基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)一體化改革研究

譚建偉 王彩玲

【摘 要】以計(jì)算思維改革計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)是計(jì)算機(jī)教學(xué)改革的必然趨勢，但是僅改變教學(xué)設(shè)計(jì)不能達(dá)到計(jì)算思維訓(xùn)練的目的，還需要更深層次的思考與整合。本文提出了以計(jì)算思維改革計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的六個難點(diǎn)，給出了基本的解決思路。從管理層面入手，改變課堂教學(xué)整體結(jié)構(gòu)，改革教學(xué)的方法和過程，優(yōu)化教學(xué)的設(shè)備、環(huán)境和教材，只有這樣才可能真正達(dá)到在計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)中貫徹計(jì)算思維思想，提高學(xué)生科技創(chuàng)新能力的根本目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)硬件；課程；教學(xué)；一體化改革

【中圖分類號】G624 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2014）01-0082-04

僅從字面上看，計(jì)算思維似乎并不是一個陌生的名詞，但是計(jì)算思維一直被局限于人工智能領(lǐng)域，直到2006年美國學(xué)者周以真發(fā)表了“計(jì)算思維”一文，才將計(jì)算思維提升到一個新的高度。自此國內(nèi)外學(xué)者開始試圖將計(jì)算思維融入教育、產(chǎn)品與系統(tǒng)開發(fā)中，計(jì)算機(jī)學(xué)界也開始研究如何在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中融入“計(jì)算思維”，要以計(jì)算思維改變計(jì)算機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀。查閱文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，目前以計(jì)算思維為主導(dǎo)的教學(xué)研究內(nèi)容，最多的還是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育和軟件課程教學(xué)方面。究其原因，不外乎大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育陷入困境，希望盡快找到前景光明之路；計(jì)算機(jī)軟件教學(xué)本身就含有較多的算法內(nèi)容，課程和計(jì)算關(guān)系更為密切。若將計(jì)算思維作為學(xué)科思維模式進(jìn)行培養(yǎng)，則應(yīng)將其貫穿于學(xué)科教育的全過程，作為計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課的“數(shù)字電路”、“計(jì)算機(jī)組成原理”等當(dāng)然也不能例外。本文是對計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)應(yīng)用計(jì)算思維的探索，希望能將計(jì)算思維體現(xiàn)在所有計(jì)算機(jī)課程中，形成計(jì)算思維幫助計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)的完整過程鏈。

計(jì)算思維的內(nèi)涵解讀

在2010年11月，陳國良院士第一次正式提出，將計(jì)算思維能力培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革切入點(diǎn)的倡議。2012年11月，教育部把與計(jì)算思維有關(guān)的課程改革課題納入教育部研究項(xiàng)目?？梢哉f，目前計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)課程改革中的作用、地位、影響等仍處于起步和探索階段，如何將計(jì)算思維有機(jī)融入計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)，更有待于深入研究。

有人簡單地將計(jì)算思維說成是計(jì)算機(jī)、軟件和計(jì)算相關(guān)學(xué)科中科學(xué)家和工程技術(shù)人員的思維模式；有人將其提高為運(yùn)用計(jì)算科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)的一系列思維活動；也有人將計(jì)算思維看作是理論思維、實(shí)驗(yàn)思維之外的第三大思維。在美國學(xué)界，較為統(tǒng)一的“計(jì)算思維”定義是：“計(jì)算思維是一種能夠把問題及其解決方案表述成為可以有效地進(jìn)行信息處理形式的思維過程”。

從以上種種說法中我們至少可以解讀出計(jì)算思維有以下幾層含義。

（1）它是一種思考問題的方法，是利用計(jì)算科學(xué)的概念思考解決問題的方法，計(jì)算思想貫穿始終。

（2）它是一種解決問題的手段。是按算法形成解決問題的方案，計(jì)算思維對解決問題起至關(guān)重要的作用。

（3）它是提升理工類學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑。通過這種抽象、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S訓(xùn)練，能夠形成符合現(xiàn)代科技工程領(lǐng)域工作需要的思維模式，有效提高研究和創(chuàng)新能力。

