計算思維驅(qū)動下的計算機導(dǎo)論課程改革

杭月芹　管致錦　陳德裕

摘要：計算思維已成為現(xiàn)代多學(xué)科人才必須具備的一項基本素質(zhì)。為了在計算機導(dǎo)論課程的教學(xué)中大力培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，文章依據(jù)計算思維的內(nèi)涵和計算機導(dǎo)論課程的構(gòu)建目的，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念、教學(xué)方法及教學(xué)評價4個方面介紹課程改革情況，指出這種改革充分體現(xiàn)以人為本、傳授知識、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)、協(xié)調(diào)發(fā)展的現(xiàn)代教育理念。

關(guān)鍵詞：計算機導(dǎo)論；計算思維；課程改革；自由文理；團隊教學(xué)

0 引言

針對國內(nèi)外計算機教育發(fā)展的新動向，教育部高等學(xué)校計算機專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會聯(lián)合中國計算機學(xué)會教育專業(yè)委員會、全國高等學(xué)校計算機教育研究會，特別就計算思維能力的培養(yǎng)問題形成幾點認識。計算機專業(yè)教育應(yīng)該在計算思維能力培養(yǎng)中做出表率，將系統(tǒng)化計算思維能力的培養(yǎng)貫穿在計算機專業(yè)的教育中。計算機導(dǎo)論是計算機專業(yè)的一門先導(dǎo)必修課程，是作為計算機專業(yè)學(xué)生進入大學(xué)后的第一門專業(yè)課程，其主要作用可以歸納為“五導(dǎo)”：導(dǎo)知識、導(dǎo)方法、導(dǎo)思維、導(dǎo)意識和導(dǎo)職業(yè)。我們認為“導(dǎo)思維”是首要的，也是最為核心的，同時也是最難做到的，“導(dǎo)思維”在引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的過程中，可以很好地、潛移默化地達到其他4項引導(dǎo)作用。

如何建立計算思維能力的培養(yǎng)要求、實施途徑、評測規(guī)范與方法一直是當前計算機教育者從事計算思維研究的一項重要課題。我們結(jié)合教學(xué)團隊多年的經(jīng)驗積累，依據(jù)計算思維的本質(zhì)和特征及計算機導(dǎo)論課程的構(gòu)建目的，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念、教學(xué)方法及教學(xué)評價等方面探討如何在計算思維驅(qū)動下對計算機導(dǎo)論課程進行一系列的改革和探索。

1 計算思維與計算機導(dǎo)論

計算思維（Computational Thinking），籠統(tǒng)地講，是指受過良好訓(xùn)練的計算機科學(xué)工作者面對問題所習(xí)慣采用的思維方法，體現(xiàn)為在過去半個多世紀以來成就計算機和信息技術(shù)輝煌發(fā)展過程中行之有效的若干分析問題與解決問題的典型手段與途徑。其具體內(nèi)涵在近年來發(fā)表的文獻資料中均有豐富論述。而有關(guān)計算機導(dǎo)論課程的構(gòu)建問題，在1989年ACM攻關(guān)組所提交的“計算作為一門學(xué)科”（Computing as a discipline）報告中認為，該課程要培養(yǎng)學(xué)生面向?qū)W科的思維能力，使學(xué)生領(lǐng)會學(xué)科的力量，以及從事本學(xué)科工作的價值所在。報告希望該課程能用類似于數(shù)學(xué)那樣嚴密的方式將學(xué)生引入到計算學(xué)科各個富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之中。

2008年6月在網(wǎng)上公布的ACM對CC2001（CS2001）進行的中期審查報告（CS2001 Imerim Review）（草案）中，開始將美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系教授周以真（Jeannette M.wing）倡導(dǎo)的“計算思維”與計算機導(dǎo)論課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計算思維的本質(zhì)。

綜上所述，計算機導(dǎo)論這門課程不是解決對計算機功能的工具性認識問題，而是要對學(xué)生進行專業(yè)引導(dǎo)和思維引導(dǎo)，應(yīng)該以面向計算學(xué)科的思維能力，也即計算思維能力的培養(yǎng)為核心。學(xué)生如果有了良好的計算思維品質(zhì)，不管環(huán)境、知識需求如何變化，都可以靈活應(yīng)變，從而為今后的專業(yè)學(xué)習(xí)以及走上工作崗位打好堅實的基礎(chǔ)。

