多元思維引導下的計算機專業實踐教學體系構建與實施

張其亮, 陳永生

(1．江蘇科技大學 計算機學院，江蘇 張家港 215600；2．同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

0 引 言

現代社會發展對大學畢業生的整體素質要求越來越高，實踐和創新能力是反映大學生實力水平的重要方面，在人才競爭和企業工作中的作用越來越重要[1]。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》也明確強調，堅持能力為重，強化能力培養，著力提高學生的實踐能力和創新能力。可見，實踐教學在整個教學體系中具有極為重要的地位。雖然全國高校不斷地在實踐教學體系方面進行改革與創新,但在受傳統教育理念主導的教育模式下，學生實踐能力、創新能力的發展受到制約。

計算思維、工程思維和設計思維作為新的理念和路徑迎合了社會對人才培養的需求，為實踐教學改革提供了新的路向。計算思維是指運用計算的科學方法進行問題求解的一種思想活動[2]，其核心是培養學生分析問題、求解問題的能力；工程思維是人們進行工程活動和工程研究過程中所形成的獨特的思維方式[3]，其主要培養學生站在工程的立場上看待與處理問題；設計思維從方法觀理解是一套關于創新式解決問題的方法論體系[4],其目的是培養學生的創新意識。計算思維、工程思維和設計思維的融合意在培養學生的動手實踐能力，系統解決工程問題的能力以及學生的創新能力。基于此，本研究在多元思維的引導下，基于計算機專業系統的探討了實踐教學體系的構建并進行了實施，為培養高素質、能力強、適應新時代需求的大學生探索一條新路。

1 多元思維的內涵

本文所指的多元思維主要是計算思維、工程思維和設計思維。

1.1 計算思維的內涵

計算思維的概念最早由文獻[5]于2006年首次提出，其認為“計算思維是運用計算科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、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。”周教授對計算思維的闡述引起了國內外教育界的關注，一些學者也紛紛提出了自己對計算思維的看法和理解，諸如王飛躍[6]認為，計算思維是一種以抽象、算法和規模為特征的解決問題的思維方式；唐培和等[7]認為計算思維是一種建立在“計算”基礎之上的、有效的問題求解方法，其把客觀世界的問題映射到計算機世界，然后利用“計算”的方法來模擬或仿真，以此來映射客觀世界問題的解。

通過對計算思維的理解，筆者認為計算思維是指運用信息技術、計算方法把客觀問題建立數學模型，并設計合適的算法進行求解的一種思維與實踐活動，其框架結構如圖1所示。由圖可見，計算思維的實質在于針對出現的客觀問題，利用所學的知識、工具建立數學模型，并借助所學的計算知識和已有資源，在一定計算環境下設計有效算法對數學模型進行求解，從而解決實際客觀問題的實踐活動。

圖1 計算思維框架結構

1.2 工程思維的內涵

工程思維是人們在進行工程活動和工程研究過程中所形成的獨特的思維方式[9]，其根本任務是設計與驗證工程實踐，因此工程思維活動是建立在實際工程項目基礎之上的。工程思維的活動在時間、質量、效率、成本等方面應該有更高的要求。以高效、優質解決實際工程問題為目標，研究給出了工程思維的方法路線，如圖2所示。

圖2 工程思維方法路線

由于解決的是工程問題，圖2的工程需求需要綜合考慮功能需求、性能需求、時間需求、成本需求等，工程實施過程中發現問題應及時修正需求、方案設計，以滿足實際需要。

1.3 設計思維的內涵

設計思維的概念最早于1987年由Rowe提出。加拿大的羅杰·馬丁也是較早從事設計思維研究的學者，他認為設計思維是整合思維，是探索對立想法的能力、對立約束的能力以創造出新的解決方案[10]；文獻[11-12]從創新過程對設計思維進行了闡述，認為設計思維是一個通過不斷構思、原型、評價并不斷迭代，最終找到問題解決方法的創新過程;文獻[13]認為設計思維是克服思維定勢，經過對各種信息的組合和處理，創造出新辦法、新概念、新形象、新觀點，從而使學生在事物認識和實踐中能取得突破性進展的思維活動。

