計算機面向計算思維的課程教學方法

摘 要：大學計算機課程講授計算思維已經(jīng)成為普遍的共識。然而限于基礎-學時-內(nèi)容的矛盾，人們對面向計算思維的課程內(nèi)容體系仍舊存在一些困惑。大學計算機課程應該講授的最小的課程內(nèi)容集合是什么？本文結合計算學科對非計算機專業(yè)人員未來的影響，論證性地提出了大學計算機面向計算思維的課程內(nèi)容最小集合以及擴展集合，試圖破解在計算機課程教學內(nèi)容體系方面的困惑。

關鍵詞：計算思維；大學計算機；教學內(nèi)容；教學方法

1 知識與思維

計算機知識中的最小集合，其內(nèi)容覆蓋面卻是很寬的。如果單純以灌輸知識的方式進行講授，則其內(nèi)容肯定講授不完。例如“符號化-計算化-自動化”知識單元中的每個知識點，如果按知識來介紹，則每個知識點都可能需要幾個學時，僅僅一個二進制和編碼就可以講授很多的內(nèi)容。但換個角度，從思維的角度來介紹二進制，只需讓學生理解任何信息都可以用 0 和 1 來表示，即可由計算機來處理，便可壓縮掉很多的內(nèi)容，而更關注于知識的貫通，關注于由各個知識點貫通起來所形成的思維即“語義符號化→符號計算化→計算 0（和）1 化→0（和）1 自動化→分層構造化→構造集成化”，關注于理解如何將現(xiàn)象符號化，進一步 0 和 1 化，然后即可由計算機硬件和軟件予以識別和執(zhí)行。 因此，“知識”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”的理解而提高。這種教學內(nèi)容的取舍方法和教學方法對大學計算機第一門課程應是很重要的。

2 大思維與小技巧

毫無疑問，計算機學科充滿了太多的“小技巧”。毫不夸張地說，任何一個表示方法或者算法都是充滿技巧性的，對學生也是有吸引力的，學生急于想知道為什么是這樣或那樣的。還是以“符號化-計算化-自動化”為例，為什么幾個門電路可以形成“加法器”呢？為什么符號可以參與運算而且結果還能正確呢？幾輪的教學實踐證明，這些技巧是可以促進學生進一步思考的，也可以激發(fā)學生產(chǎn)生想做一做的沖動，正確引導便可能調(diào)動學生學習的積極性。

然而，大學計算機第一門課程還是應更多地關注計算學科中經(jīng)典的計算思維，而這種計算思維目的是啟發(fā)大學生在信息環(huán)境下的創(chuàng)造性思維，即所謂的“大思維”。面對這種大思維的介紹，必然會有許多的小技巧被舍棄或者被略講，僅做到可以使學生能聽得懂即可，而不必過多介紹細節(jié)性內(nèi)容。我們應引導學生既關注小技巧，又要更著眼于大思維。

3 寬度教學與深度教學

通識教育課程應著重培養(yǎng)學生的思維。思維的特性決定了它能給人以啟迪，給人創(chuàng)造想象的空間，并可能潛移默化地被融入到未來的創(chuàng)新活動中。如何使學生更好地理解思維——寬度教學與深度教學相結合的教學是必要的。針對計算思維通識教育，寬度教學是指能夠從社會/自然生活中的廣義計算講起，進一步講解到計算技術與計算系統(tǒng)中的計算，要能夠將社會/自然生活中的概念、原理映射到計算技術與計算系統(tǒng)中的概念、原理。通過這種映射，一方面使學生易于理解和接受計算學科的概念和原理（通過對比社會/自然生活中的概念和原理來理解），另一方面可使學生理解計算機科學家是如何借鑒現(xiàn)實中的概念進行抽象和自動化的，進而還可強化學生通過類比跨學科事物進行抽象和自動化的能力培養(yǎng)。如果僅僅停留在寬度教學的層次，那也只是使學生基本理解了思維相關的概念，并不能使學生對相應的思維有深入的理解和體驗，即所謂的計算思維的淺層次理解。為了強化計算思維的深層次理解，還需要深度教學。所謂深度教學，是指在學生理解了思維相關的基本概念后，能夠進一步探討思維的一些深層次內(nèi)容，如思維的本質和思維的應用。通過思維的本質性探討，強化思維理解的深度，進而強化思維對學生的影響；通過對應用的抽象，強化思維理解的深度，進而強化思維的作用和價值。

