計(jì)算思維與教學(xué)方法研究

劉雨瀟 程建軍

摘 要： 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，社會(huì)需求也因此不斷變化，這對(duì)高校計(jì)算機(jī)通識(shí)教育提出了新的要求，即：“培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力”。以Access數(shù)據(jù)庫與程序設(shè)計(jì)課程為例，深入分析該課程的特點(diǎn)，將培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力作為課程教學(xué)目標(biāo)，通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容取舍，教學(xué)過程組織，考核方式設(shè)計(jì)等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的探索，提出了一種新的教學(xué)實(shí)施方案以供參考。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算思維； 教學(xué)方案； 教學(xué)內(nèi)容； 教學(xué)過程； 考核方式

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）11-55-02

Study on computational thinking and teaching methods

——with Access database and program design as an example

Liu Yuxiao， Cheng Jianjun

（Hubei College of Arts and Sciences， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： With the continuous improvement and development in the field of computer science， the social requirement has changed， which has brought new requirement for university computer general education： "computational thinking ability of students." In this paper， take the Access database and programming course as an example， the characteristics of the course are discussed. Take cultivating students' computational thinking ability as the goal， through choosing teaching content， organizing teaching process and designing evaluation methods， a new teaching program is proposed.

Key words： computational thinking； teaching plan； teaching content； teaching process； assessment methods

0 引言

計(jì)算思維（Computational Thinking）是美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授于2006年3月在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志提出并定義的。其定義是：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng) [1] 。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象與自動(dòng)化。抽象是通過簡化、轉(zhuǎn)換、遞歸、嵌入等方法，進(jìn)而得出問題的求解方法；自動(dòng)化是充分利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力來實(shí)現(xiàn)問題求解。

2010年7月，北大、清華、浙大等九校聯(lián)盟在西安對(duì)計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)教育課程教學(xué)進(jìn)行了研討，認(rèn)為培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的一個(gè)重要內(nèi)容就是要潛移默化地使他們養(yǎng)成一種新的思維方式，即：運(yùn)用計(jì)算科學(xué)的基本概念對(duì)問題進(jìn)行求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和行為理解。

1 數(shù)據(jù)庫程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域研究成果的不斷發(fā)展和完善，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域。社會(huì)需求的變化，使高校計(jì)算機(jī)教育的培養(yǎng)目標(biāo)從以前的“研究計(jì)算機(jī)本身”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝?jì)算機(jī)應(yīng)用”，甚至是“應(yīng)用計(jì)算機(jī)”。因此，如何把學(xué)生信息能力的培養(yǎng)提升到或者說聚焦到計(jì)算思維能力的培養(yǎng)上來，這對(duì)高校計(jì)算機(jī)教育是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)2011年出版的《高等學(xué)校文科類專業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)要求第6版》中明確提出：“大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)教育的教學(xué)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)上培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)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)在問題求解過程中發(fā)揮的作用，展現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維方式，提升創(chuàng)新實(shí)踐能力[2]?！痹凇督虒W(xué)要求》的第三部分“課程體系及內(nèi)容”中也明確規(guī)定數(shù)據(jù)庫程序設(shè)計(jì)屬于高校計(jì)算機(jī)公共課程類的核心課程。

但是，在該類課程的實(shí)際教學(xué)中，普遍存在教師為教而教，學(xué)生為學(xué)而學(xué)、為考而學(xué)的現(xiàn)象。盡管各個(gè)高校已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)庫程序設(shè)計(jì)類課程進(jìn)行了不同程度的改革，但是大多集中于簡單的分類和分層次教學(xué)，并沒有明確將培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力作為教學(xué)目標(biāo)納入教學(xué)體系。本文以Access數(shù)據(jù)庫與程序設(shè)計(jì)課程為例，在教學(xué)內(nèi)容取舍，實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)、課程考核等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)重點(diǎn)體現(xiàn)計(jì)算思維這一導(dǎo)向。

