計算思維引導下的計算機基礎(chǔ)教育改革的研究與實踐

摘要：根據(jù)大學計算機課程改革的新思路，深入分析了計算思維能力培養(yǎng)在計算機基礎(chǔ)教育中的重要性和必要性。針對目前計算機基礎(chǔ)教育所面臨的問題以及當今社會的人才需求，對計算機基礎(chǔ)教育改革進行了深入地探索和嘗試，提出了一套以計算思維能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標的新的改革思路和措施。

關(guān)鍵詞：計算思維；計算機基礎(chǔ)教育；教學改革；課程體系

中圖分類號：G649.21 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）30-0056-03

目前，隨著國際上對計算思維的日益關(guān)注，科學界把它與實驗思維和理論思維認為是人類的三大科學思維方式，對于計算思維的訓練與培養(yǎng)將對未來社會發(fā)展和人才培養(yǎng)具有重要意義。計算機基礎(chǔ)課程自在各高等院校開設(shè)以來，一直承擔著向?qū)W生普及計算機知識、培養(yǎng)計算機能力的任務(wù)，隨著時代的發(fā)展和社會對計算機人才需求的變化，傳統(tǒng)的計算機基礎(chǔ)教育模式已經(jīng)不能滿足社會的需求，在這種背景下，教育部高等學校計算機基礎(chǔ)課程教學指導委員會提出了大學計算機基礎(chǔ)課程新一輪改革的思路和內(nèi)容，這就是以計算思維培養(yǎng)為導向的大學計算機課程改革。

一、計算思維的認識與研究

1.計算思維的概念

計算思維是一種新穎的思維方式，有助于培養(yǎng)人們的抽象思維、邏輯思維以及解決問題的能力。2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計算機權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志上給出了計算思維（Computational Thinking）的定義。周教授認為：計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)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[1]。從周教授給出的定義可以看出，計算思維是基于計算機科學并涵蓋整個計算機科學領(lǐng)域的一種思維活動，是人類應具有的一種能力。如同所有人都具備“讀、寫、算”（簡稱3R）能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。

2.計算思維的本質(zhì)

國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）和計算機科學教師協(xié)會（CSTA）2011年通過給計算思維的各要素作描述，下了一個操作性的定義，即計算思維是一個問題解決的過程，該過程包括以下特點：（1）制定問題，并能夠利用計算機和其他工具來幫助解決該問題；（2）要符合邏輯地組織和分析數(shù)據(jù)；（3）通過抽象，例如模型、仿真等，再現(xiàn)數(shù)據(jù)；（4）通過算法思想（一系列有序的步驟），支持自動化的解決方案；（5）識別、分析和實施可能的解決方案，找到最有效的方案，并且有效結(jié)合這些步驟和資源；（6）將該問題的求解過程進行推廣并移植到更廣泛的問題中[2]。計算思維反映了計算機學科最本質(zhì)的特征和最核心的方法，是對計算機學科三個不同領(lǐng)域（理論、設(shè)計、實現(xiàn)）的概括和提煉[3]。計算思維注重在問題求解過程中對問題的抽象及表示、注重算法設(shè)計的抽象化及算法實現(xiàn)的自動化、注重問題求解后實現(xiàn)方法的再利用，計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化。

3.計算思維與計算機基礎(chǔ)教育

計算思維是人類具有的一項基本技能，在早期沒有計算機時計算思維就已經(jīng)存在了，但由于缺乏對計算思維概念的正確認識而沒有被人們明確意識到。計算機的產(chǎn)生及計算機學科的發(fā)展使計算思維受到前所未有的廣泛關(guān)注，并將計算思維的培養(yǎng)納入到當今社會人才培養(yǎng)的目標之中。

