基于計算思維的大學計算機基礎教學新思路

呂格莉，楊長興，曹 丹，邵自然，李小蘭

（1.中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083；2.中南大學 本科生院，湖南 長沙 410083）

隨著21世紀全球計算機及互聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛應用，善于綜合運用計算機網(wǎng)絡技術和方法進行學習、工作、解決專業(yè)問題已經是中高級人才必備的能力和素質，加強計算機能力的綜合培養(yǎng)，提高大學生的計算機應用能力已成為當代大學生計算機基礎教育的重要建設部分.為此，教育部2007年2號文件明確地指出了“培養(yǎng)和提高本科生通過計算機和多媒體課件學習的能力，以及利用網(wǎng)絡資源進行學習的能力”.非計算機專業(yè)的大學計算機基礎課程教學作為大學通識教育的一個重要組成部分和基礎教育課程，在本科教育中與大學數(shù)學和外語等課程一樣，是大學基礎教學中不可或缺的一部分，具有基礎性、普及性，同時還有實用性、不可替代性.當今社會已進入了信息化時代，不僅要培養(yǎng)大學生掌握使用計算機及網(wǎng)絡技術解決專業(yè)問題的有效方法，更要培養(yǎng)大學生掌握一種獨特的綜合思維能力-“計算思維”，使他們能潛移默化地養(yǎng)成用計算思維方式配合計算機及互聯(lián)網(wǎng)工具解決各類專業(yè)問題的習慣，成為21世紀國家復合型創(chuàng)新人才.

1 計算思維

計算思維作為時下重點研究的計算機教育課題，其概念的首次提出人是美國卡內基．梅隆大學計算機系主任周以真教授，她在2006年3月于計算機權威雜志《Communication of the ACM》[1]上首次定義了計算思維的概念，從此，國內外計算機界、社會學界以及哲學界的廣大學者對這一課題進行了積極的研究與探討，掀起了一股計算思維的教學理論研究熱潮.根據(jù)周以真教授的定義，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計、人類行為理解等的一系列思維活動.從教學和掌握的角度，可以更細致的解釋為以下幾點：

*計算思維是一種求解困難或復雜問題的思維方法，主要包括有約簡、嵌入、轉化和仿真等方法.

*計算思維是一種多維度分析推廣的類型檢查方法，它既是一種遞歸思維方法，又是一種計算機并行處理方法，在計算機實現(xiàn)時可以實現(xiàn)代碼與數(shù)據(jù)的互相轉換.

*計算思維基于關注點分離的方法，通過采用抽象和分解的方法，實現(xiàn)對龐雜的任務或巨型復雜系統(tǒng)的有效設計和控制.

*計算思維是一種描述問題的思維方法，采用這種思維方法能更好地選擇合適的方式陳述某個問題，能夠更容易的對某些問題的各個方面進行建模.

*計算思維是一種從最壞情況進行系統(tǒng)恢復的思維方法，主要包括有預防、保護、冗余、容錯、糾錯等方式.

*計算思維是一種在不確定情況下的規(guī)劃、學習和調度的思維方法，主要通過啟發(fā)式地推理方法來尋求問題的解答.

*計算思維是一種在時間和空間之間、在性能效率和存儲空間之間進行平衡折中的思維方法，例如：利用海量數(shù)據(jù)和適當冗余來加快計算速度.

計算思維是一種基本技能，它能幫助人們更好的去描述問題、解決問題、控制風險、規(guī)劃調度、平衡資源和提高效率.為了更好地普及計算思維，大學基礎教學中對計算思維研究的目標應該定位于“培養(yǎng)基礎的計算思維意識，掌握基本的計算思維方法”.

2 計算思維能力培養(yǎng)是計算機基礎教學的核心任務

2010年7月，我國發(fā)布了《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，開始了全國大學計算機基礎課程開展計算思維教學改革的研究之路[2]，明確了用計算思維來確保學生的具備新世紀創(chuàng)新能力的改革方向.

大學計算機基礎教學應該從“計算思維”能力培養(yǎng)的角度出發(fā)，旨在提高學生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)學生發(fā)明和創(chuàng)新的能力及處理計算機問題時應有的思維方式、表述方式和行為方式.在教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會提出的計算機基礎教學4個方面的能力目標中[3]，涉及計算機學科專業(yè)能力的是：對計算機的認知能力和應用計算機的問題求解能力，這與計算思維的兩個核心要素：計算環(huán)境和問題求解是高度契合的，因此我們在計算機基礎理論教學的過程中不僅要培養(yǎng)學生對計算環(huán)境的認識，也就是首先將計算機基礎教育建立在傳授計算機基礎理論和實用工具使用的基礎上，更重要的是應該培養(yǎng)學生掌握問題的計算求解方法.

計算機基礎教育作為大學生通識教育的一個重要組成部分，應該始終圍繞提高學生使用計算機認知問題和解決問題的能力，結合基礎理論教學與工具使用培訓，培養(yǎng)學生的計算思維能力，逐步擺脫計算機大學基礎教育中日益嚴重的計算機工具操作培訓“危機”，更好地實現(xiàn)計算機課程基礎教學的基本目標和特征.