2 課程實(shí)施方案

經(jīng)過對(duì)Access數(shù)據(jù)庫與程序設(shè)計(jì)這門課程特點(diǎn)的分析，結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將該課程的教學(xué)方案歸納成四個(gè)部分，如圖1所示。

[備課][理論教學(xué)過程 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程] [考核][以計(jì)算思維為導(dǎo)向][以問題驅(qū)動(dòng)法組織教學(xué)過程][驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

探索性實(shí)驗(yàn)][重新梳理各

個(gè)知識(shí)模塊][重點(diǎn)定位于思維和知識(shí)的結(jié)合點(diǎn)上]

圖1 以計(jì)算思維為導(dǎo)向的教學(xué)方案

2.1 重新梳理課程教學(xué)內(nèi)容，確立和計(jì)算思維相關(guān)的各知識(shí)模塊

在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)中，重新梳理課程教學(xué)內(nèi)容，確立和計(jì)算思維相關(guān)的各知識(shí)模塊。以計(jì)算思維為導(dǎo)向選擇、平衡、取舍教學(xué)內(nèi)容。將教學(xué)內(nèi)容重新歸納整理，形成若干個(gè)不同的知識(shí)模塊，系統(tǒng)梳理各知識(shí)模塊內(nèi)所蘊(yùn)含的可見、可實(shí)現(xiàn)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。

例如，作為數(shù)據(jù)庫與程序設(shè)計(jì)課程講授基本內(nèi)容的關(guān)系數(shù)據(jù)庫就是采用關(guān)系模型抽象表達(dá)了現(xiàn)實(shí)世界中的事物以及事物之間的各種聯(lián)系[3]。因此，在這里我們可以將關(guān)系模型及其相關(guān)概念作為一個(gè)知識(shí)模塊，重點(diǎn)講述現(xiàn)實(shí)世界中事物信息抽象為數(shù)據(jù)庫中可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的過程。再如，將以上抽象思維的結(jié)果在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，也就是建立數(shù)據(jù)庫的過程，這體現(xiàn)了自動(dòng)化這個(gè)本質(zhì)，也是將理論成果應(yīng)用于技術(shù)實(shí)踐的過程。

2.2 以計(jì)算思維能力的培養(yǎng)為導(dǎo)向組織理論教學(xué)過程

在課堂上采取師生互動(dòng)的方式，采用問題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。首先回顧前面學(xué)習(xí)過的內(nèi)容，通過學(xué)生講述，教師引導(dǎo)，歸納出問題所在，由學(xué)生提出問題的解決方案，教師和學(xué)生共同論證解決方案的可行性，最后達(dá)到解決問題的目的[4]。整個(gè)教學(xué)過程由學(xué)生發(fā)言→教師引出問題→學(xué)生提出解決方案→教師和學(xué)生共同論證方案可行性→教師歸納總結(jié)等幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。

例如：數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建完成后，用戶需要對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，主要包括增加、修改、刪除和查詢等訪問操作，其中，數(shù)據(jù)查詢是數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用中最常見的操作。在課堂上，可聯(lián)系現(xiàn)實(shí)中數(shù)據(jù)查詢的例子，先由學(xué)生講述，再由老師引導(dǎo)出一個(gè)具體的查詢問題，然后由學(xué)生提出該查詢問題的解決方法，之后由老師和學(xué)生共同論證該查詢方法的可行性并實(shí)現(xiàn)該查詢，驗(yàn)證查詢結(jié)果的正確性，最后由老師進(jìn)行歸納總結(jié)，討論是否有其他的查詢方法可解決該查詢問題，并比較多種查詢方法的優(yōu)劣性。在教學(xué)過程中老師應(yīng)當(dāng)正確處理理論、技術(shù)、方法之間關(guān)系。從確定性，可行性，驗(yàn)證性角度出發(fā)，在問題的歸納、解決方案的提出、方案可行性論證等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)體現(xiàn)出計(jì)算思維能力培養(yǎng)這一導(dǎo)向。使學(xué)生在理論的學(xué)習(xí)中不斷加深理解“計(jì)算機(jī)在求解問題過程中發(fā)揮的作用”。

