以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革

艾明晶　李瑩

摘要：大學(xué)計(jì)算機(jī)課程是大學(xué)通識(shí)教育的重要組成部分，與大學(xué)數(shù)學(xué)和物理同等重要，其核心價(jià)值在于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的形成。文章分析大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)目前面臨的危機(jī)與挑戰(zhàn)，闡述新形勢(shì)下大學(xué)計(jì)算機(jī)的課程定位，著重從課程體系構(gòu)建、教學(xué)案例設(shè)計(jì)、教學(xué)方法改革等幾個(gè)方面探討圍繞培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的核心任務(wù)進(jìn)行課程改革的基本思路和措施，

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；大學(xué)計(jì)算機(jī)；課程體系；教學(xué)案例；教學(xué)方法

0.引言

自20世紀(jì)90年代末教育部倡議在大學(xué)開展“計(jì)算機(jī)文化”教育至今，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程經(jīng)歷了以流行軟件學(xué)習(xí)與掌握為主的“計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)”教育階段，以素養(yǎng)和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)共性知識(shí)講授為主的“計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)”教育階段。課程名稱也從計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)變成大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，直至現(xiàn)在的大學(xué)計(jì)算機(jī)。這是因?yàn)殡S著國(guó)家人才戰(zhàn)略的實(shí)施以及國(guó)家對(duì)于人才培養(yǎng)質(zhì)量的高度關(guān)注，計(jì)算機(jī)教育在大學(xué)整體教育中的重要性將會(huì)更加突出，計(jì)算機(jī)成為在通識(shí)教育中培養(yǎng)具有現(xiàn)代科學(xué)思維精神和能力的三大必修課程（數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)）之一。課程名稱的變化反映了信息技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)教育的普及、社會(huì)的需求變化以及學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的提高。

當(dāng)各高校開始提倡素質(zhì)教育、給學(xué)生更大的自學(xué)空間、不斷壓縮學(xué)時(shí)的時(shí)候，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)首當(dāng)其沖受到極大的沖擊，學(xué)時(shí)被大大壓縮，少數(shù)學(xué)校甚至取消了該課程。這不禁讓從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的教師和專家學(xué)者感到矛盾和困惑：該課程到底該如何發(fā)展？究竟還有沒有存在的必要？我們的學(xué)生真的不需要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)嗎？他們需要學(xué)什么？

2006年，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)：（CMU）計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授（Jeannette M.Wing）首次明確提出了計(jì)算思維（Computational Thinking，CT）的概念，為計(jì)算機(jī)教育的改革指明了方向。2010年7月，在首屆“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”上，“985”首批9所高校就大學(xué)如何在新形勢(shì)下提高計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的質(zhì)量、增強(qiáng)大學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)形成4點(diǎn)共識(shí)，提出要旗幟鮮明地把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。國(guó)內(nèi)一些著名學(xué)者和專家率先開始研究計(jì)算思維的概念與內(nèi)涵，思考計(jì)算思維對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)研究以及計(jì)算機(jī)教育的啟示，呼吁教育的轉(zhuǎn)型：一些先行者大膽嘗試在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中引入計(jì)算思維，踐行新的教學(xué)理念和探索新的教學(xué)模式，陸續(xù)取得一些卓有成效的研究成果。

然而，思維畢竟是人類特有的一種精神活動(dòng)，看不見摸不著。要想使學(xué)生接受計(jì)算思維行不是一件容易的事，問題的關(guān)鍵在于怎樣做才能將計(jì)算思維的培養(yǎng)落到實(shí)處。例如，怎樣構(gòu)建一個(gè)包含計(jì)算思維典型特征的課程體系？怎樣組織教學(xué)內(nèi)容？通過何種教學(xué)模式能夠更有效地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維？筆者將就這些問題進(jìn)行初步探討并提出建議。

1.機(jī)遇與挑戰(zhàn)

當(dāng)今社會(huì)已步入數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的新時(shí)代，信息技術(shù)的發(fā)展水平、運(yùn)用水平和教育水平已成為衡量社會(huì)進(jìn)步程度的重要標(biāo)志，學(xué)習(xí)和掌握計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)和技能是非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生必須達(dá)到的基本要求，社會(huì)對(duì)各領(lǐng)域創(chuàng)新人才的需求對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算能力提出了更高要求。如何針對(duì)社會(huì)需求重新定位大學(xué)計(jì)算機(jī)課程？怎樣才能讓學(xué)校和學(xué)生清晰準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)到該課程的重要性和價(jià)值？這是急需解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