在大多數(shù)高等院校的計算機基礎(chǔ)教育人才培養(yǎng)目標中，已經(jīng)能夠明確體現(xiàn)出計算機技術(shù)及操作技能的培養(yǎng)，但對于引領(lǐng)計算機學科及相關(guān)技術(shù)發(fā)展的理論與實踐的創(chuàng)新性研究卻較少涉及，以這種模式培養(yǎng)出來的學生有可能被局限在解決已有類似解決方案的問題上，當遇到嶄新的問題時，只能用已有的技術(shù)或方法去套用，即使問題得以解決也很難取得突破性的成果，這對于學科的延展性以及各行業(yè)的發(fā)展前景都是不容樂觀的。這就是源于在計算機基礎(chǔ)教育中忽略了對學生計算思維能力的培養(yǎng)。計算思維能力不僅能為不同專業(yè)學生提供解決專業(yè)問題的有效方法和手段，更為重要的是能夠提供一種獨特的思維方式，這種思維方式引導學生從全局出發(fā)，以計算機理論與技術(shù)為支撐尋求解決問題的方法。對計算思維能力的培養(yǎng)將激發(fā)學生在各學科領(lǐng)域進行科學探索的興趣，進而能為將來就業(yè)后的行業(yè)發(fā)展和突破創(chuàng)新做到很好地鋪墊。

二、計算機基礎(chǔ)教育的現(xiàn)狀及所面臨的問題

目前在我國，一些高等院校將計算機基礎(chǔ)教育狹義地定位為一門工具學科，就是認為計算機基礎(chǔ)教學就是教學生如何將計算機作為工具使用[4]。在教學內(nèi)容組織上過于寬泛且理論層次不高，并且部分教學內(nèi)容與學生在中學階段所學內(nèi)容重復，這樣造成的后果不言而喻，學生的學習積極性不高，讓學生感覺好像什么都知道，又好像什么都不懂。

另一方面，隨著信息化不斷向縱深發(fā)展，各專業(yè)對學生的計算機應用能力的要求日益遞增，社會對大學生的信息能力要求越來越高，這就要求大學計算機基礎(chǔ)教育必須不斷與時俱進，改革創(chuàng)新，教學目標和內(nèi)涵要充分體現(xiàn)時代的特征和需求，將計算思維融入教學的各環(huán)節(jié)中，以期進一步提升大學生的綜合素質(zhì)和能力，挖掘大學生的學習潛能。

三、計算機基礎(chǔ)教育教學目標的重定位

信息技術(shù)飛速發(fā)展的同時也帶動了其他學科在某些領(lǐng)域的突破性進展，極大地改變了人們對信息技術(shù)學科的認知，信息技術(shù)不僅僅是一個單純的學科，而是一個不斷發(fā)展演化的學科，是一個能帶動其他學科交叉發(fā)展的學科。作為信息時代主要載體的計算機已不再做為一個簡單的工具存在，其更為重要的作用和更為深刻的內(nèi)涵隨著信息技術(shù)的發(fā)展、社會需求的提高被越來越多的人體會到。

大學中的計算機基礎(chǔ)教育所面對的教學群體是非計算機專業(yè)的大一新生，這些學生畢業(yè)后根據(jù)自己的所學所知去工作，為社會各行各業(yè)的發(fā)展做出貢獻。在大學中對這些學生的培養(yǎng)不僅關(guān)乎學生自身的發(fā)展，更關(guān)乎到社會各行業(yè)的發(fā)展進步。教育部高等學校計算機基礎(chǔ)課程教學指導委員會提出了大學計算機基礎(chǔ)教學要培養(yǎng)學生對計算機的認知能力、利用計算機解決問題的能力、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同能力和信息社會終身學習的能力[5]。這四個方面能力的培養(yǎng)，突出了計算思維能力培養(yǎng)的核心地位，這種能力對學生將來從事任何行業(yè)都將是終身受益的。

計算機基礎(chǔ)教育改革必須緊跟時代的步伐，科學謀劃，穩(wěn)步發(fā)展，不斷創(chuàng)新。教指委《關(guān)于申報大學計算機課程改革項目的通知》中明確給出了大學計算機“普及計算機文化，培養(yǎng)專業(yè)應用能力，訓練計算思維能力”的總體教學目標，不僅要適應計算機技術(shù)發(fā)展的要求，更要適應學生終身學習的要求以及社會對計算機應用型人才的要求，注重培養(yǎng)學生解決問題的思想、方法、意識、興趣和能力，是一種更高層次的認知。

