大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的計(jì)算思維養(yǎng)成

摘要：文章闡述了在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中對學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的方法和途徑，提出在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中融入思維訓(xùn)練，可以使學(xué)科知識(shí)與計(jì)算思維能力互相促進(jìn)，共同提高，達(dá)到提升創(chuàng)新實(shí)踐能力的目的。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)；程序設(shè)計(jì)思路；實(shí)驗(yàn)性學(xué)科

0.引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，計(jì)算機(jī)文化知識(shí)已經(jīng)成為當(dāng)代非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。目前，我國大部分地區(qū)的中小學(xué)都開展了計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)教學(xué)工作，高中生在進(jìn)人大學(xué)前已經(jīng)具備一定的計(jì)算機(jī)理論知識(shí)和操作能力。在大學(xué)中開設(shè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程如果還是延續(xù)以往的基礎(chǔ)知識(shí)和上機(jī)操作，學(xué)生就會(huì)出現(xiàn)到課率不高、缺乏學(xué)習(xí)積極性等現(xiàn)象。

教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)要培養(yǎng)對計(jì)算機(jī)的認(rèn)知能力、利用計(jì)算機(jī)解決問題的能力、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同能力和信息社會(huì)終身學(xué)習(xí)的能力。因此計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)，不僅僅要強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用技能，更重要的是在此基礎(chǔ)之上培養(yǎng)學(xué)生用計(jì)算機(jī)解決和處理問題的思維和能力，理解計(jì)算機(jī)在問題解決過程中所發(fā)揮的作用，展現(xiàn)計(jì)算機(jī)學(xué)科的思維方式，提升創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1.關(guān)于計(jì)算思維

美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授認(rèn)為，計(jì)算思維是每個(gè)人應(yīng)必備的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。我們在培養(yǎng)學(xué)生解析能力時(shí)不僅讓他們掌握閱讀、寫作和算術(shù)（Reading，wRiting and aRithmetic

3R），還要學(xué)會(huì)計(jì)算思維。

計(jì)算思維就是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看似困難的問題重新闡釋成一個(gè)我們知道怎樣解決的問題，它是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。計(jì)算思維無處不在，當(dāng)其真正被融入人類活動(dòng)的整體時(shí)，它就成為解決問題的有效工具。比如，女兒早晨上學(xué)，她把當(dāng)天需要的東西放進(jìn)背包，這就是預(yù)置和緩存；兒子弄丟他的手套時(shí)，你建議他沿走過的路尋找，這就是回推；在什么時(shí)候停止租用滑雪板而自己買一付呢，這就是在線算法；在超市付賬時(shí)，你應(yīng)當(dāng)去排哪個(gè)隊(duì)呢，這就是多服務(wù)器系統(tǒng)的性能模型；為什么停電時(shí)電話仍然可用，這就是失敗的無關(guān)性和設(shè)計(jì)的冗余性等。在現(xiàn)代生活中，計(jì)算思維在海量信息分析處理、大型系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程組織與實(shí)施、自然現(xiàn)象與人類社會(huì)行為模擬等方面具有重要的意義。在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中有意識(shí)地講述這方面的內(nèi)容，并加以適當(dāng)?shù)挠?xùn)練，可以提高學(xué)生對計(jì)算機(jī)科學(xué)的理解和認(rèn)識(shí)，形成科學(xué)的世界觀和掌握科學(xué)的方法論。

2.組織教學(xué)過程

計(jì)算機(jī)是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科，在教學(xué)中貫穿計(jì)算思維的培養(yǎng)是一個(gè)新的跨越和挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)模式中，計(jì)算思維是隱藏在能力培養(yǎng)中的，要靠學(xué)生自己去領(lǐng)悟，而現(xiàn)在要將其明白地講出來，讓學(xué)生有目的地、自主地學(xué)習(xí)。

南京工業(yè)大學(xué)開設(shè)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容主要分為兩部分：計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和程序設(shè)計(jì)語言。計(jì)算機(jī)信息技術(shù)課程由理論知識(shí)和實(shí)踐操作組成，理論知識(shí)部分主要介紹計(jì)算機(jī)信息處理方面的基本概念、原理和技術(shù)，實(shí)踐操作部分主要訓(xùn)練計(jì)算機(jī)的操作和常用軟件的使用。程序設(shè)計(jì)語言分語種進(jìn)行，南京工業(yè)大學(xué)主要開設(shè)了VB、VC和VFP三門語言。由于計(jì)算思維教育著眼于思維模式的養(yǎng)成和訓(xùn)練，因此在理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作兩個(gè)環(huán)節(jié)都有著與以往教學(xué)不同的要求和目標(biāo)。