2.3 以計(jì)算思維能力的培養(yǎng)為導(dǎo)向組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

將實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究探索性實(shí)驗(yàn)三大部分。在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中增加基于知識(shí)的思維性內(nèi)容，學(xué)生通過驗(yàn)證性操作領(lǐng)會(huì)計(jì)算思維的思維方法。在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生抽象思維的能力，將問題歸納轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠解決的問題，利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力完成問題的求解。在研究探索性實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)計(jì)算思維和各個(gè)學(xué)科的交叉，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的不確定性，實(shí)現(xiàn)手段具有多樣性，通過學(xué)生的探索和研究在更大范圍內(nèi)拓展創(chuàng)新意識(shí)，提升科學(xué)研究能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

例如，在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)建一個(gè)“教學(xué)管理”窗體，在窗體上添加若干個(gè)“按鈕”控件并實(shí)現(xiàn)“按鈕”控件的各個(gè)功能。學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的同時(shí)仔細(xì)體會(huì)窗體中事件驅(qū)動(dòng)的機(jī)制。然后在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生自己動(dòng)手創(chuàng)建一個(gè)“教學(xué)管理”窗體下的“學(xué)生成績管理”子窗體，分別添加“成績輸入”、“成績查詢”、“返回主窗體”等“按鈕”控件并完成其功能。最后，在研究探索性實(shí)驗(yàn)中要求學(xué)生結(jié)合各自的專業(yè)領(lǐng)域，看看能否使用Access數(shù)據(jù)庫中的窗體實(shí)現(xiàn)各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)管理功能。

2.4 將考核重點(diǎn)定位于知識(shí)和思維的結(jié)合點(diǎn)上

以涵蓋思維的知識(shí)點(diǎn)作為問題提出，以處理問題所運(yùn)用的思維為填充內(nèi)容，以此構(gòu)成思維與知識(shí)的完美組合[5]?？荚噧?nèi)容在覆蓋知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上體現(xiàn)學(xué)生計(jì)算思維的掌握程度，并向思維與專業(yè)領(lǐng)域相結(jié)合的方向上傾斜。

將考核方式分為平時(shí)成績、實(shí)驗(yàn)成績、課程設(shè)計(jì)和上機(jī)考試四部分?？s小平時(shí)成績和機(jī)考成績?cè)谠诳傇u(píng)成績中的比重，增加實(shí)驗(yàn)成績和課程設(shè)計(jì)成績的比重。在上機(jī)考試中重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)蘊(yùn)含計(jì)算思維知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。實(shí)驗(yàn)成績的考核向設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究探索性實(shí)驗(yàn)傾斜，重點(diǎn)考查學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維的實(shí)際動(dòng)手能力。針對(duì)某一個(gè)或若干個(gè)蘊(yùn)含思維的知識(shí)單元，布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)由學(xué)生在課后完成，課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容上要重點(diǎn)體現(xiàn)計(jì)算思維的思想，在設(shè)計(jì)中要體現(xiàn)計(jì)算思維的處理方法，在效用上要盡量體現(xiàn)學(xué)科交叉的特點(diǎn)。

3 結(jié)束語

計(jì)算思維作為三大科學(xué)思維方式之一，正在改變著大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的教學(xué)模式，成為大學(xué)計(jì)算機(jī)教育振興的一個(gè)新途徑。在本文中，以Access數(shù)據(jù)庫與程序設(shè)計(jì)課程為例探討了一種新的教學(xué)方法，通過對(duì)課程各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的改革和探索，提高了學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，這樣的探索同時(shí)也是踐行教學(xué)改革，培養(yǎng)具有計(jì)算思維的應(yīng)用型人才的一個(gè)有效途徑。

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