四、以計算思維為導向，拓展計算機基礎(chǔ)教育改革的新方向

1.轉(zhuǎn)變教學理念

計算機基礎(chǔ)教育傳統(tǒng)的教學理念以知識加技能為主，過多地將授課的重點放在培養(yǎng)學生對知識點的理解記憶以及計算機操作技能上，這樣在學生以后回憶時也僅能記起一些零散的概念、對于一些工具軟件的使用等，從知識的延續(xù)性上對學生沒有較大的影響。在計算機基礎(chǔ)教育中，要確立以計算思維能力培養(yǎng)為主的教學理念，不僅要為學生傳授知識和技能，更為重要的是在整個教學活動中要貫穿對學生計算思維的引導和訓練，逐步養(yǎng)成利用計算思維的方式解決問題的思維習慣。讓學生在計算思維能力培養(yǎng)的過程中掌握知識和技能，并能活學活用，解決現(xiàn)實生活或?qū)I(yè)領(lǐng)域中的實際問題，進而激發(fā)學生的學習興趣和潛能。

要從根本上轉(zhuǎn)變教學觀念，師資隊伍的建設(shè)起著不容小覷的作用。教師是教學活動的組織者，是學生學習的領(lǐng)航人，教師對教學內(nèi)容的選擇、整合以及傳授方式等影響著學生的發(fā)展方向和發(fā)展水平。要將教師現(xiàn)有的計算機知識與計算思維融為一體，對每個老師來說都是對知識體系的一種重組，因而對現(xiàn)有的師資隊伍進行多種形式的計算思維的學習、研討以及交流活動都是很有必要的。

2.重構(gòu)課程體系

課程體系是教學內(nèi)容和進程的總和，它規(guī)定了培養(yǎng)目標實施的規(guī)劃方案，新的教學理念和人才培養(yǎng)目標要求與之相配套的課程體系。教育部非計算機專業(yè)計算機基礎(chǔ)教學指導委員會提出“1+X”的課程設(shè)置方案，將大學本科階段非計算機專業(yè)的計算機教學大致分為兩個層面：一是作為大學計算機公共基礎(chǔ)課的計算機基礎(chǔ)教學；二是與學生專業(yè)或行業(yè)需求相結(jié)合的計算機專業(yè)教學[6]。根據(jù)我校實際情況以及學科專業(yè)分布重新構(gòu)建了以計算思維為核心的非計算機專業(yè)的大學計算機基礎(chǔ)教學課程體系。

（1）計算機基礎(chǔ)教學。計算機基礎(chǔ)教學依托《大學計算機基礎(chǔ)》課程，但從教學內(nèi)容的組織上做了較大地改進，引入了對計算思維概念、本質(zhì)以及特征的教學專題，對以往的教學內(nèi)容進行取舍，確定了計算機與計算思維、信息技術(shù)基礎(chǔ)、操作系統(tǒng)、算法分析與設(shè)計、程序設(shè)計基礎(chǔ)、多媒體技術(shù)及應用、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)、計算機網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)頁制作、信息安全與職業(yè)道德共十個教學單元。將計算思維概念的體現(xiàn)以及計算思維能力的引導蘊含在不同的教學單元中，例如通過大量引入日常生活中涉及計算的例子讓學生理解計算的概念以及計算無處不在；通過典型實例介紹抽象問題求解的基本方法，讓學生理解算法的概念；通過計算機軟、硬件系統(tǒng)了解基本計算環(huán)境等。

（2）計算機專業(yè)教學。計算機專業(yè)教學主要分為兩個大方向，對理、工、文科開設(shè)《程序設(shè)計技術(shù)》課程，對藝術(shù)類開設(shè)《PhotoShop圖像處理課程》?！冻绦蛟O(shè)計技術(shù)》課程根據(jù)學科分類不同分為C語言和VB.NET，同一種編程語言又根據(jù)專業(yè)不同而有所側(cè)重。學生在完成計算機基礎(chǔ)教學教育之后，已經(jīng)初步建立了計算思維的意識，借助專業(yè)教學使學生將這一思維模式很好地延續(xù)下去。特別是在《程序設(shè)計技術(shù)》課程中所側(cè)重的就是學生對于抽象算法的設(shè)計以及利用編程語言將算法具體化、自動化的實施過程，這無疑是計算思維得以體現(xiàn)的一個很好的教學實例。

