“計算思維”帶給高師院校計算機教育的機遇與挑戰(zhàn)

◆石 云

(六盤水師范學(xué)院計算機科學(xué)與信息技術(shù)系)

“計算思維”帶給高師院校計算機教育的機遇與挑戰(zhàn)

◆石 云

(六盤水師范學(xué)院計算機科學(xué)與信息技術(shù)系)

介紹什么是“計算思維”及目前國內(nèi)外“計算思維”的研究進展?fàn)顩r，強調(diào)“計算思維”對于計算機教育的重要性。闡述當(dāng)前師范院校計算機教育遭遇的困境，指出“計算思維”的提出使計算機科學(xué)從前沿高端向基礎(chǔ)普及的轉(zhuǎn)型，將給以教學(xué)為主的高師院校帶來的發(fā)展機遇及要解決的難題。

高師計算機教育 計算思維能力 教學(xué)改革

計算機從誕生至今逾半個世紀一直作為一種計算工具，隨著計算機的普及，它將變得越來越普通。催生大學(xué)計算機系的IBM公司早已開始“鼓吹”:不用過多久，今天的計算機系將“消失”，并被服務(wù)科學(xué)系取而代之。雖然“危言聳聽”，但卻折射出計算機學(xué)科未來發(fā)展前景渺茫。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授在《計算思維》這篇文章中，把計算機從工具聯(lián)系到思維的發(fā)展，進而提升到與“讀、寫、算”同等的高度和重要性，成為適合于每個人的“一種普遍的認識和一類普適的技能”?！坝嬎闼季S”的提出，一定程度上意味著計算機科學(xué)從前沿高端向基礎(chǔ)普及的轉(zhuǎn)型，這無疑給以教學(xué)為主的高師院校帶來了發(fā)展空間，也提出了嚴峻挑戰(zhàn)。

一、什么是“計算思維”

國際上廣泛認同的計算思維定義來自周以真(Jeannette Wing)教授。周教授認為，計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解的涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。

計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化。如同所有人都具備“讀、寫、算”(簡稱3R)能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。計算思維無處不在，當(dāng)計算思維真正融入人類活動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人人都應(yīng)掌握，處處都會被使用。

二、“計算思維”研究在國外

計算科學(xué)的至關(guān)重要性與學(xué)生興趣的下降形成鮮明對比背景下，2005年6月，美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(PITAC)向美國總統(tǒng)提交報告，美國科學(xué)基金會(NSF)很快組織計算教育與研究領(lǐng)域的專家，召開系列會議，于2005年末至200 年初形成4份應(yīng)對計算機教育危機的報告。

2006年3月，周以真(Jeannette M.Wing)教授在美國計算機權(quán)威雜志ACM會刊上發(fā)表的文章《計算思維》系統(tǒng)全面地提出了“計算思維”(Computational Thinking，CT)。2007年美國科學(xué)基金會(NSF)啟動了“大學(xué)計算教育振興的途徑”(CISE Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education，CPATH)計劃，投入巨資進行美國計算教育的改革。

經(jīng)過2007年和2008年的資助和項目實踐，“大學(xué)計算教育振興的途徑”(CPATH)計劃相關(guān)工作者認識到，計算思維在計劃中所起的重要作用，對在2009年申報的項目提出了更為具體的以計算思維為核心的課程改革?！按髮W(xué)計算教育振興的途徑”(CPATH)計劃啟動后，不僅引起美國教育界的關(guān)注，也引起美國科學(xué)界的關(guān)注。2008年，美國科學(xué)基金會(NSF)還啟動了一個涉及所有學(xué)科的、以計算思維為核心的重大基礎(chǔ)研究計劃“計算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新”(Cyber－Enable Discovery and Innovation，CDI)，進一步將計算思維的培育擴展到美國的各個研究領(lǐng)域。

三、“計算思維”研究在國內(nèi)