計(jì)算思維究竟是否需要在所有的計(jì)算機(jī)學(xué)科推行，關(guān)鍵是要解決兩個方面的問題。一是計(jì)算思維是否適應(yīng)教學(xué)內(nèi)容的要求，或是教學(xué)內(nèi)容能否設(shè)計(jì)成適應(yīng)計(jì)算思維的教學(xué)模塊；二是將計(jì)算思維融入教學(xué)是否能夠提高教學(xué)質(zhì)量，是否有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

計(jì)算思維對計(jì)算機(jī)硬件學(xué)科的影響

正是因?yàn)橛?jì)算思維以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，所以勢必影響計(jì)算機(jī)所有學(xué)科。計(jì)算思維對計(jì)算機(jī)硬件學(xué)科產(chǎn)生影響的主要原因有以下三方面。

一是計(jì)算機(jī)硬件是完成計(jì)算的基礎(chǔ)，所有以計(jì)算思維形成的利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的算法，都要借助硬件平臺最終實(shí)現(xiàn)，若能從開始專業(yè)學(xué)習(xí)階段就以計(jì)算思維理解硬件平臺，一定能夠更好地理解利用硬件平臺解決應(yīng)用問題的實(shí)際算法。

二是計(jì)算機(jī)硬件課程是專業(yè)基礎(chǔ)課，若在專業(yè)基礎(chǔ)課上沒有形成計(jì)算思維的基本工作模式，勢必造成思維過程連續(xù)性斷裂。既沒有形成硬件課程學(xué)習(xí)的計(jì)算思維，不利于后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)，也沒有形成計(jì)算思維的訓(xùn)練連續(xù)性，不利于計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

三是計(jì)算思維與產(chǎn)品開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)密切關(guān)聯(lián)，而計(jì)算機(jī)硬件課程就是電子產(chǎn)品開發(fā)和電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此計(jì)算思維必將成為統(tǒng)領(lǐng)計(jì)算機(jī)硬件課程體系的核心。

因此，盡快將計(jì)算思維引入計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)環(huán)境，是解決計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)的迫切要求，也是系統(tǒng)解決計(jì)算思維幫助計(jì)算機(jī)學(xué)科建設(shè)的必然趨勢。應(yīng)該注意的是：將計(jì)算思維作為培養(yǎng)專業(yè)能力的目標(biāo)引入計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)，不應(yīng)該是簡單的教學(xué)設(shè)計(jì)改革，而應(yīng)是貫穿教學(xué)全過程、全方位的一體化改革，是內(nèi)容全面、過程連續(xù)、手段完善的計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)整體解決方案。

基于計(jì)算思維開發(fā)適合學(xué)科特點(diǎn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

如何將計(jì)算思維有機(jī)融入計(jì)算機(jī)硬件類課程，應(yīng)該是首先需要解決的問題。以計(jì)算思維進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件類課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，就是運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行問題求解或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程。是從提出問題開始，以分析問題、找出可能解決問題的方案為第一學(xué)習(xí)過程。以完善解決方案、解決實(shí)際問題為深入學(xué)習(xí)過程。最后要在解決問題的基礎(chǔ)上拔高，爭取做到一題多解、一解多題，尋找突破問題難點(diǎn)的思路和解決問題的創(chuàng)新技術(shù)方法。因此，以“提出問題→分析問題→解決問題”的過程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)完全符合已有的硬件課程的教學(xué)過程。在完成解決問題的基礎(chǔ)上深入拓展，筆者在以前的教學(xué)中也多有嘗試，但是沒有那么完整和系統(tǒng)。

