淺談基于計算思維的大學計算機基礎課程創(chuàng)新型教學模式

張宇昕 顏雁 丁巖 王睿

摘要：針對大學計算機基礎課程教學，該文提出了一種基于計算思維創(chuàng)新型教學模式。該模式把計算思維的培養(yǎng)融合在理論教學中，并結合多種教學模式，為建設立體化混合式學習環(huán)境和資源提供相應的理論依據，為培養(yǎng)大學生計算思維能力提供有效支撐。

關鍵詞：計算思維;大學計算機基礎;創(chuàng)新型教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）06-0167-03

1淺談計算思維

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)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維是以它的獨特的思維模式以及系統(tǒng)的設計理念，在實際問題解決過程中的價值日益凸顯，因此國內外學者們越來越關注。計算機科學的發(fā)展，體現(xiàn)了計算思維的作用，也促使了計算思維的發(fā)展。計算思維必將成為人們生活中的一種重要的思維。因此，計算機科學教學為了讓大一新生能更快地進入計算機的世界，應當開設一門新課“如何像程序員一樣思維”的課程。此課程應該面向大學中所有理工科專業(yè)，而不僅僅是計算機科學專業(yè)的學生。在學生剛剛進入大學時，讓學生更多地接觸和了解計算的方法以及數學模型。對于大一新生來說，興趣什么都重要。如何激發(fā)學生對計算機學科的學習興趣成為我們的首要任務。我們更多地工作中心是讓更多非計算機專業(yè)的學生也學會用“抽象”的思維方式來解決問題，才能更好了理解和讀懂未來的信息社會。

大學計算機基礎課程是高等院校計算機基礎課程中重要的基礎課。也是大學通識教育的重要組成部分。該課程以培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)和計算思維為主線進行課程內容設置，其教學目標是：全面培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)學生良好的計算思維能力，傳授計算機科學基礎知識，為各學科學生未來計算機相關課程的學習打下堅實的基礎，從而培養(yǎng)學生利用計算機求解實際問題的能力和計算機應用水平。

2如何培養(yǎng)學生的計算思維意識

針對剛剛走人大學的新生來說，他們的邏輯思維能力在十幾年的學習過程中得到了系統(tǒng)而全面的培養(yǎng)，但是計算思維對于他們來說還是嶄新的開始。眾所周知計算思維是伴隨人類計算工具的出現(xiàn)自然而然形成的，是自古有之的一種思維方法，也是每一個人都具有的一種技能。計算思維的培養(yǎng)是無意識的、自發(fā)的，對于大學生計算思維意識的培養(yǎng)應因勢利導，把大學生計算思維由無意識形態(tài)激活為有意識且自發(fā)的自覺意識中來。那么，對于應用型本科大學生來說，如何應用所學計算機知識來解決實際問題才是培養(yǎng)計算思維意識的最佳途徑。

3如何培養(yǎng)學生的計算思維能力

3.1教學方式上的變化

互聯(lián)網時代背景下，學生可以從不同的互聯(lián)網學習平臺獲取知識。另一個方面，教師通過網絡同樣可以完成教學的多樣化。例如，組建QQ群、微信群、利用雨課堂、慕課等方式，通過這些方式教師和學生間的實時通信，使教學過程更有趣、信息量更大、教學素材更豐富，師生的連接更緊密通暢。在這樣的教學過程中，學生的主動性大大提高，更積極主動的參與案例的討論和分析，更積極思考問題，也拓寬了視野。在一定程度上可以提高學生內在動力、使學習成為由內心出發(fā)為自己而努力的一件有趣的事情。同時可以促進學生間的共同學習，也可以提高學生流動學習，培養(yǎng)學生終身學習的能力。

3.2教學目標的變化

對于非計算機專業(yè)的學生來講，掌握一定的計算機技術是必要的，但不是重要的。重要的是讓他們了解計算機的背景，對老師所講例題的理解，編程方法的簡單應用。這里包括計算機應用有什么規(guī)律，計算機應用如何被創(chuàng)造，對本專業(yè)有什么價值。非計算機專業(yè)如何培養(yǎng)計算思維成了核心任務，這個任務要求學生掌握如何利用計算機來分析和解決問題。找到計算機解決問題的入口和思路。并且找到計算機技術與學生所學專業(yè)的結合點，進而使學生在自己的學科領域內有所成就和創(chuàng)新。

