在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)中培養(yǎng)計算思維能力的研究

朱正國

（攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院，攀枝花　617000）

在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)中培養(yǎng)計算思維能力的研究

朱正國

（攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院，攀枝花617000）

0　引言

2006年3月，時任美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真教授在美國計算機權(quán)威期刊Communications of the ACM上發(fā)表了Computational Thinking（計算思維）一文，首次給出了計算思維的定義，2010 年11月陳國良院士在第六屆大學(xué)計算機課程報告論壇上所做的報告中第一次正式提出了將 “計算思維能力培養(yǎng)”作為計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)改革切入點的倡議。在國內(nèi)從事計算機基礎(chǔ)教學(xué)的專家和學(xué)者開始重視培養(yǎng)計算思維在計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的重要作用。

1　開設(shè)大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的必要性

計算機基礎(chǔ)教學(xué)是大學(xué)通識教育重要的組成部分，大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)是為非計算機專業(yè)學(xué)生提供的計算機知識、能力與素質(zhì)方面的教育，其中的教學(xué)的目標是：培養(yǎng)能力和面向應(yīng)用，即使學(xué)生掌握計算機、網(wǎng)絡(luò)及其他相關(guān)信息技術(shù)的基本知識，培養(yǎng)學(xué)生利用計算機分析問題、解決問題的意識與能力，提高學(xué)生的計算機素質(zhì)，能夠善于應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)和環(huán)境解決專業(yè)領(lǐng)域中的問題。我國把計算機定位為基礎(chǔ)課程，像數(shù)學(xué)和物理那樣成為人類學(xué)習(xí)知識和應(yīng)用知識的基本組成和基本技能。

2　計算機基礎(chǔ)教學(xué)目前的現(xiàn)狀

目前計算機基礎(chǔ)教學(xué)最主要的是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會使用計算機，把計算機基礎(chǔ)僅僅是作為一門工具，但是學(xué)生沒有學(xué)到計算機精髓，學(xué)生只知道使用，沒有培養(yǎng)學(xué)生對計算機領(lǐng)域科學(xué)探索的興趣。

很多學(xué)校開設(shè)大學(xué)計算機基礎(chǔ)這門課程，就是為應(yīng)付計算機等級考試，考試考什么就講什么，把考試過級率作為評價教學(xué)效果的重要的依據(jù)。學(xué)生知道怎么樣去應(yīng)付考試，但是很多學(xué)生拿到具體的問題就無從下手了。

目前所采用的教學(xué)方法，學(xué)生普遍表現(xiàn)學(xué)習(xí)積極性不高，沒有一種像學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)那樣發(fā)現(xiàn)問題解決問題的精神。上課氛圍沉悶，回答問題積極性不高。

計算機基礎(chǔ)教學(xué)更加重視培養(yǎng)學(xué)生對軟件的使用，學(xué)生掌握使用軟件的方法和技能，卻忽略了把思想教給學(xué)生，應(yīng)該在計算機基礎(chǔ)教學(xué)過程中重視計算思維的作用，從掌握方法和技能上升到培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

3　計算思維的內(nèi)涵

周以真教授認為：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，它包括了涵蓋計算機科學(xué)廣度的一系列思維活動。計算思維代表著一種普遍的認識和一類普適的技能，每一個人，不僅僅是計算機科學(xué)家，都應(yīng)熱心于它的學(xué)習(xí)和運用。通過分析我們可以發(fā)現(xiàn)它的深刻的內(nèi)涵。

計算思維是人類科學(xué)思維活動重要組成部分，計算思維將會像數(shù)學(xué)和物理那樣成為人類學(xué)習(xí)知識和應(yīng)用知識的基本組成部分和基本技能，必將滲透到我們每個人生活中，我們利用啟發(fā)式推理來尋求問題的解答，作為認識世界和理解世界的重要基本工具。計算機基礎(chǔ)教學(xué)應(yīng)貼近現(xiàn)實生活，這樣在從事教學(xué)過程中，我們無意識地運用計算思維解決問題，培養(yǎng)學(xué)生運用計算思維去解決現(xiàn)實生活中的問題。

計算思維應(yīng)融入到每個專業(yè)，不只是計算機專業(yè)，讓學(xué)生剛進入大學(xué)接觸計算方法和模型，激起學(xué)生對計算機領(lǐng)域科學(xué)探索的興趣，把學(xué)習(xí)作為一種學(xué)習(xí)興趣。每個專業(yè)和領(lǐng)域都需要發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，計算思維就是用來培養(yǎng)學(xué)生理解和解決現(xiàn)實中的問題。

計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，是計算機技術(shù)在具體現(xiàn)實中的應(yīng)用。例如：現(xiàn)在我們可以利用網(wǎng)站購買火車票；醫(yī)院的掛號窗口可以用醫(yī)院的系統(tǒng)來實現(xiàn)掛號和交費，這些都是計算思維解決問題的目的。

4　計算思維在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中的培養(yǎng)

（1）計算機的發(fā)展階段是計算思維內(nèi)容的拓展，是計算思維作用的體現(xiàn)

