計(jì)算思維與應(yīng)用能力融合的IT人才培養(yǎng)模式研究

劉 濤，周鳴爭(zhēng)

（安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

0 引 言

隨著信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，信息技術(shù)及其應(yīng)用不斷普及，不僅各IT企業(yè)需求大量的IT人才，各行各業(yè)都需要IT人才，而且人類學(xué)習(xí)、生活以及工作的方式也隨著信息技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了革命性的變化，計(jì)算機(jī)從高科技產(chǎn)品逐漸演變?yōu)槿藗儽仨氄莆帐褂玫幕竟ぞ?。在此背景下?006年，Carnegie Mellon大學(xué)的Jeannette M.Wing教授提出了計(jì)算思維(Computational thinking)的概念，并概括出計(jì)算思維是一種本質(zhì)的、所有人都必須具備的思維方式，就像識(shí)字、做算術(shù)一樣，并且提出要在2050年以前，讓地球上每一個(gè)公民都具備計(jì)算思維能力。Wing倡導(dǎo)“一個(gè)人可以主修計(jì)算機(jī)科學(xué)并且干什么都行（類似我們過(guò)去的一句話：學(xué)會(huì)數(shù)理化，走遍天下都不怕）。一個(gè)人主修英語(yǔ)或者數(shù)學(xué)以后，就可以從事各種各樣的職業(yè)。計(jì)算機(jī)科學(xué)也一樣，一個(gè)人可以主修計(jì)算機(jī)科學(xué)，接著從事醫(yī)學(xué)、法律、商業(yè)、政治以及任何類型的科學(xué)和工程，甚至藝術(shù)工作”[1]。雖然她的計(jì)算思維的觀點(diǎn)帶有一定的局限性，不是經(jīng)過(guò)深入科學(xué)論證得到的結(jié)果，但可見(jiàn)其重要性。

計(jì)算思維的概念一經(jīng)提出，立即引起了學(xué)術(shù)界及教育界的極大關(guān)注，國(guó)際和國(guó)內(nèi)召開(kāi)了一系列的會(huì)議，也啟動(dòng)了許多研究項(xiàng)目。2007年，微軟研究院資助美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)建立了計(jì)算思維中心，力求尋找計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他領(lǐng)域交叉研究的新方法。2008年，ACM公布的《CC2001計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)指導(dǎo)草案》明確提出將計(jì)算思維作為計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)的重要組成部分[2]。2008年，美國(guó)國(guó)家計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會(huì)（CSTA）在網(wǎng)上發(fā)布了得到美國(guó)微軟公司支持的《計(jì)算思維：一個(gè)所有課堂問(wèn)題解決的工具》，文獻(xiàn)[3]指出一個(gè)人若不具備計(jì)算思維的能力，將在從業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，一個(gè)國(guó)家若不使廣大教育者得到計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，將在激烈的國(guó)際環(huán)境中不可能引領(lǐng)而處于落后地位。計(jì)算思維，不僅是計(jì)算機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)人員應(yīng)該具備的能力，而且也是所有受教育者應(yīng)該具備的能力。國(guó)內(nèi)外一些教育者就如何在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維作出了一些重要的探索[4-8]。