（3）計算機能力教學。計算機能力教學是前兩種教學的升華，包括計算思維能力和學科創(chuàng)新能力。對這兩種能力的培養(yǎng)一方面涵蓋在計算機基礎(chǔ)教學和計算機專業(yè)教學之中，另一方面根據(jù)不同學科方向開設(shè)的公共選修課、學術(shù)講座以及學科競賽的形式得以體現(xiàn)。目前我校對機電、測控專業(yè)開設(shè)計算機輔助設(shè)計CAD，對食工、化工開設(shè)VB.NET高級編程、對經(jīng)濟管理類開設(shè)數(shù)據(jù)庫設(shè)計與開發(fā)、對藝術(shù)類開設(shè)網(wǎng)頁設(shè)計和動漫制作等。這將使學生在完成計算機基礎(chǔ)教育過程中所培養(yǎng)的計算思維方式以及計算思維能力得以延續(xù)發(fā)展，進而滿足學生終身學習的要求。

3.更新教學方法

由于對學生培養(yǎng)目標進行了重新定位，教學方法也要同步地進行更新，由傳統(tǒng)課堂講授模式改為課堂講授、小組討論、專題研討、問題引導、反思與自我建構(gòu)等多種模式的結(jié)合運用。在每一種教學方法中，都要體現(xiàn)出教師引導的重要性，教師在授課過程中不要把所有內(nèi)容灌輸給學生，要給學生留有一定的思考空間，讓部分內(nèi)容通過學生的主動思考體會出來，這樣既可以鍛煉學生主動思考問題、解決問題的能力，也能讓學生在學習過程中有一定的成就感，所取得的效果比教師直接講給學生要好很多。通過多種教學模式的運用，一方面可以活躍課堂氛圍，另一方面可以引導學生在計算思維的模式下發(fā)掘自身的學習潛能。

4.豐富課程資源

以往教師提供給學生的教學資源往往是自己的講課課件、習題答案等，內(nèi)容、形式都過于單一。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，校園網(wǎng)的迅速興起為教師創(chuàng)建多樣化的教學資源提供了平臺。教師可以創(chuàng)建本課程的課程網(wǎng)站，將本課程的教學文檔（教學大綱、教學課件、教學視頻、習題以及答案等）放在網(wǎng)站上，還可以在網(wǎng)站上設(shè)置討論區(qū)為師生課下交流提供空間，分階段測試區(qū)為學生自我測試提供平臺。計算機基礎(chǔ)教育的最終目標是培養(yǎng)學生的計算思維意識和能力，為此還可以在網(wǎng)站上開辟計算思維專欄，將計算思維的概念和理論詳細地進行介紹，并結(jié)合計算思維在該課程不同章節(jié)的具體使用，使學生對計算思維從理論到結(jié)合實踐的具體應用有一個深刻的認識，從而逐步鍛煉并養(yǎng)成利用計算思維模式解決問題的使用習慣。

5.延續(xù)課程發(fā)展

教師對于每門課程的授課不應該局限在這門課程課內(nèi)的學時上，并且也不能將對學生計算思維意識與能力的培養(yǎng)停止在學期末課程結(jié)束。第二課堂以及網(wǎng)絡(luò)課堂的開展是對課堂教學的有益補充，延展了課堂授課的時間和空間，對學生來說，無疑是很受歡迎的。近幾年隨著我校網(wǎng)上答疑、網(wǎng)絡(luò)課堂以及課外興趣小組的逐步推廣使用，有越來越多的學生愿意加入這樣的學習團體，提高自身主動學習的意識和能力。在每學期的課程結(jié)束時，教師要根據(jù)學生專業(yè)并結(jié)合本課程的發(fā)展為學生指明后繼學習方向，引導學生在課程學習過程中將計算思維能力延續(xù)下去，并以這種能力結(jié)合自身的計算機技術(shù)在本學科領(lǐng)域進行更多地科學探索，從而推進學科發(fā)展和創(chuàng)新。

五、結(jié)語

大學計算機基礎(chǔ)教育是人才素質(zhì)教育的重要組成部分，而計算思維能力又作為新時代下衡量計算機基礎(chǔ)教育水平的新標準，由此可見計算思維能力培養(yǎng)的重要性。各個高等院校在進行計算機基礎(chǔ)教育改革實踐時要以計算思維為航標，進行各種有益地嘗試和實踐，形成一套適合本校的教學體系，以提高人才培養(yǎng)的層次和水平，為社會輸送符合時代要求的合格人才。

參考文獻：

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（責任編輯：劉翠枝）