通過對設計思維內涵的理解，筆者將設計思維歸納為綜合運用所學的知識，創造或以創新方法設計、解決問題的思維活動。其以創新為主要目的，為此提出了設計思維的路線方法，如圖3所示。在圖3中，方法是一個比較寬泛的概念，可指解決問題的思路、方法，新的工具、手段等。

2 多元思維與實踐教學體系改革

在實踐教學過程中，學生掌握解決問題的總體思路和方法至關重要，這就對當前的實踐教育教學理念和教學體系、模式提出了新的要求[13]。基于思維的視角，在計算思維、工程思維和設計思維的引導下，本研究對實踐教學體系進行了重構，形成了校內實踐、工程實踐、創新實踐3層次的實踐教學培養體系，如圖4所示。

圖3 設計思維路線方法

圖4 實踐教學體系結構

校內實踐主要利用開設的基礎課和專業課課內實驗鍛煉學生的動手實踐能力，培養學生基于計算思維解決問題的能力；工程實踐主要利用一些實戰項目、企業項目培養學生綜合解決實際工程問題的能力，讓學生在校內提早接觸實際工程項目開發，為就業奠定良好基礎；創新實踐主要通過一些創新平臺和創新創業計劃項目培養學生的創新能力。

2.1 校內實踐教學模式

校內實踐主要利用計算思維培養學生解決問題的能力，主要指分析問題、建立模型、設計算法并基于計算技術求解問題的能力[14]。結合實際實踐教學需求，本研究構建了如圖5所示的以計算思維為核心的校內實踐教學模式。

圖5 計算思維為核心的校內實踐教學模式

(1) 問題導向設計實踐內容。教師將實踐內容以問題形式呈現出來，告訴學生要解決什么樣的問題，問題的目標是什么，對于較大的問題可以對問題進行分解，分解為若干子問題讓學生逐一系統解決。引導學生在問題驅動下自主學習，獨立分析問題和解決問題。

(2) 引導計算思維解決問題。“計算思維=模型+算法”。在學生明確問題目標后，積極用計算思維引導學生解決問題。引導學生將客觀問題進行符號化，進而建立相應的計算模型，并引導學生利用所學知識設計有效的計算方法在信息計算環境下對問題進行求解。

例如，在數字圖像處理課程實驗中，設置了一個火焰檢測的實踐環節，該實踐的相關內容如下。

提出問題：火災是日常生活中常見的嚴重災害，如何利用數字圖像處理技術及時檢測火災，從而達到預防火災的目的？

實踐目標：能將圖像或視頻中的火焰利用數字圖像處理技術進行識別。

實踐要求：給定一個圖像或視頻，將圖像或視頻中的非火焰區域過濾掉，把火焰區域凸顯出來；具有較高的識別率和較低的誤判率。

問題提示：考慮火焰顏色特征進行識別；考慮火焰的動態特征繼續識別；考慮火焰的燃燒特性-尖角、質心移動等進行識別；綜合上述幾種特征進行識別；其他特征識別。

學生根據實踐目標、要求及提示信息，查閱資料，然后基于計算思維將客觀問題轉化為數字圖像處理模型，并設計相應算法，從而在圖像或視頻中把火焰識別出來。這樣一個實踐環節結束后，學生清楚了問題需求，清楚了解決途徑，能獨立建立模型，能自己根據知識設計解決方法并進行實踐，學生計算思維能力得到了訓練。

2.2 工程實踐教學模式

工程思維以實際工程項目為基礎[15]，本研究的工程實踐項目主要來源于學科競賽、教師項目、畢業設計和企業項目。其中，企業項目是工程思維培養的關鍵，是工程實踐教學開展的基礎。為了使學生在校內能接觸到企業實際工程項目，研究積極進行校企合作，計算機專業與6家企業建立了校企合作關系，校內、校外聯合培養學生的工程思維能力。

(1) 校內教學實踐過程引入了企業工程師及企業項目的參與。在大一的專業認識實習環節，主要聘請合作企業工程師到校內講解該專業的發展前景、企業文化等，讓學生對專業發展和企業運行有所了解；在大二和大三期間，設置了2個3周的校內綜合實訓環節，對專業知識進行綜合訓練，該實訓環節由合作企業派工程師進駐校內，自帶企業項目與校內教師一起指導完成。企業工程師從系統解決實際問題的角度出發，引導學生從功能、性能、成本等多個角度解決問題，培養學生解決工程問題的能力。