2.1信息技術(shù)課程的思維培養(yǎng)

教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和實(shí)施的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，對課堂教學(xué)的順利進(jìn)行起主導(dǎo)作用。為了培養(yǎng)計(jì)算思維能力，需要對傳統(tǒng)的課程內(nèi)容重新梳理，以新的組織方式和思路傳授給學(xué)生，在灌輸知識(shí)的同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生積極思考，使其逐步建立基于計(jì)算的思維方式。大學(xué)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容中有很多隱藏著計(jì)算思維的知識(shí)點(diǎn)和案例，因此，我們在內(nèi)容的組織上要按照教學(xué)大綱，首先歸納出知識(shí)單元，然后梳理出知識(shí)中所涉及的計(jì)算思維，引出思考點(diǎn)，將知識(shí)傳授轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥R(shí)的思維傳授，逐步引導(dǎo)學(xué)生建立基于計(jì)算思維的知識(shí)體系。

我們在課堂教學(xué)中盡量采取師生互動(dòng)討論的方式，幫助學(xué)生回憶以前學(xué)過的內(nèi)容，讓每一位學(xué)生都參與進(jìn)來。通過學(xué)生講述、教師引導(dǎo)，歸納出問題所在，最后達(dá)到解決問題的目的。每次課都有一條思維主線，教學(xué)內(nèi)容圍繞這條主線展開和延伸。例如，在講授計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)時(shí)，可以先讓學(xué)生談?wù)動(dòng)?jì)算機(jī)所擁有的基本部件，由教師歸納并繪制出經(jīng)典計(jì)算機(jī)工作的原理圖，同時(shí)讓學(xué)生思考影響系統(tǒng)工作效率的因素及改進(jìn)方法，進(jìn)而繪出現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工作的原理圖。再如講授什么是信息技術(shù)時(shí)，先由概念引出人類獲取信息的方式，學(xué)生討論身邊有哪些信息技術(shù)以及這些技術(shù)的作用，進(jìn)而引出利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行信息處理的優(yōu)勢，再來思考計(jì)算機(jī)是如何進(jìn)行信息處理，這就涉及文字、圖片、聲音如何在計(jì)算機(jī)里表示，進(jìn)而引出二進(jìn)制以及如何將我們最熟悉的數(shù)值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的方法。在講述操作系統(tǒng)時(shí)，首先由學(xué)生談?wù)勊赖牟僮飨到y(tǒng)的作用，由教師總結(jié)出幾大功能模塊，對具體的功能模塊展開思考，如CPU的管理，由學(xué)生提出提高CPU效率的方法，最后再由教師帶領(lǐng)學(xué)生共同進(jìn)行可行性分析以確定合適的管理方法。

整個(gè)課堂教學(xué)由學(xué)生發(fā)言→教師引出思考→學(xué)生提出解決方案→共同進(jìn)行可行性分析→教師總結(jié)歸納幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行抽象、分析，使其掌握所涉及的計(jì)算原理，形成問題求解的思路。特別要設(shè)計(jì)好師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，給學(xué)生提出問題的機(jī)會(huì)，同時(shí)還要善于引導(dǎo)學(xué)生積極有效地思考、討論，鼓勵(lì)學(xué)生積極回答問題、探索問題的求解方法，使學(xué)生能在學(xué)習(xí)中思考，在思考中逐步培養(yǎng)計(jì)算思維。

2.2程序設(shè)計(jì)課程的思維培養(yǎng)

在現(xiàn)有課程設(shè)置條件下，在程序設(shè)計(jì)課程上如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力？程序設(shè)計(jì)課程的重點(diǎn)應(yīng)放在講思路，講如何對問題進(jìn)行抽象，講如何從計(jì)算機(jī)的角度去解決問題的步驟。以往的程序設(shè)計(jì)語言課效果欠佳的主要原因是過于注重語句語法，學(xué)生滿腦子都是語句，卻不能自主編出一個(gè)程序，無法達(dá)到課程設(shè)置的目的和要求。

