面向新工科的“計算思維”人才培養(yǎng)探索實(shí)踐

靳 沖 李 真 張優(yōu)敏

（重慶工程學(xué)院大數(shù)據(jù)與人工智能學(xué)院 重慶 400056）

一、新工科教育中“計算思維”所處的背景

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)應(yīng)用已滲透到人類社會的各種領(lǐng)域，社會對人才在計算機(jī)應(yīng)用方面的能力和技術(shù)水平提出越來越高的要求，從簡單的會編寫程序變成了對于計算機(jī)應(yīng)用能力的提升。在這種背景下，高校通過計算機(jī)課程教學(xué)思想、教學(xué)目標(biāo)以及教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容的大范圍改革，實(shí)現(xiàn)了由狹義的技能教育到能力培養(yǎng)教育的跨越，開始了由能力培養(yǎng)教育到思維培養(yǎng)教育的轉(zhuǎn)變。但是現(xiàn)狀調(diào)研表明，目前我國信息技術(shù)課程還存在著內(nèi)在價值“模糊化”、內(nèi)容“簡單化”、方法“形式化”的不足[1]。

教育部高等學(xué)校計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會副主任委員李廉教授說：“我們要加強(qiáng)對于學(xué)生使用計算機(jī)解決問題的基本思維和方法論方面培養(yǎng)，這才是當(dāng)前教育所缺乏的內(nèi)容。而具體怎么做，甚至可以作為學(xué)生的課外練習(xí)來訓(xùn)練。特別是當(dāng)課堂教學(xué)時數(shù)有限時，講什么和練什么更成為一門課程體系設(shè)計要考慮的內(nèi)容[2]。”當(dāng)前高校很多的學(xué)生缺乏計算思維的意識，甚至根本不會利用互聯(lián)網(wǎng)來搜索一些基礎(chǔ)問題的答案，更不會利用計算機(jī)解決生活中的一些常規(guī)問題，這都是缺乏計算思維所導(dǎo)致的必然結(jié)果。

二、計算思維的內(nèi)涵以及包含的能力素質(zhì)

周以真教授指出“計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動”[3]，即計算思維是從解決問題的角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)使用計算機(jī)科學(xué)的知識解決問題的方法和思路。

計算思維的本質(zhì)是抽象與自動化[4]。抽象即通過離散化，符號化，模型化來描述問題，提取問題的本質(zhì)，求解問題；自動化則是把求解問題的過程程序化，利用計算機(jī)等工具使用編程的方式來求解，自動的執(zhí)行。

新工科教育中具有計算思維的能力。首先要具有計算思維的意識，當(dāng)遇到問題，能首先想到使用所學(xué)的計算機(jī)科學(xué)的知識，利用計算機(jī)等工具進(jìn)行問題的分析，提取問題的本質(zhì)，模型化描述問題，意識形態(tài)是首當(dāng)其沖的。其次，具有了計算思維的意識，并經(jīng)過大學(xué)四年所學(xué)的計算機(jī)科學(xué)理論知識的熏陶以及第二課堂的實(shí)踐和社會上以及學(xué)校的各類計算機(jī)競賽以后，本科生就該知道計算思維的思維過程和思維方法，進(jìn)而利用計算思維的方式解決問題，即具備了計算思維的能力。

三、新工科教育中如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力

（一）教學(xué)內(nèi)容知識點(diǎn)的設(shè)計

教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計不僅是一堂高質(zhì)量課堂的基礎(chǔ)，也是計算思維能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。設(shè)計教學(xué)內(nèi)容的知識點(diǎn)要體現(xiàn)出對計算思維能力的引導(dǎo)，知識點(diǎn)是教學(xué)活動中的最基本單元，所有的“教”與“學(xué)”都要圍繞知識點(diǎn)來開展。

