計算思維在大學生創新能力培養中的作用研究及實證

黃仁祥

（四川文理學院 招生就業處，四川 達州635000）

1 引言

“創新”一詞在十九大報告中頻繁出現，超過50余次，習近平總書記在十九大上，再次強調“創新是引領發展的第一動力”.高校無疑是創新的主要戰場，培養大學生的創新能力是我國實施科教興國、人才強國戰略的必然要求.高校擔負著培養創新人才的重要任務，充分認識創新能力的本質特征，探索其培養的方式和途徑，加強對大學生創新能力的培養，讓他們成為新時代全面發展的高素質創新型人才，是教育的系統工程和長期任務.［1］

2 大學生創新能力培養現狀及對策

2.1 大學生創新能力培養現狀

長期以來，由于傳統教育思想的影響，人們普遍認為高校只是教授知識的地方.在教育過程中，它們表現為：強調知識的講授，忽略知識的應用、知識的能力和創造的能量；強調知識的數量，忽視知識的創新.這培養了一種學習風格：學生習慣于接受，不習慣思考和論證，影響學生的思維活動，抑制學生的創新精神.因此，筆者認為以下因素阻礙了大學生創新思維的發展：［2－3］

2.1.1 在培養目標上：首先，由于學生較早地進入的專業課學習，知識限于非常狹窄的領域.由于狹窄的專業教育，導致學生的學術思維和視野嚴重不足，因此沒有扎實的知識基礎來培養創新思維.其次，高校也樂于培養應試尖子生，使得這些學生死記硬背，照書本行事，按常規走路，生搬硬套.缺乏不合邏輯思維的直覺，聯想和缺乏想象力，因此很難培養出創新思維.

2.1.2 在傳授內容上：由于長期的應試教育，高校傳授了大量的無活力化的知識，這些知識有的比較陳舊，有的已經過時，它很少或基本不能在實踐中加以運用，這類教學內容本質上只是讓學生填鴨式吸收知識.理論課程上的知識通常“一題一解”“一問一答”，考試通常有標準化答案，導致學生思維固化，學生產生思維惰性，考的內容就學，不考的內容就不學.實踐課程也只注重工具的操作，缺乏思維層面的訓練.

2.1.3 在課程設置上：首先，教學內容已經過時，不能跟上科學技術的發展，特別是缺乏培養學生創新思維的課程.其次，專業分工太精細，這使得文學藝術與科學工程分離，導致學生基礎知識結構不廣博.第三，教學內容理論部分較多，超出實際應用，相關課程沒有進行科學設置.

2.1.4 在教學方式上：首先，教學方法單一，以“教師，教材，課堂”為中心的教學模式占主導地位.學生在教學中扮演著配合教師完成教學計劃的角色.其次，教學方法已經過時，現代教學方法還沒有真正進入課堂.第三是教師是基于教科書，學生是死記硬背，很少討論的機會以及發言機會導致創新思維訓練的缺乏.四是形成了大學生的權威定勢，少有挑戰權威的意識.

2.1.5 在教學評價上：首先，教學評估目標單一.它只注重對學生所學知識掌握程度的評價，只關注對結果的評價，不注重對學習過程的評價，阻礙了學生的想象力和多層次的思維能力的形成.其次，只注重書面測試，知識重現的題目眾多，操作考試很少使用，導致學生只滿足于的死記硬背知識點，阻礙了他們創新欲望的形成.

2.2 大學生創新能力培養的對策和方法

針對上述影響大學生創新能力培養的現狀，可以從三方面應對：

2.2.1 在培養目標上，要尊重學生個性，克服學生的思維定勢，激發學生自主精神，塑造學生的批判精神.

2.2.2 在教學方法上，要活化教學過程，強化探索精神.要突破教師、教材、課堂為中心的局面.多采用下列教學法：

a）案例教學法，以問題為導向的教學方法.

b）活動教學法，讓學生以做活動的方式動手實踐.

c）討論教學法，教會學生不迷信權威，樂于發表自己的意見.

d）游戲教學法，喻教于樂.

