知識點繁多，教師在講授計算機基本知識時多半是講解復(fù)雜的概念和抽象的定義，根本無暇顧及所教學(xué)生的專業(yè)知識背景；另一方面授課教師一般是計算機專業(yè)出身，而所教的非計算機專業(yè)則涉及文、史、經(jīng)濟、生化等各個學(xué)科，如何按照專業(yè)的不同需求分類分層次組織教學(xué)，也給授課教師帶來一定的困難。

二、計算思維的提出

計算思維的提出，為今后的計算機教學(xué)工作指明了新的方向。九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)課程研討會上達成一致共識：要旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[2]。

（一）計算思維的概念

思維是在表象、概念（腦中所想事物）的基礎(chǔ)上進行分析、綜合、判斷、推理等認識活動的過程。計算思維（Computational Thinking）是2006年3月由時任美國卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)（CMU）計算機科學(xué)系主任、現(xiàn)任美國基金會（MSP）計算機和信息科學(xué)與工程部（CISE）主任的周以真（Jeannette M W）教授在美國計算機權(quán)威刊物Communications of the ACM上首次提出的概念。他認為“計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動”[3]。

計算思維是指培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成一種“像計算機科學(xué)家一樣思考”的能力，這種能力應(yīng)該如同我們在成長過程中學(xué)會的掌握閱讀、寫作和算術(shù)（Reading，Writing and Arithmetic——3R）能力一樣，作為人類進行問題求解的有效工具，具有普適性，即是每個人都應(yīng)該掌握并學(xué)會使用的。具備這種以設(shè)計和構(gòu)造為主要特征的思維能力，才能在今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和工作中高效率地解決復(fù)雜和大規(guī)模的問題。

（二）計算思維的提出開拓了現(xiàn)階段計算機基礎(chǔ)教學(xué)的新思路

計算思維是具有普適性的思維訓(xùn)練，將它引入計算機基礎(chǔ)教學(xué)，不僅可以避免由“狹隘工具論”帶來的錯誤思想，而且開拓了計算機基礎(chǔ)教學(xué)的新思路。隨著地區(qū)經(jīng)濟與教育水平的不斷提高以及計算機信息技術(shù)在操作友好性方面的不斷改善，學(xué)生對于計算機具體操作方面的能力越來越強。如果大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)還在重復(fù)簡單的操作教學(xué)，其實是在浪費寶貴的教學(xué)資源。

1.計算機不再僅僅局限于計算工具，現(xiàn)階段它的廣泛應(yīng)用不僅影響著我們的生活、思維方式和思維習(xí)慣，而且也深刻影響著我們的思維能力。培養(yǎng)學(xué)生具備計算思維能力，真正做到授人以漁，使受教育者掌握了“像計算機科學(xué)家一樣思考”的能力，才是計算機教學(xué)遵循的最高目標。

2.計算思維能力是現(xiàn)階段人才培養(yǎng)不可或缺的組成部分。具備通用性的計算機信息技術(shù)以其飛快的發(fā)展速度推動了各個學(xué)科的不斷進步。同時，如同早期的數(shù)學(xué)學(xué)科一般，幾乎每個學(xué)科都會與計算機學(xué)科產(chǎn)生交集，發(fā)展交叉學(xué)科。所以，今后的人才培養(yǎng)不能僅局限于本學(xué)科的知識傳授，更需要塑造能涉及多門學(xué)科的全方面人才，其中計算思維能力是必備素質(zhì)之一。

3.計算思維的培養(yǎng)提供了計算機基礎(chǔ)教育的新內(nèi)容。計算機技術(shù)發(fā)展之快令人始料未及，幾乎沒有哪所高校、哪本教材能夠完全跟上它的發(fā)展節(jié)奏，學(xué)校里傳授的知識總是滯后的。所以掌握最基本的計算機原理，培養(yǎng)計算思維能力，才是計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)所在。

4.計算思維作為學(xué)生必須具備的素質(zhì)，為其專業(yè)學(xué)習(xí)提供了更多的學(xué)習(xí)方法。當計算思維與學(xué)生專業(yè)知識背景有效地結(jié)合起來，可以使他們更有能力解決復(fù)雜的實際問題，進而激發(fā)學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能力，拓展對周圍世界的理解。