（二）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的方式

熟練掌握計算機(jī)科學(xué)的知識點(diǎn)是形成計算思維的基礎(chǔ)，只有掌握了基本知識點(diǎn)才有可能具備相應(yīng)的能力，沒有知識，也就無從談起計算思維能力的培養(yǎng)。目前高校很多本科生往往會忽視基本的概念或者不愿意花時間去學(xué)習(xí)深入研究，其原因大多是知識點(diǎn)的呈現(xiàn)方式過于單一，并不一定能描述清楚知識點(diǎn)。知識點(diǎn)在設(shè)計方式上采用文字，圖像，動畫，甚至視頻相結(jié)合的多元的呈現(xiàn)方式，讓學(xué)生根據(jù)自己的需要來選擇適合自己的習(xí)慣學(xué)習(xí)。

（三）教學(xué)方法的設(shè)計

教學(xué)過程是由“教”和“學(xué)”兩方面構(gòu)成的。“教”的主體是老師，“學(xué)”的主體是學(xué)生，“教”的最終目的是“學(xué)”，所以堅(jiān)持教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體，一切以學(xué)生為中心的教育理念，教學(xué)過程中一方面培養(yǎng)學(xué)生的計算思維方式，另一方面培養(yǎng)學(xué)生使用計算機(jī)技術(shù)解決問題的能力，以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)與思維能力為核心。

（四）教學(xué)模式的設(shè)計

采用問題式學(xué)習(xí)（Problem-based Learning，PBL）的教學(xué)模式提高學(xué)生的計算思維能力。周以真教授在提出的計算思維相關(guān)論點(diǎn)中指出從計算思維的角度去解決問題，著重強(qiáng)調(diào)解決問題的思路和方法。設(shè)計教學(xué)案例都從思維入手，以任務(wù)驅(qū)動來構(gòu)造求解問題的過程和程序。使用符號化，離散化，模型化的方式描述問題，每堂課通過案例反復(fù)的訓(xùn)練，不斷的刺激學(xué)生的神經(jīng)元，讓學(xué)生使用計算思維的方法解決問題形成一種條件反射。

（五）教學(xué)考核方式的設(shè)計

課程考核設(shè)計為四個維度。“筆試+作業(yè)+課程實(shí)驗(yàn)+考勤”的綜合評定方法，降低期末考試筆試的權(quán)重，增加作業(yè)和課程實(shí)驗(yàn)的權(quán)重，每次的作業(yè)都是讓學(xué)生找采用此算法所解決的問題的案例，分析問題并抽象出問題用符號來描述問題，然后采用程序?qū)崿F(xiàn)，課程實(shí)驗(yàn)課上講解算法原理思路以及主要程序，學(xué)生練習(xí)全部編程實(shí)現(xiàn)，調(diào)試運(yùn)行沒錯出結(jié)果，以此來增強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)建模能力和算法設(shè)計能力以及調(diào)試bug的能力。

（六）教學(xué)評價維度的設(shè)計

教學(xué)評價設(shè)計為四個維度。第一，計算思維與處理問題的能力是否提升；第二，對于學(xué)習(xí)興趣與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度是否有提高；第三，對于學(xué)習(xí)其他學(xué)科是否產(chǎn)生新的興趣或者提高了自覺性；第四，對于考核方式是否認(rèn)同。從這四個方面來了解學(xué)生是否真的有所進(jìn)步，這種進(jìn)步不局限于計算思維的能力。

四、結(jié)束語

新工科教育環(huán)境下培養(yǎng)具有“計算思維”能力的人才是當(dāng)前社會緊急需要的，是順應(yīng)時代發(fā)展要求的，是我們高校計算機(jī)教師特別需要重視的。通過本文的研究與探索實(shí)踐后，能提升本科學(xué)生的計算思維意識，提高學(xué)生分析問題以及利用計算機(jī)解決本專業(yè)以及相關(guān)領(lǐng)域問題的能力，改善學(xué)生抽象模型，簡化原理的思維方式，真正讓學(xué)生形成一種計算思維的條件反射。