計算思維為切入點的創新實踐活動聯動模式改革與實踐

王占全, 文欣秀, 楊澤平, 顧春華, 胡慶春

(1. 華東理工大學 信息科學與工程學院，上海 200237；2. 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

0 引 言

目前，我校制定了各種政策大力支持大學生參加各種創新活動(如大學生創新實踐活動、USRP、各種創新基地，講座，實踐課程，競賽課程等)，不僅鍛煉了學生的動手能力，也提高了學生的創新實踐能力，在實踐和反饋中經過與指導教師、學生調研后，也發現一些問題：

(1) 創新實踐活動類型雖多，但之間缺乏聯動。在本校計算機類的實踐活動很多，如課程中進行的各種課程設計實踐(如大作業實踐)；開設的17個實踐活動講座；10種性化定制的實踐項目；藍橋杯訓練班；計算機類大學生創新實踐活動(國家級/市級/校級)；3個計算機相關競賽(上海市計算機應用能力大賽(市賽)，中國大學生計算機設計大賽(國賽)和藍橋杯競賽)等，這些活動并沒有統一起來，都是各自選擇報名，教師各自管理自己的學生，之間交互少，因此數據信息無法充分共享，學生之間交流不便，不利于學生計算機應用能力綜合素質的提高。

(2) 實踐活動知識較多，但重疊性多且缺乏統一規劃。計算機類實踐的項目很多，這些項目在知識內容上亦由相應教師自己設置，由于單個實踐活動項目有知識體系，但是活動之間的實踐知識體系內容缺乏，紐帶缺乏，就導致學生的創新實踐知識缺乏完整的知識體系結構，進而影響學生的整體性計算機相關實踐知識培養。

(3) 各種創新實踐活動難以分級，因此難易程度有別，導致學生抵觸情緒。由于各種計算機類創新活動數目眾多，對許多剛入校的一年級新生而言，不清楚自己的優勢與潛力所在，盲目地報名參加一些創新活動之后，發現自己的知識和能力有限，而自己的指導老師又因為時間有限無法提供系統的指導，自信心非常受打擊，進而在大二和大三對各種創新活動產生畏懼情緒，理所當然就認為這些實踐活動沒有效果。

(4) 各類創新實踐活動缺乏良好的指導制度和過程監控。在指導教師指導學生各類實踐活動中，根據過去5年數據分析，指導學生實踐如果沒有統一的制度保證，很難取得好的成績，因此要形成好的指導制度；另外在實踐指導過程中，基于過程指導是非常重要的，如果僅憑報名階段和最后階段進行指導，效果就很一般，因此研究組織實踐活動的過程監督考核，和指導學生作品中過程考核方法等。

最近3年，在“大眾創業、萬眾創新” “互聯網+”大學生創新創業大賽和各類計算機競賽活動支持下，大學生創新創業正處于一個非常好的環境，如何為大學生提供更好的環境和體系支撐，是需研究的一個重要內容。因此，在我校多個計算機類創新實踐活動中，如何改進創新實踐培養模式，思路如下：在系統授課的課堂上正確地引導學生，鼓勵他們將所學的知識點和自己的興趣點結合起來；在短學期講座中，講解計算思維初步概念等[1]，總體使用計算思維知識并細化貫穿到各個實踐模塊中，幫助他們運用所學知識去分析與解決專業學習中的的實踐問題、提高專業應用能力，最后進行各種競賽和研究。下面結合我校計算機創新實踐情況介紹在以培養學生實踐能力創新能力為核心的實踐教學觀念指導下的一些改革措施與體會。

1 多層實踐活動聯動實踐教學體系

經過多年計算機基礎教學的探索與實踐，以及同行經驗逐步形成了適合我校計算機實踐教學的分層次實踐體系與內容[2-4]。根據本校實際情況和計算機技術的發展，針對原有創新實踐活動中的內容進行改進，強化計算思維力度(分為計算思維初步，編程思維，數據思維和工程系統思維)，并細化計算思維與多層創新實踐活動相結合，建設了創新實踐活動聯動的計算思維導向圖。分為3個層次，計算思維概念講解層；編程思維和數據思維訓練層；系統思維提高層等，如圖1所示。在此基礎上，對實踐活動內容中計算思維的融入，實踐活動的聯動，多元評價和制度形成等問題進行了研究。