2.2.3 在教學評估上，創新課的教學評估應反對應試教育，突破傳統教學教什么就考核什么的陋習，而要大力倡導學生參與課程的考核，調動他們的自主性和參與性，提高學生的學習熱情和創新精神.打破筆試為主的考核方式，多以調研報告，項目或案例分析，圖解圖示等方式來考查學生學業水平.［1－3］

3 計算思維和創新能力的關聯

3.1 什么是計算思維

2006年3月美國卡內基·梅隆大學的計算機科學系主任周以真教授在美國計算機權威期刊Communications of the ACM 上對計算思維進行如下定義：計算思維是指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及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.［4］該定義的提出，使計算思維在國際上得到了廣泛的關注，以美國的代表的國際社會紛紛加入到研究計算思維的行列中來，并逐步將計算思維引入到STEM課堂教育教學中去.

3.2 培養計算思維影響創新能力

人類使用的工具會影響人們的思維，計算機的出現產生了計算思維.著名計算機科學家、圖靈獎得艾茲格·迪科斯徹（Edsger Dijkstra）說過：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力.”電動機的出現產生了了自動化思維，計算機的出現也將催生并發展計算思維.

創新的基礎就是思維，在計算機應用普及和信息技術快速發展的情況下，利用計算機來輔助解決問題是實現創新的主要手段.計算思維和其它各行各業思維的融合，形成跨界思維、交叉思維以及顛覆思維，進而行成一股極其重要的力量推動創新.對計算思維的內涵和外延的研究和探索，以及對計算思維的特點和規律的整理和挖掘，將有助于產生新的思想和方法.

3.3 計算思維是創新能力培養的載體

2010年7月20日，九校聯盟（C9）發表的《九校聯盟計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》（以下簡稱《聯合聲明》）指出，建立計算思維是培養復合型創新人才的一個重要內容.任何學科，具有較好的計算思維能力都將成為新時代拔尖創新人才不可或缺的素質.高校應該旗幟鮮明地把培養具有計算思維能力的高級人才的作為一項重要的長期任務.［5］在高等教育中通過課程教學和實踐教學，有意識、有目的、有針對性地培養學生的計算思維能力，將極大的幫助學生發展創新思維，提高創新能力.將計算思維的培養作為創新能力培養的載體，可以有效的避免創新教育只停留在創新思想、創新方法的層面的研究，可以讓創新教育順利實施.

3.4 計算思維是大學生計算機基礎教育的核心任務

九校聯盟（C9）2010年在在西安發表的《聯合聲明》，針對計算思維和大學生計算機基礎教育的關系提出了四點共識.共識指出了計算機基礎教學對于培養大學生綜合素質和創新能力的重要作用，確立了計算機基礎教學的基礎地位，指出了計算基礎教育的核心任務是培養計算思維能力.共識還要求加強以計算思維能力培養為核心的計算機基礎教學課程體系和教學內容的研究，加強計算機基礎教育的隊伍和機制建設.［5］

4 App Inventor課程在計算思維培養方面的優勢

App Inventor是一個直觀的可視化編程環境，允許每個人，包括K－12的兒童創建功能齊全的移動設備應用程序.App Inventor的新手可以在不到30分鐘的時間內啟動并運行簡單的第一個應用程序.而且，基于可視化塊的編程界面可以比傳統編程環境在更短的時間內創建復雜，高可用性的應用程序.相比基于文本的編程語言（例如JAVA），App Inventor基于可視化拖動塊的編程方式在培養學生計算思維方面更具有優勢.從MIT App Inventor官網上可以了解到，［6］以麻省理工學院、劍橋等國際頂尖大學正在使用App Inventor開發相關課程來培養學生的計算思維.學界、業界普通認為，使用基于塊的可視化編程環境，App Inventor降低所有人的編程入門門檻來實現技術的民主化.教師可以借助App Inventor提高學生的學習編程興趣，幫助學生計算思維的形成，讓學生從技術的消費者轉變為創造者.