在這種形勢(shì)下，計(jì)算思維概念的提出正好為課程改革提供了一個(gè)難得的契機(jī)。按照周以真教授的定義，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)以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)；計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象（Abstraction）和自動(dòng)化（Automation）。陳國(guó)良院士指出，理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算是推動(dòng)人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展的三大支柱，計(jì)算思維是人類科學(xué)思維活動(dòng)的三大組成部分（理論思維、實(shí)驗(yàn)思維、計(jì)算思維）之一，是數(shù)學(xué)思維與工程思維的互補(bǔ)與融合，計(jì)算思維無處不在。

然而，計(jì)算思維的養(yǎng)成和訓(xùn)練是一個(gè)長(zhǎng)期、循序漸進(jìn)、潛移默化的過程，不可能一蹴而就，與以往的教學(xué)有著不同的要求和目標(biāo)，這些要求和目標(biāo)對(duì)現(xiàn)有的教育觀念和方式提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)于如何在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的培養(yǎng)，還存在分歧和誤區(qū)。有的教師認(rèn)為計(jì)算思維不過是一些理論和概念，講了也沒有多大用處，還不如教給學(xué)生一些必需的計(jì)算機(jī)知識(shí)和技能；有的教師認(rèn)為以往的教學(xué)中已經(jīng)蘊(yùn)含了計(jì)算思維的思想，沒有必要專門講解這個(gè)概念，而且思維是無形的，根本無法在課程或?qū)嵺`中傳授，只能通過學(xué)生自己感悟；還有些教師則把計(jì)算思維的培養(yǎng)等同于理論知識(shí)的講解，或者認(rèn)為技能培養(yǎng)就是思維訓(xùn)練。

這些對(duì)計(jì)算思維的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致計(jì)算思維的概念并沒有與計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的知識(shí)有機(jī)融合，知識(shí)的傳授并沒有轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥R(shí)的思維傳授，因此究竟怎樣做才能避免只是簡(jiǎn)單地給課程貼上計(jì)算思維的標(biāo)簽，而是真正將計(jì)算思維的培養(yǎng)落到實(shí)處，讓學(xué)生通過課程教學(xué)和實(shí)踐體驗(yàn)到計(jì)算思維的魅力和價(jià)值，這是必須解決的另一個(gè)關(guān)鍵問題。

2.改革思路與措施

針對(duì)上述兩個(gè)關(guān)鍵問題，我們以培養(yǎng)計(jì)算思維能力為主線，著重從以下幾個(gè)方面對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程進(jìn)行改革。

2.1分析社會(huì)需求，明確課程定位

在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)普遍注重計(jì)算機(jī)知識(shí)的傳授和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能的培養(yǎng)，學(xué)生學(xué)到的是有關(guān)計(jì)算機(jī)的一些概念及通用計(jì)算手段的應(yīng)用，但是當(dāng)今社會(huì)處于急需各種創(chuàng)新人才的高科技時(shí)代，學(xué)生僅僅具備這些能力是不夠的。高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)要求非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生未來應(yīng)具備的計(jì)算能力是掌握支持各學(xué)科研究創(chuàng)新的新型計(jì)算手段并應(yīng)用計(jì)算手段進(jìn)行各學(xué)科的研究與創(chuàng)新，因此，大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)定位于以計(jì)算思維為核心，以計(jì)算機(jī)知識(shí)為背景，使學(xué)生理解典型的計(jì)算思維，掌握基于計(jì)算技術(shù)/計(jì)算機(jī)的問題求解思路與方法，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算思維和計(jì)算工具分析和處理專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力，為今后的創(chuàng)新活動(dòng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。endprint

2.2構(gòu)建計(jì)算機(jī)知識(shí)與計(jì)算思維有機(jī)融合的課程體系

以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革并不意味著一定要將現(xiàn)有的課程體系和教學(xué)內(nèi)容“推倒重來”，而是在原有課程體系的基礎(chǔ)上，以計(jì)算思維為主線，重新組織教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)增加新的能體現(xiàn)計(jì)算思維的知識(shí)點(diǎn)，刪除一些陳舊的知識(shí)或技術(shù)細(xì)節(jié)，大幅度調(diào)整課程內(nèi)容的結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)建一個(gè)計(jì)算機(jī)知識(shí)與計(jì)算思維相融合的課程體系。

1）分析研究計(jì)算思維的內(nèi)涵和特征。

在明確課程定位后，我們應(yīng)首先仔細(xì)分析計(jì)算思維的內(nèi)涵，研究計(jì)算思維包含哪些基本組成部分，這些基本組成部分的特征和表現(xiàn)是什么，確定在大學(xué)計(jì)算機(jī)知識(shí)體系中涉及計(jì)算思維的哪些概念；然后將知識(shí)體系分解為知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)，研究這些知識(shí)點(diǎn)如何與計(jì)算思維的典型特征有機(jī)融合。