2 計算思維驅(qū)動下的課程改革

2.1 統(tǒng)一教學(xué)目標，靈活教學(xué)內(nèi)容

美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授認為：計算思維是運用計算機科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維一大特征是數(shù)學(xué)和工程思維的互補與融合。計算機科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，其形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計算機科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維，基本計算設(shè)備的限制迫使計算機學(xué)家必須計算性地思考，不能只是數(shù)學(xué)性地思考。所以計算思維的研究存在多維性，它緊密地同數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程結(jié)合在一起。另一方面，計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人和機器去執(zhí)行，在求解問題時必須從人的認知、心理、思維活動和學(xué)科發(fā)展角度去入手，故存在研究角度的多態(tài)性。

因此，計算思維多維、多態(tài)的復(fù)雜特征決定了計算機導(dǎo)論課程當前培養(yǎng)方案的多樣性與差異性。當今計算機的理論和技術(shù)發(fā)展太快，新的知識大約每兩年就會增長一倍，教材根本無法實現(xiàn)實時地對新知識、新技術(shù)進行跟進。因此，我們主張教材為輔，“導(dǎo)思維”為主的原則，在統(tǒng)一的數(shù)學(xué)目標指導(dǎo)下靈活課程的講授內(nèi)容，留給教師和學(xué)生最大的思考空間。沒有了教材的“束縛”，教師有了更多的掌控空間，學(xué)生也不會因教科書而將概念固定化，更不會出現(xiàn)臨考抱“教材”的現(xiàn)象。

我們確定計算機導(dǎo)論課程的教學(xué)目標是：在學(xué)生建立計算機專業(yè)學(xué)科知識體系框架的同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力、洞察問題及解決問題的能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程、參與創(chuàng)新課題等打下堅實的基礎(chǔ)。在教學(xué)內(nèi)容的劃分和安排上，由于課時有限，我們主張理論教學(xué)內(nèi)容在劃分上盡可能地簡單分明，前后知識可以很好地呼應(yīng)起來，這樣更有利于知識點的系統(tǒng)化，不會因為章節(jié)龐雜、知識點太多而導(dǎo)致學(xué)生難于消化。為此將課程的講授內(nèi)容簡單劃分成3大部分：

（1）介紹計算學(xué)科各領(lǐng)域的發(fā)展史及前沿，揭示各主要領(lǐng)域的基本規(guī)律及相互之間的內(nèi)在聯(lián)系；認識當前社會和職業(yè)問題等。

（2）介紹計算機學(xué)科中的經(jīng)典科學(xué)問題，初步認識和理解抽象、理論和設(shè)計3種學(xué)科形態(tài)。

（3）講解計算機學(xué)科中的核心概念（如算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序、軟件、硬件、信息表示等），探討研究學(xué)科中的數(shù)學(xué)方法和系統(tǒng)科學(xué)方法，培養(yǎng)計算思維能力。

在講授過程中，我們借助精心制作的多媒體課件，結(jié)合授課內(nèi)容和計算思維的培養(yǎng)目標，隨時有針對性地調(diào)整和豐富自己的講授內(nèi)容。例如，講解計算機學(xué)科各領(lǐng)域的發(fā)展史時，通過引薦吳軍老師的《浪潮之巔》，讓學(xué)生對整個信息產(chǎn)業(yè)有個整體了解，明鑒信息技術(shù)之興衰和發(fā)展；而王偉老師的《計算機科學(xué)前沿技術(shù)》則系統(tǒng)展示了計算機學(xué)科各領(lǐng)域中令人激動的前沿技術(shù)，揭示未來計算機的發(fā)展方向，很好地體現(xiàn)了計算思維及其重要性。endprint