1 計(jì)算思維在IT人才培養(yǎng)中的重要性

計(jì)算思維定義為：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念(即思想和方法)去求解問(wèn)題，設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為。它的特征可描述為：是概念化而不是程序化；是根本的而不是刻板的技能；是人的而不是計(jì)算機(jī)的思維方式；是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合；是思想而不是人造物；是面向所有的人、所有的地方。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。抽象體現(xiàn)在完全使用符號(hào)系統(tǒng)甚至形式化語(yǔ)言；自動(dòng)化體現(xiàn)在算法實(shí)現(xiàn)最終是機(jī)械地按步驟自動(dòng)執(zhí)行。計(jì)算思維是一種形式規(guī)整的、問(wèn)題求解的和人機(jī)共存的思維。典型的計(jì)算思維包括一系列廣泛的計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維方法：遞歸、抽象和分解、保護(hù)、冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)和恢復(fù)，利用啟發(fā)式推理來(lái)尋求解答，在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度等。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域研究成果的不斷豐富和完善，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如計(jì)算物理、普適計(jì)算、計(jì)算金融學(xué)、商業(yè)智能、計(jì)算生物學(xué)、計(jì)算醫(yī)學(xué)等，并且與這些學(xué)科之間的交叉越來(lái)越深入。計(jì)算思維在海量信息處理分析、復(fù)雜裝置與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、大型工程組織、自然現(xiàn)象與人類社會(huì)行為模擬等方面具有重要的意義和作用。特別是隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，各領(lǐng)域更需要具有計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力與多學(xué)科集成創(chuàng)新的IT綜合型人才。因?yàn)楹芏嘟徊鎸W(xué)科的研究具有較強(qiáng)的工程性質(zhì)，僅僅依靠學(xué)術(shù)教育背景的傳統(tǒng)教學(xué)研究型的計(jì)算機(jī)類人才是行不通的，所以必須培養(yǎng)能夠快速地將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于某一領(lǐng)域，解決該領(lǐng)域具體計(jì)算問(wèn)題的IT應(yīng)用型人才。這種需求導(dǎo)致高校培養(yǎng)的IT應(yīng)用型人才不僅應(yīng)該具有計(jì)算機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)、扎實(shí)的編程和設(shè)計(jì)能力，同時(shí)應(yīng)該具有擅長(zhǎng)抽象和分解問(wèn)題的計(jì)算思維能力。全國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)理事長(zhǎng)袁開(kāi)榜指出：21世紀(jì),人們應(yīng)該具有計(jì)算思維能力[9]。著名學(xué)者何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴解讀《九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》時(shí)提出計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[10]，要在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育中面向所有大學(xué)生培養(yǎng)其計(jì)算思維。陳國(guó)良教授認(rèn)為，當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動(dòng)的整體時(shí)，它作為一個(gè)問(wèn)題解決的有效工具，人人都應(yīng)當(dāng)掌握，處處都會(huì)被使用[11]。李廉教授提出了計(jì)算思維是構(gòu)成現(xiàn)代科學(xué)大廈的最基本的思維模式之一，并指出基于計(jì)算思維培養(yǎng)的新的教學(xué)體系建設(shè)是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教育今后改革的取向和挑戰(zhàn)[12]。文獻(xiàn)[13]認(rèn)為計(jì)算思維是三大科學(xué)思維之一。一些著名的學(xué)者對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)提出了許多建議，認(rèn)為應(yīng)該從根本上改變現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)教育模式，要將計(jì)算思維的培養(yǎng)納入到專業(yè)人才培養(yǎng)方案中[2]。為了使計(jì)算思維得以推廣，最終成為IT人才的一種思維習(xí)慣，有必要使學(xué)生在4年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活中甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，在計(jì)算機(jī)與信息類學(xué)科的每一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)上持續(xù)不斷地加深對(duì)計(jì)算思維的教育、認(rèn)識(shí)和領(lǐng)悟。

2 應(yīng)用型IT人才融合計(jì)算思維的培養(yǎng)

遵循教育規(guī)律和認(rèn)識(shí)規(guī)律，將三大科學(xué)思維之一的計(jì)算思維有機(jī)地融入IT人才培養(yǎng)方案中，將有利于培養(yǎng)更具競(jìng)爭(zhēng)力的應(yīng)用型人才。

2.1 建立IT人才能力結(jié)構(gòu)模型

建立由應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力、計(jì)算思維等多維屬性組成的人才能力屬性空間模型。對(duì)IT人才應(yīng)該具備的各種屬性進(jìn)行分析、歸納與抽象，建立屬性之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系（依賴與約束關(guān)系），為IT專業(yè)人才培養(yǎng)方案的修定奠定基礎(chǔ)。

IT領(lǐng)域的應(yīng)用型人才除了具備良好的協(xié)作、交流和溝通能力外，還應(yīng)具備以下條件[14]：善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，具有敏銳的觀察力；以解決實(shí)際問(wèn)題為目標(biāo)的知識(shí)應(yīng)用能力；以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向的知識(shí)轉(zhuǎn)化能力。另外，還要培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)乃至創(chuàng)新能力，即要對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力、創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上善于思考、勇于探索的精神，而不墨守成規(guī)。同時(shí)，隨著信息化的全面深入，無(wú)處不在、無(wú)事不用的計(jì)算使得計(jì)算思維成為人們認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的重要基本能力之一，它蘊(yùn)含著一套解決一般問(wèn)題的方法與技術(shù)，促進(jìn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