對(duì)計(jì)算思維內(nèi)涵的解讀有很多。2010年，Peter J.Denning在ACM關(guān)于“什么是計(jì)算”的研討會(huì)上指出：計(jì)算思維是一種解決問題的思維方法，這種方法將問題表示為關(guān)于某個(gè)計(jì)算模型（該模型必須被發(fā)明或發(fā)現(xiàn)）的信息處理過程，并尋求一種算法上的解決方案。2012年，李廉教授指出：“計(jì)算思維是人類科學(xué)思維中，以抽象化和自動(dòng)化，或者說以形式化、程序化和機(jī)械化為特征的思維形式。計(jì)算思維的標(biāo)志是有限性、確定性和機(jī)械性。計(jì)算思維的結(jié)論應(yīng)該是構(gòu)造性的、可操作的、能行的”。

戰(zhàn)德臣教授提出的“計(jì)算之樹”很好地描繪出融入計(jì)算思維后的大學(xué)計(jì)算機(jī)所面對(duì)的知識(shí)空間，即“核心”的計(jì)算思維，主要有“計(jì)算之樹”的樹根——計(jì)算技術(shù)與計(jì)算系統(tǒng)的奠基性思維：0和1、程序、遞歸；“計(jì)算之樹”的樹干——通用計(jì)算環(huán)境的進(jìn)化思維：馮·諾依曼機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)、并行與分布計(jì)算環(huán)境、云計(jì)算環(huán)境；“計(jì)算之樹”的樹枝——計(jì)算與（社會(huì)/自然）環(huán)境的融合思維；“計(jì)算之樹”的雙色枝杈——交替促進(jìn)與共同進(jìn)化的問題求解思維：算法與系統(tǒng)…。

2）選取典型的計(jì)算思維，構(gòu)建新的課程體系。

從上述知識(shí)空間中選取非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生需要掌握的典型計(jì)算思維，對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新審視和定位，適當(dāng)裁剪和增刪；圍繞問題的分析解決思路組織相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容，最終構(gòu)建一個(gè)計(jì)算機(jī)知識(shí)與計(jì)算思維有機(jī)融合的課程體系。

北京航空航天大學(xué)于2012年開始參與教育部大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目“理工類高校計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)課程研究及教材建設(shè)”，初步構(gòu)建大學(xué)計(jì)算機(jī)課程體系，見表1。

由表1可見，課程分為7個(gè)教學(xué)單元，要求在每個(gè)教學(xué)單元的教學(xué)內(nèi)容中，描述清楚計(jì)算機(jī)知識(shí)背后蘊(yùn)含的計(jì)算思維是什么，指出哪些知識(shí)體現(xiàn)了計(jì)算學(xué)科的素養(yǎng)。例如，在計(jì)算原理教學(xué)單元中，計(jì)算思維主要涉及0和1的思維（基于電信號(hào)的硬件實(shí)現(xiàn)、邏輯真/假以及基于邏輯的理論與實(shí)現(xiàn)，任何信息都可以表示成0、1串，也就都能被計(jì)算，被計(jì)算機(jī)處理）、計(jì)算機(jī)語言發(fā)展進(jìn)程蘊(yùn)含的思維（語言與編譯器）、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的思維（系統(tǒng)由基本動(dòng)作以及基本動(dòng)作的各種組合構(gòu)成，可以按照“程序”控制“基本動(dòng)作”的執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能）；在算法描述與程序設(shè)計(jì)教學(xué)單元中，既要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，如指令與程序、算法、遞歸的思維，又要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算學(xué)科素養(yǎng)，即程序設(shè)計(jì)方法與典型算法的基本素養(yǎng)。

2.3設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)計(jì)算思維顯著特征的教學(xué)案例

教學(xué)案例是教學(xué)內(nèi)容的重要載體，如果采用抽象枯燥的理論講解方式，學(xué)生將難以理解計(jì)算思維的抽象概念，更談不上通過學(xué)習(xí)培養(yǎng)計(jì)算思維能力，因此需要設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)計(jì)算思維顯著特征的教學(xué)案例。我們通過分析計(jì)算機(jī)解題的思路和方法，著重講解如何運(yùn)用知識(shí)將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成機(jī)器語言的思考過程，如提煉問題、轉(zhuǎn)換問題、構(gòu)建模型、設(shè)計(jì)算法、用合適的程序語言描述、用計(jì)算機(jī)解決問題，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)計(jì)算思維抽象和自動(dòng)化本質(zhì)特征的理解，掌握計(jì)算思維面向典型計(jì)算環(huán)境的問題求解方法。

