新工科視域下程序設計基礎課程計算思維培養路徑

朱文龍，楊雙雙，魏連鎖，李長榮，潘海珠

新工科視域下程序設計基礎課程計算思維培養路徑

朱文龍1，楊雙雙2，魏連鎖3，李長榮1，潘海珠1

（齊齊哈爾大學 1. 計算機與控制工程學院，2. 教師教育學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3. 宿遷學院 信息工程學院，江蘇 宿遷 223800）

在新工科的背景下，計算思維已成為計算機相關行業畢業生的必備技能，特別是在工程技術領域．然而，傳統的編程教學主要側重于語言和語法本身的特征，忽略了對學生計算思維能力的培養．以程序設計基礎課程為例，探索了在新工科視域下計算思維培養路徑，提出了課程的教學目標、教學內容、教學方法、教學評價等方面的實施方法．通過該路徑的實施，拓寬了計算思維培養的策略，可以有效地幫助學生提高計算思維能力．

程序設計基礎；新工科；計算思維；培養路徑

在當今的數字化時代，計算思維已成為人們解決復雜工程問題的必備技能，對于大中專院校來說，計算思維在新工科人才培養體系中占據重要的地位．計算思維的重要性在于它能夠培養創造性思維和問題解決的能力．然而，傳統的編程教學主要側重于語法和語言特性，忽視培養計算思維技能．新工科強調任務驅動、協作和創新，為計算思維能力的培養提供了新的視角．因此，本文在新工科視域下，以程序設計基礎課程為例，探索計算思維培養路徑，最終的目標是培養學生利用計算思維解決復雜工程問題的能力，提高學生的綜合素質．

1 相關理論研究

計算思維的歷史可追溯至20世紀50年代[1]．周以真第一次系統并全面定義了計算思維，認為計算思維是一系列計算機科學相關領域的思維活動的統稱[2]．在此基礎上，國內外學者對計算思維進行了較系統的研究，對計算思維的認識也逐漸從模糊轉為清晰．

在國外方面，計算思維在2011年就被美國的K12標準所采納，隨后，英國、澳大利亞等國也都將計算思維培養作為課程改革的重要內容[3]．進一步地，美國國際教育技術協會在2018年對計算思維做出了新的定義，即計算思維是利用計算機科學的核心原理和實踐來解決模糊、復雜和開放式的問題，是利用計算的力量設計解決方案[4]．目前，國外相關研究的重點在于如何促進和評估計算思維的發展，但實際應用及推廣的實踐經驗較少[5-6]．

在國內方面，教育部教指委編制的《高等學校計算機科學與技術專業人才專業能力構成與培養》明確指出計算思維是計算機專業人才必須具備的能力之一，文中對計算思維給出了明確的定義：如何按照計算機求解問題的方式去考慮問題，以便構建出相應的算法和基本程序等[7]．李國杰[8]認為計算思維是人的一種基本技能，是一種普適的計算，其最重要的特征是強調一切皆可計算．蔣宗禮[9]認為計算思維是一種有意識的思維形式，這種思維形式和計算機專家解決問題的方式緊密相關，包括了思想、方法、工具和環境等各種因素，同時，這種思維形式還涵蓋了更廣泛的活動．隨著研究的不斷擴展和深入，目前有學者認為計算思維已形成了2.0的版本[10]，即從單一性轉為整體性，從單學科轉為跨學科等角度來尋找計算思維的價值和意義．另外，也有學者從微認證的角度對計算思維開展研究[11]．

新工科教育源自于中國成為國際工程聯盟《華盛頓協議》成員后，中國高等工程教育提出的一項新舉措，旨在通過跨學科、跨院系、跨專業的教育模式，促進不同學科領域之間的交叉融合，培養更多的工程人才．“計算機＋各學科”是新工科教育的核心特征，其目標不僅包括為學生提供解決專業問題的有效方法和手段，還涉及為學生注入和培養創新的思維和方式[12]．因此，計算思維培養也成為新工科教育的一個重要任務．

計算思維綜合了抽象思維、邏輯思維和系統思維等特征，是新工科教育中學生必備的素質，計算思維教育也變得越來越重要．新工科教育致力于培養學生的計算思維能力，而通過計算思維的培養，可以有效地鍛煉學生利用計算思維解決復雜工程問題的能力，拓展學生的思維方式，提高學生的綜合素質．因此，通過學生計算思維的培養拓展其創造性思維和解決復雜工程問題的能力已成為新工科教育中計算思維培養的重要思路．