2.2 主張自由文理教育，突顯學(xué)生主體

作為國家建設(shè)未來的棟梁，需要的不是僅有技能的人才，重要的是有思想、精神、獨立思考能力和良好的身體。技能是容易學(xué)的，但一個人的素養(yǎng)和教養(yǎng)不是一蹴而就就能培養(yǎng)的。大學(xué)教育的目的應(yīng)該在于培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的能力，比如閱讀、寫作、計算思維，而不是一時的某項職業(yè)技能。如果學(xué)生進入大學(xué)僅是為了將來的飯碗，那必然會羈絆他的頭腦，抑制他的求知欲。所以大學(xué)的專業(yè)學(xué)習(xí)需從“學(xué)什么”（內(nèi)容）轉(zhuǎn)到“如何學(xué)”（過程），將“導(dǎo)思維”放置課程建設(shè)的首位。

我們主張自由文理（Liberal Arts）的教學(xué)理念，力爭引導(dǎo)一種自由的環(huán)境，激起學(xué)生主動學(xué)習(xí)的欲望，成為真正熱愛學(xué)習(xí)的人，即在沒有外界利益驅(qū)使下仍然在學(xué)習(xí)的人。對于自由的學(xué)生，他們的時間，他們的大腦和心靈在學(xué)習(xí)的時刻才真正受他們自己所支配，這樣的學(xué)習(xí)過程才可能專注且快樂。

在教學(xué)中，我們堅持以學(xué)生為本，打破傳統(tǒng)的教師講學(xué)生聽的單向模式，在課堂上采用提問式教學(xué)，注意引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動機；嚴格地遵循計算機學(xué)科的發(fā)展規(guī)律，定期給出具有一定挑戰(zhàn)性的課題，通過分組合作的方式，以師生間討論、辯論的形式，自律地學(xué)習(xí)獲取知識的方法及分析問題的原則；利用平時的小論文，引導(dǎo)學(xué)生收集資料，增強自我學(xué)習(xí)的能力，建立抽象立體的概念；通過對科學(xué)大師的解讀沉淀一種學(xué)者的尊嚴和對真理的敬重和向往，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任心。

2.3 遵從螺旋式組織方式，提升學(xué)生思維

若將教學(xué)比作爬山，通常的教學(xué)習(xí)慣是一口氣從山下直線攻頂，而布魯納在《教育過程》中所提出的螺旋式課程（Spiral curriculum）則是繞著山轉(zhuǎn)，在相同的角度看到的風(fēng)景雖然都一樣，但每次繞回來時的高度不同，能看到的廣度和深度都不一樣。等到達山頂時學(xué)生不僅對山有具體認知，也能掌握四周環(huán)境全面性的關(guān)聯(lián)知識。計算機導(dǎo)論課程幾乎涵蓋了計算機領(lǐng)域所有的理論、技術(shù)和研究課題，內(nèi)容太過廣泛，若前后不能很好地呼應(yīng)起來，學(xué)生往往會因孤立地學(xué)習(xí)太多的知識點而導(dǎo)致前面學(xué)的內(nèi)容到后面就忘記了，理解起來也相對困難。對于計算機科學(xué)這樣一個有機的、龐大的學(xué)科體系，教師應(yīng)該引發(fā)學(xué)生對計算機學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的理解，精熟其基本原則、原理，以此產(chǎn)生類化的能力，而不是零碎概念、知識點的描述。

我們在課程實施中，遵循螺旋式課程的組織方式。首先結(jié)合教學(xué)團隊多年的教學(xué)經(jīng)驗和團隊成員之間的合作討論對課程知識進行合理的結(jié)構(gòu)化；然后從學(xué)生認知發(fā)展角度出發(fā)，沿認知發(fā)展的動作表象、形象表象、符號表象3個階段來組織課程內(nèi)容。講授內(nèi)容如2.1節(jié)所述，知識點在組織安排上前后呼應(yīng)，螺旋式地擴展和加深，直至復(fù)雜、抽象的現(xiàn)代知識領(lǐng)域；最后在教學(xué)過程中我們采用合理的教學(xué)方式和緊密相連的學(xué)習(xí)節(jié)目來配合教學(xué)過程。比如教學(xué)中我們注重學(xué)習(xí)情境的安排，在講授算法時，注重引導(dǎo)學(xué)生感受其產(chǎn)生背景，摸索過程，走過什么道路，不同階段產(chǎn)生什么改變，將來的發(fā)展趨勢是什么，它還可以做什么改進等。引導(dǎo)學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)活動，提供學(xué)生更多自行探索的機會，最終實現(xiàn)將“知識個人化”。為使學(xué)生站在同一角度看到更大的廣度和深度，我們主張采用團隊教學(xué)制。計算機學(xué)科發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域廣，學(xué)科交叉和滲透十分突出，而計算機學(xué)科教師掌握和積累知識的廣度是有限的，往往限于個別研究方向，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的思維和視野，在不同的知識領(lǐng)域會組織邀請相應(yīng)有所“?！钡慕處焷碇v授，這樣可以發(fā)揮團隊互補優(yōu)勢，實現(xiàn)對學(xué)生全方位的指導(dǎo)，收到良好的人本教育的效果。