以計(jì)算思維進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)首先要把完整的教學(xué)內(nèi)容拆分成適合課堂教學(xué)的任務(wù)，由此引出教學(xué)改革的第一個難點(diǎn)——教學(xué)任務(wù)和課堂教學(xué)的適應(yīng)性問題。若實(shí)際教學(xué)內(nèi)容能夠拆成滿足課堂教學(xué)時長的任務(wù)，一切好說。但一般情況下，一個完整的學(xué)習(xí)問題求解過程是“提出問題→分析問題→解決問題→問題延伸”。若要認(rèn)真完成這樣一個過程，兩個學(xué)時似乎很難達(dá)到目的，所以基于計(jì)算思維的教學(xué)改革不只是教師的問題，需要教學(xué)管理部門理解和密切配合。只有教學(xué)管理層理解課程內(nèi)容與教學(xué)時長的關(guān)系，支持配合計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)改革，教師才有更多的教學(xué)設(shè)計(jì)自主權(quán)。

（1）任務(wù)拆分。將完整的教學(xué)內(nèi)容拆分成有機(jī)銜接的若干個任務(wù)是教學(xué)設(shè)計(jì)的第一步，拆分任務(wù)需要考慮完成全部內(nèi)容的教學(xué)時長。

（2）提出問題。具體教學(xué)設(shè)計(jì)的第一個任務(wù)就是針對每個學(xué)習(xí)任務(wù)準(zhǔn)確刻畫出提出問題的方法和內(nèi)容，可以是“做一個舉重裁決電子表決器”的直接任務(wù)式，可以是“增加內(nèi)存芯片時片間線路如何連接”的疑問引導(dǎo)式，還可以展示電子產(chǎn)品實(shí)物下達(dá)具體任務(wù)。不論以何種方式提出問題，關(guān)鍵是能夠正確表述問題的實(shí)質(zhì)，便于學(xué)生后續(xù)分析、分解任務(wù)并導(dǎo)出解決問題的思路。

（3）分析問題。面對具體的任務(wù)需要找出解決問題的方法和思路，如何引導(dǎo)或便于學(xué)生自己找到解決問題的思路或解決方案，是教學(xué)改革的第二個難點(diǎn)。教師放和收的尺度不好把握，收放失當(dāng)會影響教學(xué)形式和教學(xué)效果，建議教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中考慮課程前期多收少放，后期少收多放。

（4）解決問題。解決問題是訓(xùn)練計(jì)算思維的關(guān)鍵，以前期形成解決問題的思路為基礎(chǔ)，系統(tǒng)解決遇到的問題不是教學(xué)中的麻煩問題，形成解決問題的邏輯思想、養(yǎng)成邏輯思維的習(xí)慣才是關(guān)鍵。按照問題解決方案去做總會有兩種結(jié)果，順利完成和不能完成，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題是必然的循環(huán)過程，善于發(fā)現(xiàn)問題、解決問題是整個過程的核心。

（5）問題延伸。最能鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力的課程內(nèi)容是最后學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的解決問題方法延伸，這也是教學(xué)改革的第三個難點(diǎn)，此時會面臨許多要破解的難題。如：拆分出來的教學(xué)任務(wù)有沒有延伸的余地、學(xué)生有沒有延伸學(xué)習(xí)的能力、學(xué)生需要借助哪些知識或工具延伸學(xué)習(xí)、需要多少時間完成延伸學(xué)習(xí)、是否所有學(xué)生都能完成任務(wù)等。

掌握基于計(jì)算思維的課堂教學(xué)方法

既然將計(jì)算思維作為思維訓(xùn)練的重要內(nèi)容，教學(xué)方法、過程和內(nèi)容就應(yīng)區(qū)別于過去傳統(tǒng)的教法，因此，我們認(rèn)為適用的教學(xué)方法是任務(wù)引領(lǐng)、案例教學(xué)法。教師要從過去的單一講授的課堂主導(dǎo)者，轉(zhuǎn)變成教會學(xué)生完成基本任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生自主延伸學(xué)習(xí)任務(wù)的輔導(dǎo)者。教師需要提出具體任務(wù)，然后幫助學(xué)生分析、完成任務(wù)。同時，教師要在師生、生生充分討論后，總結(jié)、概括地提出合理的完成任務(wù)的思路和解決問題的方法，簡單講解完成基本任務(wù)的知識和方法，引導(dǎo)學(xué)生自主完成學(xué)習(xí)任務(wù)、用多種方法或思路完成任務(wù)。學(xué)生需要理解任務(wù)，分析、確定完成任務(wù)的方法和思路，掌握完成任務(wù)的必備知識和技能，自己動手嘗試完成任務(wù)和以多種方法完成任務(wù)。