圖1 多層計算機類實踐活動中計算思維切入導向圖

2 計算思維為切入點的創新實踐活動研究

計算思維作為三大科學思維方式之一，正在改變著大學計算機教育的教學模式。其受到了國內外計算機界的廣泛關注。培養計算思維能力是當前國內外大學計算機教育的重要組成部分[5-11]，也是我們指導各類創新實踐作品的重要組成部分。因此在計算思維驅動下，理順和優化各個創新實踐活動的內容，并根據創新實踐活動內容(強調實踐，系統和作品完成等)和同行經驗對計算思維進行細化為計算思維概念，編程思維，數據思維和工程系統思維，從課堂教學和實踐環節探討了培養學生計算科學思維的結合點和教學方法?？傮w研究把計算科學思維引入到多層創新實踐活動中，并在教學和實踐理念上以其為主。在實踐中初步分為3個層次，計算思維概念講解層；編程思維和數據思維訓練層；系統思維提高層。

2.1 計算思維概念講解層

在該層使得學生學到計算機知識時，要理解計算思維的概念和日常中一些常用方法(如遞歸、抽象等)[12]，具體例子為：在講座和基礎實驗中，為了能夠在實踐活動體系初期就開始培養計算思維，在該層次，課題組選擇和設計了一組算法介紹案例。對于相關案例的選擇，必須充分體現出以培養計算思維為核心的特點，案例不需要過多，但一定要講授得詳細。例如“遞歸”問題，教師們都知道是一個理解計算機編程思想的好例子，但是如果只是泛泛地介紹過程和結論，并不能很好地幫助學生理解。我校開展的教學實踐中，對“遞歸”問題使用了日常生活中案例式教學，首先通過生活案例來說明該問題，讓學生對“遞歸”進行嘗試性的解決，然后再對該方法進行較為詳細的介紹，讓學生樹立了計算機絕大多數問題可以遞歸解決，幫助學生形成對于“遞歸”的第一印象。

2.2 編程思維和數據思維訓練層

在講解編程思維和數據思維時要從計算機觀點出發講解冗余，抽象，折中等。在該層次，分為選拔機制和計算思維融入講解部分。該層主要以實踐課程為主，是學生計算思維能力提高很重要的層次。因此從選拔和培養過程中就設置了計算思維的融入，具體選拔機制如圖2所示。

圖2 實踐競賽機制以及選拔機制

在講解中要啟發式教學，主要是學生經過前期準備已經進入了各種實踐和大作業實踐中，能夠使用計算機思維的知識來解決問題，再如遞歸，計算機編程部分絕大問題可以用遞歸解決，比如循環，輸入輸出，階乘等。再如折中問題的討論，通過講解冒泡排序，選擇排序和簡單選擇排序讓學生判斷好壞，和在時間和內存選取中進行折中的問題思考等。

2.3 系統思維層

系統思維是一種整體思維，把認識對象作為系統來看待，要求從系統和要素、要素和要素、系統和環境的相互聯系、相互作用中分析問題、解決問題。而針對提高計算機應用能力而言，針對各種作品或其中問題，培養學生要從整體上把控，建立適應社會的需求，從中抽象出系統的業務功能等，進行結構化分解。并考慮各個模塊的關系，最終進行作品的形成和各種測試，最后要理解系統的應用對社會造成影響等意識。在各類競賽和科研平臺中，強調該方法的運用，培養學生的系統思維能力和工程能力。

3 多層實踐活動中實踐內容建設和素質培養

針對本校實際情況(如化工、機械和信息特色顯著等)和同行經驗[12-15]，在各個實踐內容方面，在計算思維引導下，設置了一些與上述專業有關的案例和實踐內容等。開設的實踐內容如圖3所示。