三、計算思維的培養(yǎng)需要對計算機基礎(chǔ)教育多個方面進行革新

計算思維概念的提出，使得計算機基礎(chǔ)教育摒棄了以往簡單地針對計算機理論和操作的教學(xué)思路，將培養(yǎng)學(xué)生形成持續(xù)地利用計算機學(xué)科中約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，來解決今后工作學(xué)習(xí)中專業(yè)問題的思維習(xí)慣作為主要目標[4]。這需要在教學(xué)目標、內(nèi)容、方法和考核方式等多個方面進行革新。

（一）轉(zhuǎn)變思想，將計算思維能力的培養(yǎng)作為長期的教學(xué)目標

計算機技術(shù)教育的學(xué)科價值不僅是讓學(xué)生掌握必要的計算機知識和技能，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生運用這些知識和技能解決實際問題的能力。思維的培養(yǎng)是個長期漸進的過程，不能局限于在大學(xué)計算機基礎(chǔ)一門課程中。“九校聯(lián)盟聲明”中指出：“將計算思維能力培養(yǎng)作為計算機基礎(chǔ)教育的核心任務(wù)，是一個較為長期的過程，也是需要我們不斷探索、努力實踐的過程。”這充分說明“培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力”這個任務(wù)的長期性和艱巨性。

多年以來，計算機基礎(chǔ)課作為本科教學(xué)的入門公共基礎(chǔ)課程被安排在高校非計算機專業(yè)的低年級科目中，課程結(jié)束后就鮮有與計算機相關(guān)的后續(xù)課程。但事實上培養(yǎng)學(xué)生形成一種運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念來求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的能力不是一學(xué)期一門課可以形成的，因此計算思維的培養(yǎng)應(yīng)在計算機基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上發(fā)展衍生課程，縱向貫穿于各個專業(yè)的通識教學(xué)階段。

（二）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，引入計算思維的訓(xùn)練

計算思維的培養(yǎng)具體來說可以分為學(xué)生的邏輯推理、算法思維、問題解決的設(shè)計和結(jié)構(gòu)等方面能力的培養(yǎng)。筆者根據(jù)自身多年的教學(xué)經(jīng)驗以及計算思維的指導(dǎo)思想，試探性地提出將計算思維的一般方法融入教學(xué)內(nèi)容中，摒棄以往的概念理論式的說教，針對獨立學(xué)院學(xué)生的具體情況采用不同的教學(xué)側(cè)重點，將課程內(nèi)容做相應(yīng)的調(diào)整。

獨立學(xué)院的學(xué)生入學(xué)時的分數(shù)線屬于本科招錄的第二批次，相對來說成績中等偏下。這部分學(xué)生往往基礎(chǔ)相對較弱，學(xué)習(xí)的主動性和自主性不強，因此在教學(xué)培養(yǎng)目標上應(yīng)適當減弱對理論知識的研究，多重視學(xué)生解決實際問題能力的培養(yǎng)。第一門課強調(diào)的是思維訓(xùn)練而不是具體實現(xiàn)[5]。

針對大部分非計算機專業(yè)的學(xué)生，在現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容上適當壓縮刪減計算機復(fù)雜的理論知識和簡單的計算機操作練習(xí)，將整個系統(tǒng)學(xué)習(xí)分為兩個階段。第一學(xué)習(xí)階段保留最基本的計算機相關(guān)原理，引入計算思維培養(yǎng)與訓(xùn)練；第二學(xué)習(xí)階段涉及少量的高級計算機應(yīng)用，如編程、開發(fā)信息系統(tǒng)等，旨在提高計算思維的應(yīng)用能力。由此大致分配教學(xué)側(cè)重點，比例安排如圖1所示，以“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程為例介紹具體教學(xué)內(nèi)容和方法則如表1所示。

（三）教學(xué)方法需要轉(zhuǎn)變成為知識傳授加思維訓(xùn)練的模式

將計算思維能力的培養(yǎng)作為教學(xué)的核心任務(wù)，需要一套適合思維訓(xùn)練的教學(xué)模式，其中關(guān)鍵點是要激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極地參與思考和創(chuàng)新。就具體的課堂組織教學(xué)模式而言，教師可以采用任務(wù)驅(qū)動、翻轉(zhuǎn)課堂等方法，即在學(xué)生課前充分預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，教師先拋出案例或者與知識點相關(guān)的問題，然后歸納、描述問題，接下來組織學(xué)生討論或者實踐來尋找解決問題的方法，討論完之后再由教師系統(tǒng)地介紹解決問題的方法和知識，最后進行方法和知識的推廣并滲透到其他知識領(lǐng)域中去。在教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生采用邏輯推理、算法設(shè)計等方法解決問題的能力。

