基于計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程中的研究

馮娜　李瑩

摘 要：當(dāng)前，越來越多的學(xué)者對(duì)計(jì)算思維感興趣，面向計(jì)算思維的教學(xué)已成為大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)改革方向。計(jì)算思維具有定量性、可測試性、模塊化等特點(diǎn)。從專業(yè)角度說，計(jì)算思維具有計(jì)算的手段機(jī)械化、計(jì)算過程的形式化、計(jì)算執(zhí)行的自動(dòng)化?，F(xiàn)行教育中存在脫離實(shí)際、學(xué)生理解力差等問題。計(jì)算思維的應(yīng)用很好的解決了這個(gè)問題，將計(jì)算思維應(yīng)用于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，是將抽象與綁定再現(xiàn)的一種教育模式。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；定量性；自動(dòng)化；教育模式

中圖分類號(hào)：TP3-4；G642

2006年初，美國計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志上刊登了某高校大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任Wing教授的一篇報(bào)道。該文章中提及了計(jì)算思維（Computational Thinking）的概念[1]。周教授認(rèn)為：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念來進(jìn)行問題分析求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及對(duì)人類行為進(jìn)行抽象理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)的一系列思維活動(dòng)[2]都是計(jì)算思維。

為了讓人們更易于理解，周教授將計(jì)算思維的定義做了闡述：通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來困難的問題重新闡釋成一個(gè)我們知道問題怎樣解決的方法；是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法；是一種采用抽象和分解來控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是基于關(guān)注分離的方法（SoC方法）；是一種選擇合適的方式去陳述一個(gè)問題，或?qū)σ粋€(gè)問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法；是按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法；是利用啟發(fā)式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法；是利用海量數(shù)據(jù)來加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間，在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折衷的思維方法。

1 計(jì)算思維的理論特征與實(shí)際特征

上面內(nèi)容主要介紹了計(jì)算思維的概念，但并沒有具體介紹計(jì)算思維的具體應(yīng)用。周教授想讓大家盡可能的擴(kuò)展計(jì)算思維的外延。周教授希望人們不要把精力過多的放在計(jì)算思維的概念上，而把精力放在計(jì)算思維的運(yùn)用上，通過計(jì)算思維在各個(gè)學(xué)科的創(chuàng)造性的運(yùn)用，讓計(jì)算思維在各個(gè)領(lǐng)域有長足的發(fā)展。

要想把計(jì)算思維應(yīng)用到計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程上，必須先明確了解計(jì)算思維的特點(diǎn)。

在研究層面上，對(duì)于一個(gè)問題的解決，計(jì)算思維的習(xí)慣思路是這樣的：

（1）首先明確需求，即要搞清楚需要解決一個(gè)什么問題，明確了目的之后，才能保證實(shí)施過程朝著目標(biāo)前進(jìn)；（2）解決方案以及階段的里程碑都是有定量的，可以通過具體的指標(biāo)進(jìn)行考核，進(jìn)行測試。能夠確保每個(gè)階段都是可以驗(yàn)證的；（3）整個(gè)解決方案可以細(xì)分成很多個(gè)小步驟來完成。這樣就可以清楚的看到每一步的進(jìn)步。

計(jì)算思維從專業(yè)角度來說，計(jì)算手段具有機(jī)械化的特點(diǎn)，從計(jì)算過程中來說具有形式化的特點(diǎn)，計(jì)算執(zhí)行過程具有自動(dòng)化的特點(diǎn)。