(2) 全面開展校外教學實踐。在大四期間，輸送學生到企業參加培訓、實習，并由企業進行考核，考核結果作為大四期間校內相應課程的成績，這樣學生在企業的培訓、實習相對穩定，由此學生在企業可以得到系統的基于工程思維的能力培養。

2.3 創新實踐教學模式

設計思維意在培養學生的創新實踐能力，創新實踐能力的培養需要從多方面進行，本研究設計了如下幾個方面引導學生進行創新。

(1) 從校內實踐開始，引導學生變換思維，設計新方法，使用新工具解決問題。引導學生創新從基礎實踐開始，一方面教師在實踐教學過程積極引導；另一方面在校內實踐的考核環節加入對創新方法的考核。

(2) 建立創新實踐平臺，鼓勵學生利用創新實踐平臺相互交流、共同實踐和創新。為了鼓勵學生創新，學校在張家港市政府的支持下于2015年10月成立了張家港“香樟樹”眾創空間，這也是張家港市第一家為大學生提供的全方位創新創業的創客空間。“香樟樹”眾創空間營業面積1 600 m2，簽約導師50多名，創客工位60多個，已有30余個項目入駐，獲得科技支持資金100多萬元。2016年9月，“香樟樹”眾創空間獲評江蘇省級眾創空間。“香樟樹”眾創空間吸引了眾多學生進駐進行創新交流，很好地培養了學生的創新能力。

(3) 積極引導、組織學生參加各類創新創業計劃項目，開闊學生眼界，培養學生創新能力。為了鼓勵學生創新，學校成立了大學生創新創業指導中心，配備指導教師，并每年下撥經費到該中心，資助學生進行創新創業。另外，學校還積極組織學生申報各市、省的大學生創新創業項目，引導學生創新。

3 多元思維引導下的實踐教學實施成效

本研究基于所設計的多元思維引導下的實踐教學體系對計算機專業進行了近3年的實施，取得了滿意的成果。

3.1 學生滿意度調查

多元思維引導下的實踐教學模式增加了學生的實踐興趣，提高了學生的實踐積極性。學期末通過選取計算機專業的一門專業實踐課進行問卷調查，調查問卷共發放34份，收回問卷34份，調查內容包括：①對新的實踐教學體系是否滿意？②對以計算思維為導向的問題求解方式進行實踐是否滿意？③對現有的工程實踐教學模式是否滿意？④對目前建立的創新平臺和組織的創新活動是否滿意？調查問卷分為三個等級：A-滿意；B-較滿意；C-不滿意，調查結果如表1所示。

表1 學生滿意度調查結果

從調查結果看，88%的同學對新的實踐教學體系滿意；對計算思維引導的實踐教學模式74%的同學覺得滿意；對現有的工程實踐教學模式85%的同學滿意，只有9%的同學不滿意；94%的同學對目前建立的創新平臺和組織的創新活動表示滿意。由此可以看出，多元思維引導下的實踐教學體系能滿足絕大部分學生的需求，在工程實踐能力、創新能力培養方面具有較好的推動作用。

3.2 學生實踐成效

研究實施3年來，學生在各類競賽中共取得國家級獎項30余項，省級獎項80項；學生申報的江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目中，獲得國家級立項的項目有2項，獲得省級立項的項目有10項；計算機專業每年大致80%以上的同學參與校外培訓、實習，進行了實際工程訓練；就業率及就業薪資均高于專業平均水平，學生實踐成效顯著。

4 結 語

從思維的視角，以計算思維、工程思維、設計思維為引導構建了計算機專業實踐教學體系。計算思維以問題為導向，培養學生將實際問題利用計算機知識建立模型，并設計算法進行求解的能力；工程思維從實際工程項目視角出發，訓練學生系統解決實際工程問題的能力；設計思維培養學生的創新能力。從實踐成效來看，多元思維引導下的實踐教學體系對于培養學生利用計算技術求解問題，培養學生的工程實踐能力和創新能力發揮了重要作用。