下面以第三章“計算機軟件”中操作系統(tǒng)的部分知識點為例說明引入計算思維培養(yǎng)的課程授課方法。

1.教師在課堂授課環(huán)節(jié)中首先介紹操作系統(tǒng)的主要任務(wù)是“對計算機的軟硬件資源進行管理和調(diào)度”。

2.拋出生活中的問題供學(xué)生思考討論，如“在超市排隊結(jié)賬過程中，如何安排顧客的先后順序比較高效？在強調(diào)效率的前提下如何兼顧公平？”“兩只山羊要從兩個方向過橋，如何才能讓它們不在橋上僵持？”等。

3.由生活中的例子引申到操作系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)中的作業(yè)管理、死鎖等知識點。

4.學(xué)習(xí)作業(yè)調(diào)度算法、避免死鎖的銀行家算法等，并鼓勵學(xué)生根據(jù)問題設(shè)計自己的相關(guān)算法。

5.教師歸納總結(jié)，針對不同學(xué)生的專業(yè)背景進行知識推廣和滲透。

教師在授課過程中，由于不同專業(yè)學(xué)生有不同的學(xué)科背景，因此對學(xué)生計算思維的培養(yǎng)側(cè)重點也應(yīng)有所不同。對于文科、經(jīng)濟類學(xué)生，計算思維的培養(yǎng)可以傾向于數(shù)據(jù)的收集與挖掘，使其更多地掌握從數(shù)據(jù)中獲得知識和規(guī)律的方法；對于理科專業(yè)學(xué)生，可重點培養(yǎng)算法的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，使其在今后研究問題和解決問題時可以利用計算思維創(chuàng)建模型和進行模擬仿真。

（四）改革考核方式，將是否具備計算思維能力作為考核的重點

將計算思維的培養(yǎng)引入計算機基礎(chǔ)教學(xué)，就不能僅僅考查學(xué)生使用計算機的能力，而要考查學(xué)生是否具備了計算思維的能力。考查內(nèi)容建議可以分為以下三個部分：第一部分為計算機相關(guān)知識考核，分值比例可以為20%-30%，考試形式可以為閉卷筆試或上機實踐。第二部分重點考查學(xué)生利用遞歸思維、抽象與分解、啟發(fā)式推理等方法具體解決實際問題的能力，分值比例可以為60%-70%，考試形式可以是論文闡述、課程設(shè)計、學(xué)習(xí)報告等形式。第三部分可以將每次課堂的討論與學(xué)生的算法設(shè)計作為考核的補充部分，分值比例可為10%-20%，用于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力與創(chuàng)新能力。

多種考核形式相結(jié)合，重點突出，難易相輔，既考查學(xué)生計算機基礎(chǔ)知識的掌握程度，又加入計算思維能力的評估，體現(xiàn)重視能力培養(yǎng)的多元化教學(xué)方針。

四、結(jié)語

擺脫以操作技能培養(yǎng)學(xué)生計算機能力的狹隘觀點，將計算思維能力的培養(yǎng)作為計算機信息技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)核心，使學(xué)生掌握采用抽象和分解來解決龐雜的任務(wù)的方法，從而提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。這對獨立學(xué)院的教師、學(xué)生都提出了更高的要求，而從長遠角度看，這對于信息時代背景下的獨立學(xué)院轉(zhuǎn)型、人才培養(yǎng)以及教育改革都具有十分重大的意義。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] WING J M.Computational thinking[J].Visual Languages and Human-Centric Computing，2006，49（3）：3.

[2] 何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴.計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計算思維能力的培養(yǎng)：《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》解讀[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010（9）：5-9.

[3] 陳國良，董榮勝.計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011（1）：7-11+32.

[4] 牟琴，譚良.計算思維的研究及其進展[J].計算機科學(xué)，2011（3）：10-15+50.

[5] 李波：計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012（7）：43-45.

[責任編輯：龐丹丹]