“計算思維”早就存在于中國的古代數(shù)學(xué)之中，但真正使“計算思維”的概念變得清晰化和系統(tǒng)化是周以真教授的《計算思維》，真正使“計算思維”的理念被國內(nèi)專家學(xué)者關(guān)注和重視是2008年10月31日至11月2日在桂林召開的全國高等學(xué)校計算機教育研究會，之后國內(nèi)專家對“計算思維”的論述層出不窮。

由李國杰院士任組長的中國科學(xué)院信息領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組撰寫的《中國至2050年信息科技發(fā)展路線圖》指出，長期以來，計算機科學(xué)與技術(shù)這門學(xué)科被構(gòu)造成一門專業(yè)性很強的工具學(xué)科。“工具”意味著它是一種輔助性學(xué)科，并不是主業(yè)，這種狹隘的認知對信息科技的全民普及極其有害。針對這個問題，報告認為計算思維的培育是克服“狹義工具論”的有效途徑，是解決其他信息科技難題的基礎(chǔ)。

孫家廣院士在《計算機科學(xué)的變革》一文中明確指出，(計算機科學(xué)界)最具有基礎(chǔ)性和長期性的思想是計算思維。

國家自然科學(xué)基金委員會信息科學(xué)部二處處長劉克教授，特別強調(diào)大學(xué)推進計算思維這一基本理念的必要性。

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員徐志偉總工認為，計算思維是一種本質(zhì)的、所有人都必須具備的思維方式，就像識字、做算術(shù)一樣;在2050年以前，讓地球上每一個公民都應(yīng)具備計算思維的能力。

教育部高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會對計算思維的培育非常重視。2010年7月，在西安會議上，發(fā)布了《九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，確定了以計算思維為核心的計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革。

教育部高等學(xué)校計算機專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會聯(lián)合中國計算機學(xué)會教育專業(yè)委員會、全國高等學(xué)校計算機教育研究會召開了一次主任(理事長)擴大會議，就計算思維能力培養(yǎng)形成共識:計算機專業(yè)教育應(yīng)該在計算思維能力培養(yǎng)中做出表率。讓計算思維諸要素融入到非計算機專業(yè)學(xué)生的能力結(jié)構(gòu)中。計算思維能力培養(yǎng)應(yīng)該從中小學(xué)生抓起，這就會涉及到當(dāng)前中小學(xué)信息技術(shù)教育內(nèi)容的改革與師資水平的提高。

四、當(dāng)前師范院校計算機教育現(xiàn)狀

1.計算機專業(yè)學(xué)生教育現(xiàn)狀

進入21世紀后，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展并應(yīng)用于經(jīng)濟與社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，信息產(chǎn)業(yè)成為全球最大的產(chǎn)業(yè)，社會對信息技術(shù)人才的需求，不僅在數(shù)量上有了更大的增長，而且在質(zhì)量上也提出了更高的要求。但據(jù)2011年10月至12月對當(dāng)?shù)馗邘熢盒Ｓ嬎銠C學(xué)科在校生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀、畢業(yè)生就業(yè)情況以及用人單位對計算機專業(yè)人才評價的問卷調(diào)查顯示，90.5%的在校計算機專業(yè)學(xué)生認為，所學(xué)習(xí)的專業(yè)內(nèi)容枯燥、抽象;86.7%的計算機專業(yè)畢業(yè)生認為，大學(xué)所學(xué)內(nèi)容與市場人才需求存在脫節(jié);83.9%的用人企業(yè)認為，計算機專業(yè)畢業(yè)生存在動手能力差，對計算機新技術(shù)的掌握及運用能力差;78.9%的用人單位認為，計算機專業(yè)畢業(yè)生競爭優(yōu)勢不大。在2012年3月至4月的專業(yè)實習(xí)中，由于實習(xí)單位不能提供計算機專業(yè)實習(xí)內(nèi)容，至使僅有30%的學(xué)生可以從事與計算機專業(yè)相關(guān)內(nèi)容的實習(xí)。

高師院校計算機專業(yè)正在遭遇學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣低下、逃學(xué)率增加、入學(xué)率減小、社會認同度滑坡、就業(yè)狀況堪憂的局面。