（1）課堂角色任務(wù)轉(zhuǎn)換。教學(xué)雙方的角色任務(wù)轉(zhuǎn)變是教學(xué)改革的第四個難點(diǎn)，只有雙方都能適應(yīng)角色任務(wù)轉(zhuǎn)變，才能順利開展課堂教學(xué)工作。教師從主導(dǎo)到引導(dǎo)的轉(zhuǎn)變使教學(xué)難度增加，教師面對的不是一個整齊劃一的課堂，而是進(jìn)度、方法、內(nèi)容不一的多個個體，這對教師的掌控能力有更高的要求。學(xué)生從被動接受知識到主動完成任務(wù)的轉(zhuǎn)變使學(xué)習(xí)難度增大，認(rèn)真聽講成為對學(xué)習(xí)最基本的要求，不但要聽得懂還要做得出，更要學(xué)會以多種方法和思路完成學(xué)習(xí)任務(wù)，這對學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、思維能力、動手能力都提出了更高的要求。

（2）教學(xué)環(huán)境的要求。滿足教學(xué)要求的環(huán)境是教學(xué)改革的第五個難點(diǎn)，學(xué)生自主完成學(xué)習(xí)任務(wù)的教學(xué)環(huán)境的要求更高。對于計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)來說，不只需要實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還要大量的實(shí)驗(yàn)材料，教學(xué)成本與傳統(tǒng)教學(xué)不能同日而語，學(xué)校的教育成本投入必然加大。

（3）教學(xué)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)。教師提出恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)任務(wù)是第一要務(wù)，任務(wù)過難、過易、偏離學(xué)習(xí)主題，都很難正常進(jìn)行后續(xù)教學(xué)。分析任務(wù)提出解決方案的過程實(shí)際已經(jīng)簡單圈定了基本的知識范圍，教師在幫助學(xué)生分析任務(wù)時進(jìn)行必要的知識講解和鋪墊，使學(xué)生具有初步的分析和解決問題的能力。在學(xué)生自主完成任務(wù)的過程中要隨時注意可能出現(xiàn)的問題，輔導(dǎo)學(xué)生完成基本學(xué)習(xí)任務(wù)。整個教學(xué)活動的前期，教師應(yīng)給學(xué)生提供一些拓展的資料，幫助學(xué)生了解拓展的基本思路，隨著拓展學(xué)習(xí)能力的不斷增強(qiáng)，教師可以完全下放自主權(quán)，由學(xué)生自己創(chuàng)造性地進(jìn)行任務(wù)拓展。對于有創(chuàng)新特色的成果，教師要及時總結(jié)、褒獎，達(dá)到相互借鑒、共同學(xué)習(xí)、共同提高的目的。

開發(fā)基于計(jì)算思維課堂模式的教材

作為輔助教學(xué)的教材，首先應(yīng)該有適應(yīng)計(jì)算思維課堂教學(xué)的模式，其次是有滿足計(jì)算思維學(xué)習(xí)的內(nèi)容，這兩個條件限制必然使教材的結(jié)構(gòu)形式和內(nèi)容有別于傳統(tǒng)教材。教材形式如何改變，改變后的結(jié)構(gòu)形式和內(nèi)容能否被師生接受是教學(xué)改革的第六個難點(diǎn)。