此外，我們還創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，提出基于計(jì)算思維的探究性問題，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究問題的求知欲。在教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維的方法解決問題，可以有兩個(gè)途徑：根據(jù)已有工具對(duì)問題進(jìn)行分析、抽象和建模，最終建立現(xiàn)有工具能處理的模型；利用所學(xué)的基本算法、建模方法創(chuàng)造算法或系統(tǒng)。例如，在計(jì)算原理教學(xué)單元中，教師可以設(shè)計(jì)“在計(jì)算機(jī)中信息是如何被存儲(chǔ)的”教學(xué)案例。一方面，通過該案例闡述的“0和1的思維”，學(xué)生可以了解為什么在計(jì)算機(jī)中要使用二進(jìn)制而不是十進(jìn)制；體會(huì)一切信息皆可抽象為符號(hào)，而在計(jì)算機(jī)中一切信息都是由0、1串表示，0、1邏輯易于硬件實(shí)現(xiàn)、便于計(jì)算；進(jìn)而掌握“語義符號(hào)化、符號(hào)0（和）1化、0（和）1計(jì)算化、計(jì)算自動(dòng)化、分層構(gòu)造化、構(gòu)造集成化”這種最重要的計(jì)算思維。另一方面，通過該案例闡述的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的思維”，學(xué)生從系統(tǒng)的角度了解計(jì)算機(jī)如何被構(gòu)造以及信息如何被存儲(chǔ)和處理；通過中央處理器→Cache→內(nèi)存→虛擬內(nèi)存→磁盤存儲(chǔ)器的介紹，學(xué)生能夠體會(huì)到“在時(shí)間和空間之間、在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折衷”的計(jì)算思維方法。

2.4改革教學(xué)方法，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的養(yǎng)成

恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法才能展現(xiàn)計(jì)算思維的魅力和基本思想方法。過去以講授知識(shí)點(diǎn)為主線的教學(xué)方法必須改變，應(yīng)以講授認(rèn)識(shí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)的思維過程為主線，使知識(shí)隨著思維的展開而介紹，思維隨著知識(shí)的貫通而形成，能力隨著思維的理解而提高，這樣循序漸進(jìn)地促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的養(yǎng)成。

一方面，在課堂教學(xué)中采取基于計(jì)算思維的探究教學(xué)模式。探究教學(xué)就是將科學(xué)問題作為探究過程來講授，讓學(xué)生像科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)探究一樣在探究過程中發(fā)現(xiàn)科學(xué)概念和規(guī)律，掌握科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)精神。在課堂教學(xué)中，教師提出基于計(jì)算思維的探究性問題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維的一系列方法探索、發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，通過簡(jiǎn)化、轉(zhuǎn)換、遞歸、抽象、分解、建模等計(jì)算思維的基本方法，將一個(gè)復(fù)雜問題轉(zhuǎn)換成許多簡(jiǎn)單的子問題并構(gòu)建求解模型，進(jìn)而充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)問題求解。當(dāng)學(xué)生掌握這種思維方法以后，教師再啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)方法自主探究并解決更深層次的問題，從而達(dá)到知識(shí)鞏固、遷移和內(nèi)化為能力的目的。

另一方面，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。教師只給出實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求學(xué)生自主完成一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)解決方案從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的全過程。學(xué)生主動(dòng)思考，自主梳理知識(shí)，構(gòu)建學(xué)習(xí)模式，規(guī)劃解決方案，運(yùn)用計(jì)算思維的方法自主設(shè)計(jì)和獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)?；谟?jì)算思維的任務(wù)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將有利于培養(yǎng)學(xué)生自我建構(gòu)知識(shí)、計(jì)算思維和創(chuàng)新的能力。

3.結(jié)語

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)是大學(xué)通識(shí)教育的重要組成部分，更是培養(yǎng)大學(xué)生潛移默化地養(yǎng)成用計(jì)算思維方式解決專業(yè)問題、成為復(fù)合型創(chuàng)新人才的基礎(chǔ)性教育。當(dāng)然，還有許多問題值得我們思考和研究，例如，如何針對(duì)不同的專業(yè)進(jìn)行學(xué)科融合，引入跨學(xué)科元素？怎樣設(shè)計(jì)配套的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)才能令計(jì)算思維真正落地？通過何種方式對(duì)學(xué)生掌握計(jì)算思維的程度進(jìn)行考核？如何有效地評(píng)價(jià)融入計(jì)算思維后的教學(xué)效果？

教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，我們期望通過廣大計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育工作者的研究、探索和改革實(shí)踐，真正實(shí)現(xiàn)普及計(jì)算機(jī)文化、訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維養(yǎng)成、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維方法解決專業(yè)領(lǐng)域問題的能力、提高學(xué)生創(chuàng)新能力的目標(biāo)，從而為國(guó)家培養(yǎng)大量創(chuàng)新人才。endprint