2.非計算機專業(yè)學(xué)生教育現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)在中小學(xué)的普及，許多新進校的大學(xué)生已經(jīng)具備一定的計算機操作技能，現(xiàn)有許多大學(xué)開設(shè)的非計算機專業(yè)的計算機入門課程“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”的教學(xué)內(nèi)容對許多新生來說已不在陌生，甚至早已掌握?，F(xiàn)行非專業(yè)學(xué)生所學(xué)習(xí)的“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容主要包括:計算機基礎(chǔ)知識(設(shè)及計算機發(fā)展史、計算機硬件組成及性能指標、計算機軟件系統(tǒng)及層次結(jié)構(gòu)、計算機常用外部設(shè)備工作原理及特性、進制及進制轉(zhuǎn)換、字符及漢字編碼、計算機病毒等)、計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)(設(shè)及計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展簡史、計算機網(wǎng)絡(luò)概念、數(shù)據(jù)傳輸方式或傳輸介質(zhì)、計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、Internet概述、網(wǎng)絡(luò)接入方式等)、Microsoft Office軟件(Word、Excel、PowerPoint)操作。這些在中小學(xué)信息課程中不同程度學(xué)習(xí)過的內(nèi)容，到大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)會讓學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)及抵觸情緒，逃學(xué)、上課不聽講、作業(yè)抄襲等現(xiàn)象時有發(fā)生，教學(xué)效果不理想。

五、當(dāng)前師范院校計算機教育面臨的機遇與挑戰(zhàn)

1.計算機科學(xué)由前沿高端向基礎(chǔ)普及轉(zhuǎn)型可以發(fā)揮高師院校的優(yōu)勢

“計算思維”的提出，使得計算機教育從“工具”教學(xué)向“思維”能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，成為與“讀、寫、算”(簡稱3R)能力一樣的人必須具備的思維能力。高師院校在科研環(huán)境、實驗設(shè)備投入、實習(xí)基地建設(shè)等方面都遠遠不及以科研為主的高校，但卻擁有一批教育理論扎實的師資隊伍，如何使用合適的教法培養(yǎng)學(xué)生的“計算思維”能力相對于其他類型的高校有優(yōu)勢，但如何讓教師先行具有“計算思維”的觀念和能力、如何改革現(xiàn)行教材內(nèi)容將是高師院校將面對的難題。

2.中小學(xué)將足夠重視計算機教學(xué)，高師院校將打開就業(yè)局面

各中小學(xué)為了提高升學(xué)率，對于信息技術(shù)課程沒有足夠的重視，信息技術(shù)課程課時少、教學(xué)設(shè)備匱乏、課程評價體系不健全，以至一些學(xué)校的信息技術(shù)課程常被語文、數(shù)學(xué)等課程占用，信息技術(shù)課沒有專職教師、高師院校無法在中小學(xué)正常開展教育實習(xí)等問題出現(xiàn)。計算思維可能是未來人類的一種與讀、寫、算類似的基本能力，其培養(yǎng)僅靠大學(xué)期間幾門課的學(xué)習(xí)是難以完成的，應(yīng)該從中小學(xué)生抓起，這就會涉及到當(dāng)前中小學(xué)信息技術(shù)教育內(nèi)容的改革與師資水平的提高。這無疑給高師院校計算機專業(yè)畢業(yè)生提供了更多的就業(yè)空間，但如何對在校師范生開展計算思維能力的培養(yǎng)，并讓他們可以將這樣的能力傳播給中小學(xué)生，這些都給高師院校提出了挑戰(zhàn)。

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［5］美國國家科學(xué)基金CDI計劃官方網(wǎng)站［EB/OL］.

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［8］劉克.主題報告和分組報告評述［J］.中國計算機學(xué)會通訊，2009，5 (2).

［9］徐志偉.21世紀計算機科學(xué)的研究熱點［J］.中國計算機學(xué)會通訊，2009，5(2).

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