（1）教材結(jié)構(gòu)形式。教材結(jié)構(gòu)與教學(xué)相適應(yīng)是對結(jié)構(gòu)形式的基本要求，因此教材不能再拘泥于傳統(tǒng)的章節(jié)形式，而應(yīng)該以適應(yīng)教學(xué)的任務(wù)為獨(dú)立單元，以完成任務(wù)的知識、技能為連續(xù)過程，以具體案例任務(wù)為目標(biāo)，以知識、技能拓展為結(jié)束的一個完整體系。以下是以任務(wù)為教學(xué)單元的典型教材結(jié)構(gòu)形式：

> 任務(wù)

> 任務(wù)解決方案

> 任務(wù)知識

> 任務(wù)工作提示

> 任務(wù)拓展基礎(chǔ)

其先后次序可以根據(jù)需要調(diào)整，如明確任務(wù)以后，帶著任務(wù)學(xué)知識，具備一定的基礎(chǔ)知識再去分析任務(wù)、提出解決方案；也可以先提出任務(wù)的解決方案，根據(jù)工作思路學(xué)習(xí)所用知識，具備基本知識和技能后再動手解決問題。

（2）教材內(nèi)容。教材內(nèi)容與結(jié)構(gòu)形式相適應(yīng)也是對教材的基本要求。由于基于計(jì)算思維是在傳統(tǒng)“邏輯教、邏輯學(xué)”基礎(chǔ)上的延伸，并不能改變知識間的邏輯結(jié)構(gòu)，提出符合知識技能邏輯關(guān)系的任務(wù)也是關(guān)乎改革成敗的關(guān)鍵。第一，任務(wù)不能改變知識鏈的邏輯關(guān)系，要適應(yīng)“邏輯教、邏輯學(xué)”的邏輯思維訓(xùn)練本質(zhì)。第二，要達(dá)到學(xué)做合一，實(shí)現(xiàn)“邏輯做”的動手訓(xùn)練。第三，局部知識完整，能滿足拓展創(chuàng)新的“邏輯”需要。

教材的重要作用是輔助學(xué)習(xí)，給出完整解決問題的具體工作過程提示，是幫助學(xué)生動手解決問題的基礎(chǔ)，也是幫助學(xué)生形成解決問題思路的要求。學(xué)生按教材要求動手完成任務(wù)，只是計(jì)算思維訓(xùn)練的初級階段，學(xué)生自己提出同一問題新的解決方案或找出同一方案可以解決的不同問題，才是教學(xué)要達(dá)到的最終目的。所以教材任務(wù)的最后部分應(yīng)該是幫助任務(wù)拓展的提示性信息，可以是專業(yè)的參考文獻(xiàn)和網(wǎng)站信息，可以是具體的實(shí)用性產(chǎn)品說明，也可以是同類任務(wù)的列表。

計(jì)算思維融入計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)是必然趨勢，計(jì)算思維也必將改變計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)涉及的所有內(nèi)容。因此，研究在計(jì)算思維背景下的計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)改革有重要的現(xiàn)實(shí)意義。簡單認(rèn)為改變教學(xué)方法即可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維訓(xùn)練的想法不現(xiàn)實(shí)也不可行，只有從管理、方法、手段、內(nèi)容等進(jìn)行全方位的一體化改革，才能夠在教學(xué)中貫徹計(jì)算思維的訓(xùn)練思想，真正培養(yǎng)具有計(jì)算思維基礎(chǔ)、具有創(chuàng)新能力的有用人才。

參考文獻(xiàn)

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

[2]李曉明，蔣宗禮，王志英等.積極研究和推進(jìn)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（5）：1.

[3]戰(zhàn)德臣，聶蘭順.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革的基本思路[J].中國大學(xué)教學(xué)，2013（2）.

[4]聶蘭順，戰(zhàn)德臣，宋巧紅.計(jì)算思維的教學(xué)內(nèi)容與方法研究[J] .工業(yè)和信息化教育，2013（6）.

（作者單位：河南警察學(xué)院）