3 構建基于計算思維的計算機基礎課程體系

轉變教學觀念，強化計算思維訓練，構建基于“計算思維”的“大學計算機基礎”課程體系應從以下三個方面開展具體工作：

開展計算機基礎理論教學中的計算思維理論研究，即如何克服“狹義工具論”的教學思路，通過分析比較、歸納抽象，建立計算機基礎理論與計算思維方式的關聯(lián)，解決“如何像計算機科學家一樣思維”、“如何從計算思維的角度理解計算機基礎理論”、“如何對獲取的信息用計算思維進行深層次的加工和處理”等問題.因此，本課程改革的研究重點在現(xiàn)有“大學計算機基礎”、“計算機程序設計基礎”兩門計算機基礎核心課程的基礎上，如何通過知識點的編排和改造，將計算思維融入到這兩門課程中，在教學過程中體現(xiàn)“計算思維方式”思想，即回答“如何用計算思維的方式理解計算機基礎”的問題.按照“思維方式-抽象研究-基礎理論”為主線的教學目標層次，以培養(yǎng)學生掌握以“合理抽象、高效實現(xiàn)”為特征的構造性過程的能力，在理論基礎教學中通過在基礎知識的概念講解中融入通俗易懂的問題，并引導學生進行常規(guī)問題求解和引入模型設計、實現(xiàn)和問題求解，通過理論學習與問題求解訓練，改變長期以來的基礎理論宣講的教學方式，讓學生初步了解計算機基礎知識與抽象級的問題求解方法之間的關系，掌握計算機高級語言進行的常見問題的求解方法.例如，在計算機網(wǎng)絡基礎課程中，可以從普通郵遞信函在各地郵局之間的傳遞方式，引出多個計算機終端如何進行連接的問題，引導學生思考如何實現(xiàn)多臺計算機或電子設備的網(wǎng)絡集成，尤其是需要建立連接的多個設備之間距離較遠甚至跨省市或國家時應該如何解決？然后用計算思維的方式引導學生對這些問題進行思考、抽象與研究，最后通過對這些問題的解決，逐步引出計算機網(wǎng)絡基礎知識中的網(wǎng)絡概念、網(wǎng)絡分類、網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡設備等基礎概念，通過這種自然且易理解的教學，從介紹傳統(tǒng)思維方式與計算思維方式的差異，引出計算方法與程序設計語言的相關內容，從而以思維方式看算法和程序設計，重點研究計算思維如何在計算方法和程序設計課程中的體現(xiàn)以及如何通過計算思維實現(xiàn)計算方法與程序設計解決專業(yè)學科問題.

本課程改革的目標是構建全方位立體的課程教學體系.首先是課堂講授，以教師對教材內容的講授為主，采用主題或課題貫穿、循序漸進及多視角的教學及思維引導方法，結合多媒體教學課件實現(xiàn)知識傳播與思維方式的初步建立，并初步掌握計算機理論與計算思維之間的關系；其次是結合課堂與習題練習，以學生獨立和小組為單位的課堂和習題練習相結合，以小組為單位，討論和分析專業(yè)問題點，用傳統(tǒng)思維和計算思維的方式得到不同的解決方案，從而鞏固和形成計算思維方式理解和解決問題的習慣；再次是課程實踐，通過實際或專業(yè)課題或項目的課程實踐設計，鍛煉和提高學生運用計算思維思考和解決問題的綜合能力.最后通過評價考核，運用筆試、口試、小論文、實驗等多種考核手段，綜合評價和考核學生對計算思維方式的理解、對計算機基礎理論的了解、對計算方法和程序設計的掌握和應用學習的情況.

構建計算思維為核心的計算機基礎教學平臺，首先是計算機硬件演示教學環(huán)境，包括單機、主機和多機環(huán)境；然后是網(wǎng)絡環(huán)境，包括無線網(wǎng)絡、藍牙技術、云服務平臺、物聯(lián)網(wǎng)等；其次是構建多元化的計算機軟件演示教學平臺，提供豐富的學習軟件資源，通過課程網(wǎng)站進行發(fā)布與共享，建立個性化、實時性和交互性教學互動，建立師生之間的教學與交流平臺.

4 小結

計算思維在各個專業(yè)領域有著廣泛的應用前景，計算思維的教學可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，可以為學生學習專業(yè)知識和解決專業(yè)問題提供一種全新的思維方式，因此培養(yǎng)學生的計算思維方式僅僅是大學生計算機基礎教學的基本目標，未來的發(fā)展方向是研究計算機基礎教育與專業(yè)教育基于計算思維的結合，這需要各方面教研人員和學生共同的探索、研究、實踐，才能最終實現(xiàn)為我國培養(yǎng)創(chuàng)新性世紀人才的目標.

〔1〕Ieannette M.W ing.Computational Thinking[J].Communications of ACM,2006,49(3):33-35.

〔2〕何欽銘，陸漢權，馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養(yǎng)——《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》解讀[J].中國大學教學，2010（9）.

〔3〕教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會.高等學校計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨計算機基礎課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社，2009.