計算思維教學應能從寬度教學延展到深度教學，把計算思維講清楚、講透徹，對學生的進一步學習和未來的工作奠定一個堅實的基礎。

4 思維與實用

有些同學和教師習慣于以“實用性”來評價一門課程，認為計算思維是沒有實用價值的，而“如何拆裝機器“”如何使用計算機語言編寫程序”“如何使用一個軟件完成諸如編排文檔、表格計算”等則是實用的，作者也曾經(jīng)有過這樣的認識，此即“狹義工具論”的觀點。但經(jīng)過多年的教學實踐后發(fā)現(xiàn)，類似前述的所謂實用的內(nèi)容既是容易掌握的，也是不容易掌握的。說其容易掌握，是指如果我們理解了相關的“思維”，則對具體操作的掌握是容易的，各種軟件、硬件、網(wǎng)絡等計算系統(tǒng)莫不是遵循某種思維而設計和實現(xiàn)的。說其不容易掌握，是指蘊含在硬件、軟件中的思維如果不理解，則對為什么這樣操作就不容易理解。因為計算機語言、軟件、硬件都是不斷在演變的，其操作也都是在不斷變化的。但萬變不離其宗，其根本的思維如果能夠理解，則可以收到事半功倍之效。

5 原理與案例

相比于經(jīng)典的數(shù)學、物理學科而言，計算機學科可能是不斷產(chǎn)生新概念、新原理的學科。諸多概念和原理既源于社會與自然，同時由于其進行了抽象以適合于不同層次的計算系統(tǒng)，形成了許多新概念、新原理。這些新概念、新原理對于計算機學科知識的掌握是必要的，對于能夠像計算機科學家一樣思考也是必要的。

然而在課程中若僅僅講授這些新概念、新原理，或者以概念講概念、以概念講原理，則對于初學者而言可能有些困難，雖然這些概念、原理記住了，可能記住的只是一個名詞，而其背后蘊含的思考、蘊含的思維卻被忽略了，而這種思維比這個名詞更重要。

能否通過案例來解決這個問題呢？通過案例的引導與討論，不僅能夠把概念、原理闡述清楚，而且能夠將概念、原理的抽象過程展現(xiàn)出來，案例驅動、寓理于例，通過社會/自然及生活中的案例和計算技術與計算系統(tǒng)的案例對比，在案例和討論中引出計算學科的術語、概念和原理，引導學生對計算思維從一個較淺的理解層次逐步過渡到較深入的理解層次。

6 互聯(lián)網(wǎng)教學與課堂教學

當前出現(xiàn)的以 MOOC（Masive Open Online Course）為代表的互聯(lián)網(wǎng)教學手段對于解決基礎-內(nèi)容-學時的矛盾提供了有效的手段。MOOC 通過短視頻網(wǎng)上在線學習、翻轉課堂、在線互動討論、在線考評等手段，可有效支持學生不受時間、空間、師資等方面的限制，重復觀看視頻、隨時隨地在線互動討論以加深課程內(nèi)容的理解，這可有效彌補課堂教學的不足。同時，課堂教學若能結合 MOOC 技術，釋放課堂的能量，加強與學生的互動和深度交流，則可起到寬度教學與深度教學相結合的效果。寬度教學由視頻完成，深度教學則由課堂教學來實現(xiàn)，如此可有效地保證教學質量的提升。關于這方面內(nèi)容不在這里深入討論了。

經(jīng)過多年的努力，人們已經(jīng)認識到面向計算思維的大學計算機課程應該成為和大學數(shù)學課程、大學物理課程一樣地位的經(jīng)典課程，然而受限于諸多因素，該門課程在人們心目中并未達此地位。這說明大學計算機課程仍需要改革，仍需要做出艱苦的努力，其中之一是必須破解“基礎-內(nèi)容-學時”的矛盾。本文提出的大學計算機課程教學內(nèi)容體系，給出了大學計算機課程教學內(nèi)容的最小集合和擴展集合，并探討了相關的教學方法，為破解這一矛盾給出了一種可行的、有效的解決方案。作者相信，通過從事大學計算機通識教育的所有教師的共同努力，大學計算機課程必然會成為和大學數(shù)學課程、大學物理課程一樣的經(jīng)典課程。

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作者簡介

郭春梅（1977-），女，江西省遂川縣人，本科學歷，職稱：講師，研究方向：計算機。