設置了如下步驟：學生從入學之初，在課堂中和各種講座中獲取計算機知識以及融合專業的知識，并進行計算機課程實驗和各種實踐。教師使用混合式學習方法等講解計算思維概念，并講解設計和實現大作業方法和展示往屆作品，通過以上活動等喚醒學生創新意識；在計算思維概念深入講解下學生在課內進行例子框架作業、大作業實踐和課外參加各種實踐等，以及參加各種定制化的實踐項目等，以此進行創新實踐訓練計算思維編程訓練。和初步的創新能力培養；最后學生做出作品和參加各種競賽活動，其中指導學生參加全國大學生智能互聯大賽等，以此進行系統思維和工程思維訓練，進入計算機創新科研團隊等進行創新能力和創新精神培養。

4 實踐活動中基于過程的多元評價體系研究

根據前述對于計算思維的理解和計算思維驅動的“目標-內容”二維模型(簡稱CT-CDT模型)，并根據我校學科情況，使用小組指導，大作業實踐模式等，在實踐指導中強調激發學生的自主學習，擬采用內省式教學(Reflection)方法策略，即學生自評(Self Assessment)，并結合采用小組互評的方法(Peer Assessment)，組合成多元評價體系。所評價的學習內容(CD-CDT)是每一個實踐模塊的學習中，針對本模塊和計算思維概念相關的最重要的知識點，評價學生自我設計的案例。計算機類實踐活動是實踐性很強的課程群，并且有一定的難度(由于大環境課時壓縮等)，如果中間節點不控制，僅憑最終檢查實驗和實踐內容，就會出現很多問題。因此中間環節進行考核是非常重要的，根據實踐課程實際情況，提出了基于過程實踐活動中多元評價方法，如圖4所示。

5 創新實踐成效顯著

近4年通過該體系建立，我校學生的理論實踐水平有了很大提高，特別是計算思維能力，學生學習使用從計算機的角度去分析問題，解決問題，這些提高直接有力地反映到實踐創新模塊中，取得了很好的成績，并且自計算思維為切入點的實踐活動聯動模式實施后，其成績取得了顯著進步，近年來，參與人數連續增加，平均每年遞增22.45%。說明學生更加感興趣參加各類比賽了；獲得市級以上競賽獎項數目，連續3年遞增，其年平均遞增55.17%，獲得國家級獎項也是遞增的，連續2年平均遞增45.63%，說明經過教學改進，其過程監控，計算思維能力培養導致了計算機應用能力提高是非常顯著的，并且有兩組已經取得了創業的成功，具體成績見表1。通過隨機抽樣，收集了177份參加過本部門創新平臺的學生的資料，統計結果顯示出國或港澳地區學習32人，比率為18.1%；繼續深造讀碩士學位以上的達161人，比率為91.1%，并且其他專業學生深造計算機專業的比率76.3%。在該計算思維切入創新實踐聯動平臺下，學生對計算思維的理解更加深入，絕大部分學生能夠使用該思維能力，并運用到后期各類計算機的實踐和課程中。

圖3 實踐活動內容設計和素質能力培養研究

圖4 多層實踐活動中多元評價的策略和方法

在該項目的實施下，也取得了一些上海市級教學成果獎的獎勵。以該論文研究內容為部分基礎，獲得了上海市教學成果一等獎1項，二等獎1項。

表1 創新實踐成績一纜表

2015～2016，2016～2017四次獲得大賽優秀組織獎。*8月參加國賽，人數可能變化，所以約400人

6 結 語

在目前形勢下，計算機類創新實踐基地的聯動實踐改革是一個值得深入探討和參與的課題，為此提出以計算思維為切入點的創新實踐活動聯動研究。 實踐表明，新體系取得了較好的成績，學生通過聯動的計算機類創新實踐培養，學會使用計算科學思維思想去思考在現實世界中如何用計算機工具去解決問題，從而更好地培養了學生發現問題、解決問題能力，進而提高了學生創新能力。但是每一種體系模式都有兩面性，能否帶來良好的效果在實施過程中還需根據本校的實際情況量體裁衣，因地制宜，才能達到好的效果。