（2）微型計算機的發(fā)展是根據(jù)微處理器的字長和功能劃分的，是計算思維應(yīng)用具體實現(xiàn)；

（3）計算機的特點和類型都是與計算相關(guān)的思維活動；

（4）計算機的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用到人類生活、生產(chǎn)及科學(xué)研究的各個領(lǐng)域中，如科學(xué)計算、信息處理、辦公自動化、生產(chǎn)自動化、人工智能等各個領(lǐng)域，這些都是計算思維活動的體現(xiàn)；

（5）計算機系統(tǒng)的組成，就像人身體的組成一樣，是計算思維決定了計算機的組成各個部件；

（6）計算機的工作原理，用計算思維的方式確定了解決問題的方法，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代計算機設(shè)計的一個最基本的思想是“存儲程序”的原理；

（7）使用Windows和Office，是計算思維活動的體現(xiàn)。

在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中無處不存在著計算思維應(yīng)用案例。

程序設(shè)計是計算思維的重要體現(xiàn)。程序是由算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，算法是操作的描述，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對數(shù)據(jù)的描述，而在實際應(yīng)用中，我們還需要程序設(shè)計方法和語言工具及開發(fā)環(huán)境。算法是為解決一個問題而采取的方法和步驟，算法是用計算思維來解決問題對的，是計算思維的體現(xiàn)。每個程序的設(shè)計都需要大量的算法，這些無非都是計算思維活動的體現(xiàn)。無論是面向過程程序設(shè)計還是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計都是計算思維。

5　計算思維在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中的實施策略

為了提高計算機基礎(chǔ)教學(xué)的質(zhì)量，全國大部分高校都在進行計算機基礎(chǔ)教學(xué)的改革，而培養(yǎng)學(xué)生的計算思維是大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革的重要方法。培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，重要的是在課程中逐步引入計算思維，先前的教學(xué)過程隱含了計算思維的方式，是潛移默化的使用了計算思維，但是沒有明顯地直接提出來，現(xiàn)在我們在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中顯示地增加計算思維的相關(guān)知識，不是改變以往所講的知識點，而是把計算思維與所講的課程內(nèi)容結(jié)合起來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激勵學(xué)生探索計算機科學(xué)領(lǐng)域的興趣。

學(xué)?？梢詥为氶_設(shè)計算思維這門課程，大一新生剛?cè)胄＞蛯W(xué)習(xí)這門課程，把計算思維作為一門基礎(chǔ)課程，是學(xué)生今后學(xué)習(xí)的一門基礎(chǔ)課程。主要介紹計算、計算科學(xué)，以及計算機歷史、計算機應(yīng)用和計算機發(fā)展趨勢；計算系統(tǒng)的基本思維，通過馮·諾依曼計 算機、現(xiàn)代計算機和不同抽象層次計算機的介紹，試圖使讀者能夠遞進地理解計算系統(tǒng)；問題求解框架，通過算法類問題和系統(tǒng)類問題的求解過程的介紹，試圖使讀者能夠理解社會問題、自然問題求解的兩種手段；算法與復(fù)雜性，通過幾個精選的典型算法類問題的討論與探索，試圖使讀者能夠建立起算法的思維方式與基本研究算法；數(shù)據(jù)抽象、設(shè)計與挖掘，通過對數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)的討論與探索，試圖使讀者能夠建立起以數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析與挖掘利用的思維方式，進而深入理解計算科學(xué)的基本研究方法—抽象、理論與設(shè)計；計算機網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)化社會，通過對技術(shù)網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)及形形色色的網(wǎng)絡(luò)的討論與探索，試圖使讀者建立起網(wǎng)絡(luò)話的思維方式，并理解網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境的基本研究方法。

以往的計算機基礎(chǔ)教材都是先講計算機基礎(chǔ)知識，再講Windows和MS Office操作，這種計算機和具體軟件應(yīng)用方面的學(xué)習(xí)固然重要，但是如果沒有計算思維，那么你只是學(xué)會了操作這個軟件，如果你領(lǐng)會了計算思維，這些軟件就可以融會貫通，即使今后軟件更新，但是實質(zhì)沒有發(fā)生變化。未來的軟件更新速度非?？?，樣式變化也非常大，面對未來巨大的變化，所以只有學(xué)會計算思維才學(xué)會了本質(zhì)。實際上無論是理論知識還是操作部分都有計算思維，我們可以在計算機基礎(chǔ)知識這里面增加計算思維相關(guān)的知識，向?qū)W生介紹科學(xué)與科學(xué)思維的內(nèi)涵、計算思維的內(nèi)涵與概念、計算思維的特征，在講授計算機基礎(chǔ)知識的同時顯示的提出各個知識點是怎么樣體現(xiàn)計算思維的。在操作部分，講授計算思維的具體應(yīng)用。

