以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)研究

尹建新++黃美麗

摘要：計算思維是現(xiàn)代計算時代的產(chǎn)物，是每一個人都應(yīng)具備的一種基本能力，如何在計算機基礎(chǔ)教學(xué)中培養(yǎng)計算思維能力是當下基礎(chǔ)教學(xué)中最核心的問題。該文分析了計算思維培養(yǎng)與計算機基礎(chǔ)教學(xué)的相互關(guān)系，指出計算思維對大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育的重要意義，探討了以計算思維為導(dǎo)向的計算機基礎(chǔ)課程體系設(shè)置，以案例為組織、計算思維培養(yǎng)與技能掌握相融合的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計及教學(xué)方法的改革探討。

關(guān)鍵詞：計算思維；大學(xué)計算機；教學(xué)改革

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）29-0091-02

1 引言

早在1972年，圖靈獎得主EdsgerDii.kstra就曾提出“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也深刻地影響著我們的思維能力”。2006年3月，周以真教授在美國計算機權(quán)威刊物上，首次提出了“計算思維”的概念[1]，并且得到了教育界的認可。2010年7月，“九校聯(lián)盟會議”在計算機課程報告論壇中明確提出：計算機思維培養(yǎng)是大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)的“核心任務(wù)”[2]；2010年11月，陳國良院士第一次正式提出了將“計算思維能力培養(yǎng)”作為引領(lǐng)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的方向標[3]。2013年浙江省計算機“教支委”在學(xué)術(shù)年會上著重提出了在大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)中“計算思維”培養(yǎng)的重要性。因此，把計算思維能力培養(yǎng)是計算機基礎(chǔ)教學(xué)的一項教學(xué)要求，更是大學(xué)通識教育的一個重要組成部分，我校自2014年開設(shè)“計算思維引導(dǎo)”課程作為全校的通識核心課程。

2 計算思維和計算機基礎(chǔ)教學(xué)

計算思維是運用計算科學(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等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動，即是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個困難的問題闡釋為如何利用計算機求解的思維方法。其本質(zhì)是抽象和自動化，如同所有人都具備“讀、寫、算”能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。計算思維能力指的是問題及問題求解過程的符號表示、邏輯思維與抽象思維、形式化證明、建立模型、實現(xiàn)類計算和模型計算、利用計算機技術(shù)的能力。

大學(xué)計算機教育不同于小學(xué)、中學(xué)這種電腦的接觸、感性認識，而是理論高度、原理透析的深層次學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)、學(xué)科交叉和創(chuàng)新能力的有效途徑。如何在計算機基礎(chǔ)課程中向?qū)W生滲透這種思維能力的培養(yǎng)，在以后的教學(xué)中如何向?qū)W生傳輸這種思維，如何把計算思維滲透在課堂的知識點中呢，這是我們每一個從事大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育者首要思考的問題。在教學(xué)過程中實踐思維的培養(yǎng)，讓學(xué)生更加深刻地理解計算的本質(zhì)和計算機求解問題的核心思想，改變僅限于單純培養(yǎng)操作技能的“狹義工具論”思想，改變只會“套用、搬用”卻不懂“應(yīng)用、創(chuàng)新”現(xiàn)狀；更好地改變不同學(xué)科的同學(xué)對各自領(lǐng)域的認識和思考方式，學(xué)科交叉，以完成創(chuàng)造、創(chuàng)新式的工作。

3 以計算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革

3.1構(gòu)建課程體系

我校2012級學(xué)生始，逐步建立了以計算思維為導(dǎo)向，以計算思維和技能學(xué)習(xí)相融合的非計算機專業(yè)計算機基礎(chǔ)教育課程體系，按不同學(xué)科專業(yè)、分層次進行。第一層次——計算思維與信息技術(shù)基礎(chǔ)，以計算思維培養(yǎng)為目標，學(xué)習(xí)計算機基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)應(yīng)用計算機的基本技能，使學(xué)生建立計算思維意識；第二層次——高級語言程序設(shè)計、辦公自動化高級應(yīng)用、平面與動漫設(shè)計基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念和思維，理解、求解專業(yè)問題和專業(yè)行為。第二層次教學(xué)結(jié)合專業(yè)特色和學(xué)生特點，工學(xué)開設(shè)C程序設(shè)計，理學(xué)、管理學(xué)及經(jīng)濟學(xué)開設(shè)VB程序設(shè)計等，文學(xué)、法學(xué)及藝術(shù)類開設(shè)辦公自動化高級應(yīng)用，設(shè)計類開設(shè)平面與動漫設(shè)計課程，不同專業(yè)根據(jù)自身專業(yè)背景與需求，在四門課程中任選一門作為必修課；第三層次——計算機通識教育選修課，面向所有學(xué)生，學(xué)生自由選擇其中的若干課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟練掌握現(xiàn)代化的計算機設(shè)計工具的使用技巧，適應(yīng)社會要求，開設(shè)了計算思維導(dǎo)論、電腦維修、高級語言程序設(shè)計、Flash動畫設(shè)計、Photoshop平面設(shè)計等課程，如圖1所示。