2.2 改革人才培養(yǎng)方案

進(jìn)行廣泛的需求調(diào)研，對(duì)國(guó)內(nèi)外高校IT人才教育情況進(jìn)行跟蹤比較研究，確定應(yīng)用型人才的能力結(jié)構(gòu)，確定高校IT應(yīng)用型人才的培養(yǎng)規(guī)格，圍繞信息技術(shù)的應(yīng)用與集成制定專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃及培養(yǎng)方案。在已有計(jì)算機(jī)與信息類應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化，研究融合了計(jì)算思維、創(chuàng)新及應(yīng)用等能力的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

2.3 構(gòu)建融入計(jì)算思維培養(yǎng)的應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容體系

研究實(shí)現(xiàn)上述培養(yǎng)目標(biāo)的課程內(nèi)容體系，歸納計(jì)算思維的特征。研究計(jì)算思維的基本組成，以及如何在計(jì)算機(jī)課程中講授這些基本的組成部分。重點(diǎn)改革與梳理基礎(chǔ)課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程，如大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯原理、算法設(shè)計(jì)與分析、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及軟件工程等的教學(xué)內(nèi)容，支持計(jì)算思維培養(yǎng)，建立融合計(jì)算思維的應(yīng)用型人才培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容體系。

2.4 構(gòu)建計(jì)算思維與應(yīng)用能力融合的實(shí)踐教學(xué)體系

在原有應(yīng)用型人才實(shí)踐教學(xué)體系的基礎(chǔ)上，研究融入計(jì)算思維及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系。制定具體實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)大綱及內(nèi)容，將假期社會(huì)實(shí)踐與應(yīng)用型人才培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，在實(shí)踐中強(qiáng)化計(jì)算思維的訓(xùn)練。嘗試在程序設(shè)計(jì)、算法分析與設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)類課程中以上機(jī)實(shí)驗(yàn)為重點(diǎn)的計(jì)算思維教學(xué)模式，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的趣味性和綜合性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。通過(guò)建設(shè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，以計(jì)算思維培養(yǎng)為基礎(chǔ)，改革與梳理已有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并結(jié)合工程實(shí)踐、競(jìng)賽、大學(xué)生科研項(xiàng)目和學(xué)生興趣小組活動(dòng)等構(gòu)建計(jì)算思維與應(yīng)用能力融合的實(shí)踐教學(xué)體系。

2.5 改革教學(xué)方法與模式，訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維

通過(guò)教學(xué)方法與模式的改革促進(jìn)計(jì)算思維的培養(yǎng)。美國(guó)心理學(xué)和教育學(xué)家Robert J.Sternberg指出：思維教學(xué)的核心理念是培養(yǎng)聰明的學(xué)習(xí)者，教師不僅要教會(huì)學(xué)生如何解決問(wèn)題，也要教會(huì)他們發(fā)現(xiàn)值得解決的問(wèn)題。教師要為學(xué)生提供足夠的思維空間，設(shè)法激勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在繼而解決問(wèn)題。因此要改革目前的教學(xué)方法與教學(xué)模式，將計(jì)算思維訓(xùn)練融合在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中。

2.6 完善實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地，強(qiáng)化應(yīng)用能力與計(jì)算思維的培養(yǎng)

積極與IT企業(yè)公司合作，建立實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地。由企業(yè)或公司搭建一座連接學(xué)生、教師和社會(huì)的橋梁，企業(yè)為高校提供社會(huì)需求廣泛的技術(shù)課程，協(xié)助高校實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)課程的教學(xué)改革。按照“夯實(shí)基礎(chǔ)、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)、發(fā)展創(chuàng)新”的培養(yǎng)思路，在堅(jiān)實(shí)的文化素質(zhì)教育基礎(chǔ)上加強(qiáng)業(yè)務(wù)素質(zhì)教育、提高身心素質(zhì)教育、開(kāi)展創(chuàng)新素質(zhì)教育。通過(guò)學(xué)校教師和企業(yè)工程師的共同努力，使學(xué)生在實(shí)習(xí)項(xiàng)目中充分鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)助精神，抵抗外界的干擾與壓力的能力，交流與溝通能力，社會(huì)與工作責(zé)任感以及創(chuàng)新精神，幫助學(xué)生在實(shí)踐中掌握實(shí)用IT技能，利用計(jì)算思維思想解決實(shí)踐中遇到的問(wèn)題，為將來(lái)就業(yè)奠定良好基礎(chǔ)，同時(shí)也為企業(yè)積累大量訓(xùn)練有素的人力資源[15]。