（1）用案例教學(xué)方法來體現(xiàn)計算思維

在授課的過程中，采用案例教學(xué)法能夠把現(xiàn)實生活中的案例呈現(xiàn)給學(xué)生，案例教學(xué)方法不同于傳統(tǒng)的教學(xué)方法，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以教師為中心先講述書本上的理論知識，然后講解書上的例題，接下來讓學(xué)生做教學(xué)指導(dǎo)書的上的習(xí)題。而案例教學(xué)方法在課堂教學(xué)過程中不先講理論，而是先給學(xué)生們展示一個現(xiàn)實生活中的案例，這個案例里面包含了本次課要講解的知識點，讓學(xué)生從現(xiàn)實的實際案例出發(fā)，最后讓學(xué)生從感性認識上升到理性認識，而這些案例中就充滿了計算思維，通過現(xiàn)實生活中的案例來體現(xiàn)計算機思維。

（2）在各章知識點中引入計算思維

①計算機的發(fā)展階段是計算思維內(nèi)容的拓展，用計算思維的思想來講解計算機的發(fā)展；

②微型計算機的發(fā)展是根據(jù)微處理器的字長和功能劃分的，從計算思維的角度講解微型計算機的發(fā)展；

③在講解計算機的特點和類型時引入計算思維；

④計算機的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用到人類生活、生產(chǎn)及科學(xué)研究的各個領(lǐng)域中，如科學(xué)計算、信息處理、辦公自動化、生產(chǎn)自動化、人工智能等各個領(lǐng)域，講解計算思維是如何體現(xiàn)在這些應(yīng)用當(dāng)中的；

⑤計算機系統(tǒng)的組成，把計算機的組成形象地比喻成了人身體組成部分，用計算思維講解如何決定了計算機的組成各個部件；

⑥計算機的工作原理，如何用計算思維的方式確定了解決問題的方法，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代計算機設(shè)計的一個最基本的思想是“存儲程序”的原理；

⑦使用Windows和Office，是如何進行計算思維活動的。

（3）用計算思維解決問題

①避免單純的介紹知識，在講解知識的過程中引入了大量的概念、定義，但是沒有深入闡釋期出現(xiàn)的背景和動機，使初學(xué)者掉入概念與術(shù)語的海洋中?！爸R、術(shù)語”隨著“思維”的講解而介紹，“思維”隨著“知識”的貫通而形成，能力隨著思維的解釋而提高。

②從問題分析入手，強化如何進行抽象，如何將現(xiàn)實問題抽象為一個數(shù)學(xué)問題或者一個形式化問題，提高問題表述及問題求解的嚴謹性。

③以圖示化的方法來展現(xiàn)復(fù)雜的思維，盡量通過規(guī)模較小的問題求解示例來展示復(fù)雜的問題的求解。

④要有一定的深度，這種深度不是追求理論與數(shù)學(xué)，而是追求“問題”及問題的討論。通過逐步地提出問題，引導(dǎo)學(xué)生從一個較淺的理解層次過度到較深如的理解層次。

6　結(jié)語

本文首先介紹了大學(xué)計算機基礎(chǔ)這門課程的重要性，但是目前這門課授過程中忽略了學(xué)生計算思維，通過對計算思維內(nèi)涵的講述，我們可以發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)大學(xué)生計算思維是非常重要的，要改變過去枯燥的講解理論的教學(xué)方法，學(xué)生只有領(lǐng)會了計算思維，才能真正掌握所學(xué)過的知識，在講授大學(xué)計算機基礎(chǔ)這門課程過程中，要給學(xué)生顯示的引入計算思維。實踐表明，在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中引入計算思維符合學(xué)生學(xué)習(xí)認識的規(guī)律，使學(xué)生從感性認識上升到理性認識，能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的分析問題、解決問題的能力，提高了學(xué)生的動手能力，使教學(xué)不再局限于書本，擴大了學(xué)生的學(xué)習(xí)的視野。培養(yǎng)學(xué)生計算思維為推進大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的改革提供了依據(jù)。

［1］陳國良，董榮勝.計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2011（1）:7-11.

［2］龔沛曾，楊志強.大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的計算思維培養(yǎng)［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2012（5）:51-54.

［3］占德臣，聶蘭順.大學(xué)計算機-計算思維導(dǎo)論［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

College Computer Basis；Computational Thinking

Research on Fostering of the Computational Thinking Ability in Computer Basis Course Teaching of University

ZHU Zheng-guo

（College of mathematics and Computer of Panzhihua University,Panzhihua 617000）

1007-1423（2015）32-0067-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.32.016

朱正國（1980-），男，吉林樺甸人，碩士研究生，講師，研究方向為數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)絡(luò)等

2015-09-01

2015-11-01

闡述大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的重要性，探討目前教學(xué)中存在的問題。分析計算思維對當(dāng)代大學(xué)生學(xué)習(xí)的重要性，指出目前計算機思維在教學(xué)中的所處的現(xiàn)狀，提出計算思維在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)中的實施方案。

大學(xué)計算機基礎(chǔ)；計算思維

攀枝花學(xué)院校級教研教改項目（No.JJ1422）、四川省高校計算機基礎(chǔ)教育研究會2014-2016年教育教學(xué)改革研究課題（2014-06）

This paper states the importance of the college computer basic course and the problem exiting in the class firstly.And it then analyses the importance of computational thinking for present-day college students.It points out what is comptational thinking at present and puts forward the implementation plan for the computatinal thinking ability in the college computer basic course.