2 程序設計基礎課程中的計算思維培養路徑

計算思維培養是新工科建設的重要內容，程序設計基礎作為入門計算機專業知識的第一門課程，在計算思維的培養過程中占據非常重要的地位．因此，本研究針對程序設計基礎課程提出了一條可行的計算思維培養路徑，旨在幫助教師更好地將計算思維融入到程序設計基礎課程中，提高學生利用計算思維解決復雜工程問題的能力．

2.1 明確教學目標

當前高校課程的教學目標一般從知識、能力和價值三個維度設計，而現有的課程教學目標往往忽略了計算思維培養的重要作用．因此，在程序設計基礎課程中應特別注重明確計算思維能力培養方面的教學目標，該課程從知識、能力、價值三個維度對計算思維進行了融入（見表1）．

在知識目標方面，通過融入計算思維，可以幫助學生更好地了解課程內容的基本概念和原理，如算法、數據結構等．在能力目標方面，計算思維通過幫助學生強化編程思維訓練，能夠提高抽象思維和問題解決能力、創新和實踐能力．在新工科視域下，計算思維培養也具有特殊的價值目標．一方面，計算思維可以提高學生的競爭力，為其職業發展打下堅實的基礎；另一方面，計算思維可以促進學生對信息化社會的深入理解，使其更好地適應和參與信息時代的發展．這些價值目標的實現將有助于學生樹立正確的人生觀、價值觀，推動新工科建設，促進社會的持續發展．

表1 計算思維融入教學目標的三個維度

2.2 優化教學內容

教學內容是將計算思維融入課程設計的關鍵．在設計教學內容時應考慮如何運用計算思維解決問題，并將計算思維作為教學內容的一部分．在程序設計基礎課程中，可以設計一些計算思維的案例或者問題，讓學生通過編程實踐來提高自己的計算思維能力．程序設計基礎課程的教學內容及計算思維融入見表2．

表2 程序設計基礎課程教學內容及計算思維融入點

另外，在相關內容的設計上，應強調學生的問題解決能力，包括分析問題、確定解決方案、實現方案等步驟．這些步驟是計算思維的核心內容，通過強調這些能力的培養，可以讓學生更好地理解計算思維的重要性．同時，在確定解決方案的過程中，應該注重算法設計，幫助學生理解和使用算法思維來解決問題．對于同一問題采用不同的算法解決，可以幫助學生培養和發展多樣化的計算思維模式．例如：在實現1到100的整數求和的問題上，既可以使用循環結構從1累加到100的方式實現，也可以通過利用等差數列求和公式的方式實現，要使學生理解這2種方式在實現上的差異，體會算法在解決問題時的重要性．

2.3 改進教學方法

傳統的教學方法對計算思維的融入并不充分，為了有效地提高學生的計算思維能力，可根據不同的教學內容采用有針對性的教學方法．例如：將計算思維與啟發式教學法、問題驅動教學法、案例教學法等多種教學方法相結合．在啟發式教學法中，教師可以通過引導學生提出開放性問題或與實際應用相結合的問題，學生通過個人探究、小組討論等方式探索問題解決的方法，并通過編程實踐驗證提出方法的正確性.教師在整個教學過程中對學生進行引導和技術支持，通過這種啟發的方式使學生更好地利用計算思維解決實際問題．對于問題驅動教學法，重點是將計算思維融入到問題解決的流程中．在教學過程中，教師應該引導學生如何分析問題、制定計劃、實施方案以及評估結果．通過對問題解決過程的引導，學生可以逐步地發展計算思維技能．在案例教學法中，教師應精心設置更多與實際問題相關的案例，使學生更容易理解和接受計算思維的概念．另外，教師可以向學生推薦一些優秀的在線資源和工具，如編程學習網站、在線編程工具等，讓學生在學習過程中能夠更加高效地應用計算思維．

2.4 改革教學評價

教學評價可以有效評估計算思維的培養效果，幫助教師更好地了解學生的計算思維發展情況，并有針對性地調整教學內容和方法．然而傳統的程序設計課程考核主要以期末考試為主，并不能有效反映學生整個學習過程中計算思維的發展情況．因此，可采用多元化的考核評價方式，如課前預習、課堂互動、項目展示、單元測試、章節測試、期中測試、期末測試等．同時，在考核內容的設置上，應加入需要學生運用計算思維解決問題的題目，提高程序分析及設計題目分值的比重，以此評估學生對計算思維的掌握程度，采用的評價體系見圖1．