2.7 開(kāi)展豐富多彩的創(chuàng)新活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力與計(jì)算思維的培養(yǎng)

創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)的是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，而且創(chuàng)新能力僅僅依靠課堂教學(xué)是很難培養(yǎng)的，必需要在課外開(kāi)展豐富多彩的科技與競(jìng)賽活動(dòng)。一個(gè)有效的做法是成立信息技術(shù)協(xié)會(huì)，由協(xié)會(huì)再負(fù)責(zé)成立與管理多個(gè)科技興趣小組，如機(jī)器人興趣小組、程序設(shè)計(jì)興趣小組、網(wǎng)站與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)小組、計(jì)算機(jī)維護(hù)興趣小組等。教師按自己的特長(zhǎng)加入興趣小組，學(xué)生從大學(xué)一年級(jí)或大學(xué)二年級(jí)開(kāi)始按自己的興趣參加某一個(gè)或兩個(gè)小組。小組活動(dòng)以學(xué)生為主體、以競(jìng)賽為動(dòng)力。小組收集組內(nèi)成員的科研興趣課題，在師生共同參與下，討論課題的可行性，對(duì)于可行的課題將深入開(kāi)展下去，實(shí)行組內(nèi)傳幫帶，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。學(xué)生會(huì)積極組織學(xué)生參加國(guó)家級(jí)、省級(jí)和校級(jí)各項(xiàng)大賽，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)能力。學(xué)院每年組織由教師命題的學(xué)生科研立項(xiàng)，讓學(xué)生參加教師的科研活動(dòng)。通過(guò)科研活動(dòng)，掌握科研的一般過(guò)程，了解學(xué)科前沿知識(shí)與技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力，促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。成立由學(xué)生管理的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)提供實(shí)驗(yàn)支持。不論是學(xué)生自主選題還是教師命題的科研創(chuàng)新活動(dòng)，其研究與實(shí)現(xiàn)方法都離不開(kāi)計(jì)算思維的支持，同時(shí)創(chuàng)新活動(dòng)又加強(qiáng)了對(duì)計(jì)算思維的訓(xùn)練。因此創(chuàng)新能力與計(jì)算思維的培養(yǎng)相輔相成，相互促進(jìn)。

2.8 培養(yǎng)教師計(jì)算思維、創(chuàng)新與應(yīng)用能力

要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、創(chuàng)新與應(yīng)用能力，教師首先要制定適合同學(xué)們知識(shí)結(jié)構(gòu)和心理特點(diǎn)的課程內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及教學(xué)方法。因此需要培養(yǎng)教師計(jì)算思維、創(chuàng)新與應(yīng)用能力，積極利用校內(nèi)外多種資源，完善IT人才培養(yǎng)基地，為教師培訓(xùn)創(chuàng)新IT技術(shù)提供各種便利，支持專業(yè)教師實(shí)踐能力的提高；為教師提供交流、訪問(wèn)、培訓(xùn)、參加學(xué)術(shù)會(huì)議等深造的機(jī)會(huì)，提高教師的綜合素質(zhì)，能以自己的實(shí)踐體驗(yàn)去指導(dǎo)學(xué)生計(jì)算思維、創(chuàng)新與應(yīng)用能力的形成。

3 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算思維的提出對(duì)于計(jì)算機(jī)教育是一個(gè)挑戰(zhàn)。如何把計(jì)算思維的一些特征和方法作為計(jì)算思維的基本內(nèi)容，經(jīng)過(guò)梳理和組織，成為培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的教材，這給計(jì)算機(jī)教育提出了新的課題，同時(shí)也從新的角度提出了計(jì)算機(jī)教學(xué)改革的目標(biāo)。本文在多年研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，圍繞計(jì)算思維進(jìn)行課程建設(shè)，以現(xiàn)有IT人才培養(yǎng)的主干課程的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)和內(nèi)容為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算思維能力培養(yǎng)，重新組織和梳理教學(xué)內(nèi)容、課程體系及教學(xué)方法，突出體現(xiàn)思維能力的培養(yǎng)。設(shè)計(jì)一套以計(jì)算思維培養(yǎng)為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新與應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，通過(guò)實(shí)踐，培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維、創(chuàng)新與應(yīng)用能力，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

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