5 App Inventor課程在培養學生計算思維和創新能力的實證

5.1 2012年在蘭州大學舉辦的CS4HS培訓班上，蘭州大學郭守超等研究者對參訓教師的調查結果顯示：根據對中小學生對App Inventor的相應塊和功能組件掌握程度和在日常生活中運用計算思維思想分析問題解決問題的情況判斷，基于App Inventor的中小學信息技術課程對培養學習者的計算思維能力有顯著影響.［7］筆者對該研究進行梳理后發現：現有App Inventor示范課程，綜合運用了案例教學法、游戲教學法進行教學；在教學評價上，推進基于課堂教學的過程性評價、課后報告評價等以學生為本的評價方式，印證了本文1.2所述觀點，可以很好地解決學生的創新能力培養問題.

5.2 陜西師范大學2015年的一項研究表明，利用App Inventor開展高中信息技術教學，對培養學生的創造性思維有促進作用，這種促進作用主要表現在創造性思維獨創性方面.App Inventor作為培養學生創造性思維的一種工具，對創造性思維技能的流暢性、變通性并無顯著促進作用，而作為一種軟件作品創作工具，對學生的獨創性思維方面有較明顯的促進作用.［8］

5.3 麻省理工學院2016級碩士Natalie Lao為App Inventor開發了功能模塊——CloudDB，該模塊允許用戶存儲，檢索，并在Redis服務器上為其移動應用程序共享各種類型的數據.同時他還開設了基于CloudDB的中學和高中課程以及評估工具來評估學生理解和利用共享數據概念的程度，然后對10名年齡在12至15歲之間的學生，進行了為期7周，總課時為5小時的教學.課程內容主要是讓學生們了解了MIT App Inventor工具，講授了有關云計算、數據共享等計算思維，學習了如何在 MIT App Inventor中使用CloudDB組件，并創建了獨立的最終項目.研究結果表明，將共享數據作為核心計算思維概念的教學對于中學生來說是完全可行的.學生還能夠推斷云計算、數據共享的潛在問題，例如存儲限制和安全問題.該研究成果已發表在Natalie Lao的碩士論文中.［6］

5.4 筆者曾在四川文理學院對非計算機類專業“現代教育技術”專業《教育軟件設計》課程和計算機類專業“物聯網工程”專業的《Android基礎》課程中引入App Inventor，使用案例教學法、游戲教學法和項目設計考核評價.在教學效果上，學生明顯表現了積極的創造欲望.在現代教育技術專業的教學過程中，22名學生，其中11人為文科生，女生18人，經過兩周的課程，均可設計出功能完整的Android教育App.在“物聯網工程”的期末考核項目中，所有學生都提交了原創的具備完整功能的App，這些App以游戲居多，還有一些工具應用.

6 結論及展望

當前，我國高校從培養目標、傳授內容、課程設置、教學方式和教學評價等五方面阻礙了大學生創新思維形成，影響了大學生創新能力的培養.要改變這些現狀，需要從課程設置、教學方式和教學評價上進行改革.在信息技術快速發展和計算機應用普及的情況下，利用計算機解決問題是實現創新的主要手段.高校應該加強計算機基礎教學課程體系建設，將App Inventor課程納入計算機基礎教學內容，以培養“計算思維能力”為核心開展教學，讓大學計算機基礎課程成為大學創新能力培養的載體.本研究認為，使用App Inventor課程作為大學生計算機基礎課程的一部分，以樹立“計算思維”為載體的計算機基礎教學來實現培養大學生創新能力的目標，具有科學性可行性，可以使創新教育順利進行.

盡管國內外較多大學中學已經開展App Inventor課程與計算思維培養的研究，已經得出很多實證，基于App Inventor的課程教學對中學生計算思維的形成顯示出了較好的促進作用，但是由計算思維尚未形成學科體系，以及App Inventor教學也沒有形成完整的課程體系，所以將以App Inventor課程培養大學生計算思維為載體，培養大學生創新能力的具體實施方案還需要國家、省市和高校各方面共同努力，不斷糾正和改進教學實踐，形成一定的規模和體系，這正是大學計算機基礎教育研究者未來繼續努力的方向.