這是一個必修課程與選修課程相互補，讓學(xué)生大學(xué)四年計算機學(xué)習(xí)不斷層的方案設(shè)計，同時除了課程的學(xué)習(xí)，還建立了多種形式的計算機學(xué)習(xí)方式，如講座、開放實驗、學(xué)員實踐項目等。

圖1 計算機基礎(chǔ)教育課程體系

3.2計算思維及信息技術(shù)基礎(chǔ)課程內(nèi)容優(yōu)化

計算思維與信息技術(shù)基礎(chǔ)課程內(nèi)容繁多，且各模塊之間邏輯聯(lián)系并不那么緊密，同時，由于受限于學(xué)時計劃，課程內(nèi)容的設(shè)計與章節(jié)安排是非常重要的。筆者認為，計算思維的培養(yǎng)與技能掌握兩者并不沖突，計算機技能的掌握也是必需的，而且，計算思維培養(yǎng)與技巧及能力培養(yǎng)是一種相互促進作用，計算思維的培養(yǎng)是通過能力培養(yǎng)來實現(xiàn)的。本校經(jīng)過多年的案例教學(xué)實踐，得出優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，案例教學(xué)是綜合凝練共性思維和快速技能掌握的有效的方法之一。因此，筆者設(shè)計了以計算思維培養(yǎng)與技能學(xué)習(xí)相融合的課程內(nèi)容，如表2所示。

教學(xué)內(nèi)容由計算思維培養(yǎng)和技能學(xué)習(xí)及掌握兩部分內(nèi)容，設(shè)計16個案例來組織，涵蓋了計算思維相關(guān)的計算環(huán)境搭建以及問題求解模型的描述，初步認識了算法及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可以為第二學(xué)期將學(xué)習(xí)程序設(shè)計課程的專業(yè)學(xué)生打下一個良好的基礎(chǔ)。

表2 計算思維與信息技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容案例設(shè)計

[課程內(nèi)容＼&案例設(shè)計＼&計算思維培養(yǎng)＼&案例一：0和1思維＼&案例二：圖靈機與馮·諾依曼計算機＼&案例三：現(xiàn)代計算機（硬件）＼&案例四：計算機語言與編譯（軟件）＼&案例五：計算機網(wǎng)絡(luò)＼&案例六：問題求解構(gòu)造＼&案例七：算法認識＼&案例八：數(shù)據(jù)抽象、設(shè)計與挖掘＼&技能學(xué)習(xí)與掌握＼&案例九：Word文稿編輯＼&案例十：Word圖文混排＼&案例十一：Word長文檔排版＼&案例十二：Excel數(shù)據(jù)輸入與編輯＼&案例十三：Excel公式與函數(shù)應(yīng)用＼&案例十四：Excel數(shù)據(jù)管理與分析＼&案例十五：幻燈片設(shè)計與制作＼&案例十六：幻燈片演示與放映＼&]

3.3 基于案例的計算思維引導(dǎo)教學(xué)

教學(xué)內(nèi)容的組織與教學(xué)方法的選擇是教學(xué)效果好環(huán)的兩大決定因素，基于案例的計算思維引導(dǎo)教學(xué)法是以問題引入、分析問題、解決問題、擴展問題為教學(xué)思路，啟迪性和探路性是教學(xué)過程是根本特征。

例如，在設(shè)計與講授“0和1思維”案例中，首先引入問題：

（1）現(xiàn)實世界任何事物，是否可用0和1表達？

（2）如何表達？

（3）如果問題成立并能解決，則世界任何事物都可以通過計算機計算獲得。

其次，分析問題：

（1）可以以《易經(jīng)》中六十四卦的各種組合及其語義示意為實例，引論出語義符號化概念

（2）數(shù)值信息和非數(shù)值信息均可用0和1表示，即符號化數(shù)字化，能被計算。

（3）0和1可以是兩種狀態(tài)，如高電位、低電位，可以用電子技術(shù)實現(xiàn)→0和1可以是邏輯真、邏輯假，可以進行邏輯運算→可以用三極管、二極管等實現(xiàn)基本門電路→組合邏輯電路實現(xiàn)→復(fù)雜組合邏輯電路的芯片。

最后，得出0和1的思維：

物理世界/語義信息→符號化（進位制與編碼）→數(shù)字計算（算術(shù)運算、邏輯運算）→硬件與軟件實現(xiàn)。任何事物只要能表示成信息，也就能表示成0和1，也就能被計算，能被計算機處理。

4 結(jié)束語

計算思維是隨著計算機的普及和計算機技術(shù)的發(fā)展而演化，以計算思維的培養(yǎng)為導(dǎo)向的大學(xué)計算機教育涉及教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)手段等多方面，也不是依托于某一二門課程就能實現(xiàn)計算思維能力的培養(yǎng)，而是要潛移默化在我們教與學(xué)的實踐行為中。

參考文獻：

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

[2] 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[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010（9）.

[3] 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）：9-13.