3.3教材內容的變化

我們學校目前教材的內容不再按照計算機學科的內部順序進行，某種意義上顛覆了傳統(tǒng)的教學順序。例如我們不介紹計算機組成、工作原理，學生直接接觸到的是計算機算法、程序、計算機網絡、數據結構等。利用這樣的模式，我們不再拘泥于技術細節(jié)，更著眼于整體上把握計算機科學中各分支之間的特點，各個知識點的聯(lián)系，更著力探討綜合應用知識來解決實際問題。在程序的引入和講解中，從最簡單的生活中例子著手。例如，在C語言中由華氏溫度轉換對應的攝氏溫度問題。首先，在順序結構章節(jié)給定華氏溫度的值f=100°F。通過下面

在此程序講解過程中，從實際問題需要出發(fā)，由淺人深，逐步求精。

與學生專業(yè)角度的契合點：我們不再使用傳統(tǒng)計算機類課程的授課思路，而是從專業(yè)角度出發(fā)選取經典案例。通過這類案例的講述，可以更清晰的解讀計算思維在這些領域中應用的方法。幫助學生在本專業(yè)領域中更好地應用計算思維來理解專業(yè)知識。這樣的模式在我校開展過程中得到廣泛的認可。

3.4基于計算思維的多種教學方式的結合

教學中教師講授實際的計算思維方法，例如遞歸方法：在遞歸函數的講解中我們更重視學生對于遞歸調用的過程的理解和掌握。同時，借助多種學習環(huán)境以及各種層次、各種類型的學習資源輔助教學。例如，“雨課堂”以及校內BlackBoard學習平臺等。在平臺上學生間可以相互交流，可以及時高效發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，并達到拓展遷移、內化知識。例如，在講解程序設計中的排序問題時，教師從比較和交換講起，比較和交換是排序算法中的關鍵技術。然后使用計算思維中遞歸思想，以及關注點分離的方法，把十個不同隨機自然數的排序問題進行分解。這樣，就可以只考慮兩個不同隨機自然數的大小比較和排序問題。問題難度很顯然降低了。如圖1所示：

進而再繼續(xù)擴展，從小到大排序十個不同隨機自然數，完成一趟排序。使十個自然數中最大的一個排到最后一個位置。如圖2所示：

在解決排序問題的過程，學生們充分發(fā)揮想象，深入學習研究，最終想到多種不同的排序方法。實現(xiàn)了例如簡單選擇排序、冒泡排序、歸并排序等等。其他方法的設計和擴展都是在BlackBoard學習平臺實現(xiàn)的。通過鞏固練習和相互交流，學生很快掌握自己發(fā)現(xiàn)的解決排序問題的方法，同時也可以了解其他有效解決排序問題的策略和方法，拓展了思維空間，為學生計算思維能力的培養(yǎng)起到了推動作用。學生們的交流協(xié)作，這也使學生反思自己的學習過程，進而重新整理知識點，構建出適合自己的一套學習方法和學習模式。通過這個過程解決問題能力、計算思維能力與創(chuàng)新能力都得以提升。

教學中教師可以通過BlackBoard學習平臺監(jiān)控到學生的學習過程中的每個環(huán)節(jié)的評價如圖3和圖4所示：

學生也可以了解自己在各個環(huán)節(jié)掌握情況。每章節(jié)作業(yè)情況和學生交流情況，教師端可以一目了然。課堂上教師們通過“雨課堂”實時掌握學生參與度、各班級答題情況、答題易錯點，對于出錯率較高的題目可以重點講解。在這樣的過程中，所有的學習環(huán)節(jié)都是在計算思維理念的指導下進行的。通過計算思維方法的不斷應用，最終達到有效培養(yǎng)學生計算思維能力的目的。

4基于計算思維的創(chuàng)新型教學模式效果分析

以大學計算機基礎課程理論教學和實踐環(huán)節(jié)為基礎，我們進行了基于計算思維的創(chuàng)新型教學模式的教學效果的評價分析。按照新版教學大綱的要求，我們從四個角度進行分析該教學模式對學生計算思維能力培養(yǎng)和滿意程度等方面的效果。這四個角度分別是：解決問題問題能力提升、學習興趣擴大化和學習態(tài)度的嚴謹程度、學習計算機自覺性與興趣和源自學習過程的考核方式。分析效果的方法采用問卷調查來進行，共發(fā)問卷230份，回收215份，有效回收率超過98%。通過對所有問卷的整理、分析和總結，評價結果如圖5所示：

5結束語

我們所提出來的基于計算思維的大學計算機基礎課程創(chuàng)新模型教學模式已經應用于實際教學中一年之久，它在激發(fā)學生學習興趣調動學生學習興趣的同時，提高了學生的實際編程能力。教會學生在解決具體實際問題時，運用計算思維的方式來著手解決問題。面對編程新手不再那么困難。為學生的初步的計算思維方式的形成奠定的基礎。為提高學生們的綜合能力提供了保障。