2.4 采用分級評價手段，有效監(jiān)管教學(xué)過程

計算思維能力的培養(yǎng)是一個長期的過程，學(xué)習(xí)和思維不是彼此獨立的，是緊密而互補地聯(lián)系在一起的。所以為了內(nèi)化學(xué)生的計算思維能力，我們必須有效監(jiān)管整個教學(xué)過程，對每個個體在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)做出正確評價，這樣才可以實施因材施教，兼顧那些因各種原因而落后的學(xué)生。

我們采用螺旋式教學(xué)法，非常注重引導(dǎo)學(xué)生課前進行預(yù)習(xí)。在講授新內(nèi)容之前，我們要求學(xué)生課前收集相應(yīng)的材料加以了解，課堂上通過實施提問式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生積極討論，同時依據(jù)學(xué)生參與情況及時做出相應(yīng)的評價，對未準備的學(xué)生要給予相應(yīng)懲罰，并在下次課中加重對其進行考察。相應(yīng)地，在平時作業(yè)中我們不會布置常識性的題目，而是根據(jù)授課內(nèi)容布置一些能夠引發(fā)思考、對計算機學(xué)科整體認知有幫助的題目，這樣就避免了作業(yè)抄襲的現(xiàn)象，增加了學(xué)生主動思考的機會，教師也可及時捕獲學(xué)生思維能力的變化，調(diào)整和改進后續(xù)的講解內(nèi)容。

我們所采用的團隊教學(xué)制為實施團隊合作式學(xué)習(xí)提供了很好的平臺。在整個課程結(jié)束后，教學(xué)團隊中的每個成員會給出一些具有挑戰(zhàn)性和合作性的題目，學(xué)生根據(jù)自身對學(xué)科分支的理解和把握情況來挑選導(dǎo)師，在導(dǎo)師的牽頭引領(lǐng)下開展以小組為單位的研究型學(xué)習(xí)。學(xué)生最終需按照要求提交論文或報告，并在小組內(nèi)通過上臺演講的方式進行答辯，最終以個人和小組的共同表現(xiàn)綜合給出評定。

期末考試是課程教學(xué)的最后環(huán)節(jié)，也是整個評價的最后一部分。為了與課程“導(dǎo)思維”的目的一致，我們與平時授課和作業(yè)結(jié)合起來，在大量減少客觀性的、死記硬背式題目后，增加大量探討性的、主觀性題目，給予學(xué)生足夠的思考空間。這樣一方面在某種程度上減少考場作弊的機會，另一方面也能夠更好地檢驗學(xué)生對計算機學(xué)科整體認識的程度。

3 結(jié)語

計算機科學(xué)與技術(shù)不僅為不同專業(yè)人員提供了解決相關(guān)問題的有效方法和手段，而且提供了一種獨特的處理問題的思維方式。因此在計算機導(dǎo)論課程中，我們堅持將“導(dǎo)思維”放在第一位，在授課過程中以學(xué)生為主體，選擇合適的教學(xué)方法，充分調(diào)用學(xué)生的積極性和主動性，通過多級評價體系強化教學(xué)效果，為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)奠定理論和方法論的基礎(chǔ)。當然有關(guān)計算思維能力的培養(yǎng)是個漫長的過程，是一個終生學(xué)習(xí)的過程，對于每一位教育工作者都應(yīng)在教學(xué)中堅持“授之以漁”，而不是簡單化為“授人以魚”。

（見習(xí)編輯：劉麗麗；編輯：郭田珍）endprint