圖1 面向計算思維的程序設計基礎課程教學評價體系

3 結語

計算思維培養是新工科教育的重要內容，在新工科培養體系中占據重要的地位．本文提出的計算思維培養路徑，旨在引導教師更加注重培養學生的計算思維能力，通過明確教學目標、優化教學內容、改進教學方法、改革教學評價等措施，提高學生計算思維能力的培養效果．以計算機科學與技術專業學生為例，通過在課程中融入計算思維，激發了學生學習編程和設計算法的興趣，學生的平均成績從2021年的72.3分提高到2022年的80分．另外，通過對學生的課程滿意度問卷調查顯示，課程滿意度在98%以上．該路徑的實施雖然以程序設計基礎課程為例，但對其他相關課程也具有一定的參考和借鑒意義．通過該路徑的實施，可以讓學生在學習計算機科學課程中，不僅是了解計算機相關知識的原理和內容，更重要的是培養其計算思維能力，擴展其思維方式，最終促進學生的素質和能力的全面提升．

[1] Tedre M，Denning P J．The long quest for computational thinking[C]//Koli Calling International Conference on Computing Education Research．ACM，2016：120-129．

[2] Wing J M．Computational thinking[J]．Communications of the ACM，2006，49（3）：33-35．

[3] 肖廣德，高丹陽．計算思維的培養：高中信息技術課程的新選擇[J]．現代教育技術，2015，25（7）：38-43．

[4] 李幸，張屹，黃靜，等．基于設計的STEM+C教學對小學生計算思維的影響研究[J]．中國電化教育，2019（11）： 104-112．

[5] Hsu Y C，Irie N R，Ching Y H．Computational Thinking Educational Policy Initiatives（CTEPI） Across the Globe[J]．Tech Trends， 2019，63（3）：260-270．

[6] Kafai Y B，Proctor C．A revaluation of computational thinking in K12 education：Moving toward computational literacies[J]． Educational Researcher，2022，51（2）：146-151．

[7] 教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會．高等學校計算機科學與技術專業人才專業能力構成與培養[M]．北京：機械工業出版社，2010．

[8] 李國杰．信息科學技術的長期發展趨勢和我國的戰略取向[J]．中國科學（信息科學），2010，40（1）：128-138．

[9] 蔣宗禮．計算思維之我見[J]．中國大學教學，2013（9）：7-12．

[10] 李廉．計算思維2.0與新工科[J]．計算機教育，2020（6）：30-34．

[11] 郁曉華，王美玲，程佳敏，等．計算思維評價的新途徑：微認證[J]．開放教育研究，2022，28（1）：107-120．

[12] 鄧磊，戰德臣，姜學鋒．新工科教育中計算思維能力培養的價值探索與實踐[J]．高等工程教育研究，2020（2）： 49-53．

Cultivation path of computational thinking of programming fundamentals course under the perspective of new engineering education

ZHU Wenlong1，YANG Shuangshuang2，WEI Liansuo3，LI Changrong1，PAN Haizhu1

（1. School of Computer Science and Control Engineering，2. School of Teacher Education，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China；3. School of Information Engineering，Suqian College，Suqian 223800，China）

In the context of the new engineering， computational thinking has become a necessary skill for graduates in computer-related industries，especially in the field of engineering technology．However，traditional programming education mainly focuses on the features of language and syntax itself，ignoring the cultivation of computational thinking．Takes the course of programming fundamentals as an example，explores the cultivation path of computational thinking，and proposes the implementation methods of teaching objectives，teaching contents， teaching methods，and teaching evaluation of the course．Through the implementation of this path，the cultivation strategy of computational thinking is broadened，which can effectively help students to improve their abilities in computational thinking．

programming fundamentals；new engineering；computational thinking；cultivation path

1007-9831（2023）09-0076-04

TP311.1∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.09.016

2023-03-01

黑龍江省高等教育教學改革項目（SJGY20200780）；黑龍江省教育科學規劃重點課題（GJB1421344）；黑龍江省省屬本科高校青年創新人才項目（135509234,145109217）；齊齊哈爾大學教育科學研究項目（GJQTYB202208,GJSKYB202001）

朱文龍（1985-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事計算機網絡研究．E-mail：zwl_qqhr@163.com