在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)避免照本宣科地向?qū)W生講授語法規(guī)則、程序結(jié)構(gòu)等，應(yīng)從生活中的現(xiàn)象作為切入點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，積極引導(dǎo)學(xué)生思考問題，不要過早地被那些深?yuàn)W晦澀的語句和語法搞得一頭霧水。例如，在講到選擇法排序時(shí)，可以隨機(jī)抽取若干名學(xué)生到講臺(tái)上排隊(duì)，通過對排隊(duì)過程的步驟分解，找出解決問題的形象化方法，使學(xué)生切身感受到排序在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的機(jī)制，理解計(jì)算機(jī)解決問題的方式和方法。在學(xué)生理解了選擇法排序的過程之后，可以適當(dāng)引入其他排序算法，通過對比時(shí)間與空間復(fù)雜度進(jìn)行算法的效率分析，要求學(xué)生能根據(jù)所要解決的問題，選擇一種適當(dāng)?shù)呐判蚍?。也就是說，要改變目前的程序設(shè)計(jì)課程思路，以發(fā)現(xiàn)問題→分析問題→尋求多種解決方案→各種解決方案對比→實(shí)現(xiàn)解決方案作為程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練方法，探索不同算法在效率和性能方面的影響，理解實(shí)用的基本程序設(shè)計(jì)原則，盡可能接近解決實(shí)際問題的模式。

再如，講到VC++中鏈表的內(nèi)容時(shí)，可以形象化地與生活中的“順藤摸瓜”這種結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來，由此引申至計(jì)算機(jī)的非順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及其所帶來的有效利用存儲(chǔ)空間的優(yōu)勢。這樣就在原有的單純教會(huì)學(xué)生編程序的基礎(chǔ)上更進(jìn)了一步，通過這種方法可以逐步培養(yǎng)學(xué)生形成理性的邏輯思維和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣，讓學(xué)生成為問題的解決者而不僅僅是程序設(shè)計(jì)員。

2.3實(shí)踐環(huán)節(jié)的計(jì)算思維培養(yǎng)

大學(xué)信息技術(shù)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，主要側(cè)重于學(xué)生對常用軟件的學(xué)習(xí)和使用。這部分內(nèi)容教師在課堂上不做講授，只在實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行輔導(dǎo)，由學(xué)生自己根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)中，教師可以適當(dāng)結(jié)合理論課的內(nèi)容和上機(jī)操作，要求讓學(xué)生就某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)完成一篇科技小論文或就一個(gè)主題寫一篇綜述，通過以上要求不僅可以鍛煉學(xué)生的上機(jī)操作和信息檢索能力，而且可以使學(xué)生對課程中相關(guān)的知識(shí)有更加全面和整體的認(rèn)識(shí)。由于目前各高校對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程課時(shí)都進(jìn)行了刪減，在課堂教學(xué)中有些內(nèi)容無法涉及，通過科技小論文和總結(jié)性的綜述可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

程序設(shè)計(jì)課程屬于實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，讓學(xué)生按部就班地上機(jī)調(diào)試教材中的程序，不是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真正目的。實(shí)驗(yàn)的目的不僅是驗(yàn)證程序是否正確可行，也是培養(yǎng)學(xué)生的問題求解和機(jī)器實(shí)現(xiàn)能力的手段，并逐步養(yǎng)成計(jì)算思維能力。在學(xué)生動(dòng)手編寫程序代碼之前要求用文字寫下求解問題的實(shí)現(xiàn)步驟，這樣可以幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)解決問題的方法和實(shí)現(xiàn)過程，在分析確認(rèn)了實(shí)現(xiàn)步驟可行之后，再根據(jù)所使用程序設(shè)計(jì)語言的語法規(guī)則對應(yīng)到具體的實(shí)現(xiàn)語句上，形成最終的程序代碼。因?yàn)槌绦蛟O(shè)計(jì)語言是一種確定性的符號(hào)系統(tǒng)，學(xué)生在編程調(diào)試過程中出現(xiàn)的任何錯(cuò)誤，都會(huì)在編譯、鏈接和運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出來，而通過檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的過程，就可以逐步培養(yǎng)學(xué)生形成理性的邏輯思維、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男袨榱?xí)慣和科學(xué)的實(shí)證精神。

3.結(jié)語

計(jì)算機(jī)課程是一個(gè)理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的科學(xué)。從計(jì)算能力培養(yǎng)到計(jì)算思維養(yǎng)成，是一個(gè)新的跨越和挑戰(zhàn)。在現(xiàn)階段的課程設(shè)置條件下，有針對性和系統(tǒng)性地對教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行組織和設(shè)計(jì)，是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的重要途徑，也’是大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的目標(biāo)之一。然而，思維培養(yǎng)是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的要求，僅通過一兩門課程是無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的。因此，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程盡管可以很好地訓(xùn)練相關(guān)內(nèi)容，但是真正意義上的計(jì)算思維培養(yǎng)還要從教育體系的全方位來實(shí)施。

（編輯：郭田珍）