2 現(xiàn)行計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程中的困惑

（1）課程地位受到新技術(shù)或者新軟件的影響較大，特別是一些計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，學(xué)生感覺學(xué)的很抽象且不好理解。但是如果把課程改成以應(yīng)用課程為主的話，新技術(shù)或者新軟件的時(shí)效性等讓人們對(duì)課程的定位和評(píng)價(jià)[3]影響較大；（2）老師對(duì)“學(xué)生”接受理解程度的判斷[4]存在問題。純理論性授課方法，學(xué)生基本接受不了，特別是對(duì)一些二類或三類本科院校。高考入學(xué)分?jǐn)?shù)的差距代表了他們在對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的理解上存在差別，特別是對(duì)一些理論性價(jià)較強(qiáng)、抽象性較強(qiáng)的課程，比如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中一般使用C語言或者C++語言作為指導(dǎo)語言進(jìn)行講解，這是否就說明在學(xué)習(xí)某些課程之前必須要有相應(yīng)的前導(dǎo)課程呢？（3）計(jì)算機(jī)專業(yè)與非計(jì)算機(jī)專業(yè)的教師對(duì)大學(xué)第一門計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的核心內(nèi)容的期望是否一致。在選擇講解的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容是否合理、學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的掌握程度如何等；（4）現(xiàn)階段教學(xué)大綱中所列的“計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)”是否是其他計(jì)算機(jī)課程的“前沿中”的章節(jié)。大學(xué)計(jì)算機(jī)課程應(yīng)該包含哪些內(nèi)容，哪些內(nèi)容是其他課程的前導(dǎo)課程等問題。現(xiàn)階段安排的“C語言”，在“微機(jī)原理”課程前是否合理等問題；（5）如何由知識(shí)傳授轉(zhuǎn)為基于知識(shí)的思維傳授。思維性教學(xué)已被提倡了很久，為什么沒有很好地落實(shí)下去？思維性教學(xué)落實(shí)與執(zhí)行的合適手段是怎樣的？（6）怎樣轉(zhuǎn)換課程的教授方式，把知識(shí)傳授轉(zhuǎn)為基于知識(shí)的思維傳授。為什么思維性教學(xué)被提倡了很久，但是沒有很好地落實(shí)？應(yīng)該如何落實(shí)思維性教學(xué)，才能正確的轉(zhuǎn)換教授方式？

3 計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程中的作用

傳統(tǒng)教學(xué)方法在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，如C語言、操作系統(tǒng)、微機(jī)原理中的應(yīng)用已經(jīng)很多年了，但是效果不佳。主要出現(xiàn)的問題有應(yīng)用性差、學(xué)生不好理解、學(xué)好了之后容易忘記、實(shí)用性差。計(jì)算機(jī)專業(yè)或者非計(jì)算機(jī)專業(yè)的同學(xué)畢業(yè)后，在進(jìn)入企業(yè)后基本都不能立即投入工作。

計(jì)算思維改變了現(xiàn)行教育的模式，如C語言的學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)教育的模式是每周4節(jié)課，2節(jié)理論，2節(jié)上機(jī)。計(jì)算思維不局限于課堂，充分調(diào)都課下時(shí)間，發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。將C語言知識(shí)點(diǎn)細(xì)分為10個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如數(shù)據(jù)類型、循環(huán)控制語句等等。每個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)置指定的數(shù)量的練習(xí)題，練習(xí)題通過博客上傳到的網(wǎng)上，教師通過博客批改學(xué)生作業(yè)。使用博客的教學(xué)方法，一方面博客能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)生能夠主動(dòng)上傳作業(yè)；另一方面布置定量的作業(yè)，而且學(xué)生做的作業(yè)都可以定時(shí)檢查。

以“軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)”講授為例，以軟件設(shè)計(jì)的步驟為中心，貫穿講解一個(gè)大型項(xiàng)目的可行性分析→需求分析→概要設(shè)計(jì)→詳細(xì)設(shè)計(jì)→編碼→測試→部署等。讓學(xué)生實(shí)際操作一個(gè)系統(tǒng)，這樣才能理解計(jì)算思維的含義，從而把計(jì)算思維應(yīng)用到軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)中。

4 計(jì)算思維對(duì)未來各學(xué)科人才的影響

嵌入式、人工智能的成功體現(xiàn)了計(jì)算思維對(duì)各學(xué)科專業(yè)人才的一種影響，這種影響是深遠(yuǎn)的。還有許多例子，如阿里巴巴、當(dāng)當(dāng)網(wǎng)、谷歌、華為等企業(yè)的成功是計(jì)算機(jī)的影響還是計(jì)算思維的影響呢。進(jìn)一步分析可看出，各個(gè)專業(yè)的人才未來都有可能使用計(jì)算機(jī)或計(jì)算技術(shù)或從事以上兩類工作。

各個(gè)學(xué)科對(duì)于計(jì)算思維的研究、創(chuàng)新和應(yīng)用推動(dòng)著各個(gè)行業(yè)的發(fā)展。各種傳感器技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著工業(yè)、汽車制造業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)的發(fā)展。現(xiàn)在技術(shù)的革新、計(jì)算思維的發(fā)展已經(jīng)超越了行業(yè)的限制。最近比較流行的物聯(lián)網(wǎng)，就是指物物相連、利用各種傳感器技術(shù)、借助移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以采集如蔬菜等信息，從而實(shí)現(xiàn)智能澆水、施肥。在未來已經(jīng)說不清楚是計(jì)算機(jī)思維還是計(jì)算思維在影響著人類的發(fā)展。但是各學(xué)科、各行業(yè)的發(fā)展肯定需要人才來研究和發(fā)展，未來是計(jì)算機(jī)人才引導(dǎo)社會(huì)向前發(fā)展。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)計(jì)算思維的內(nèi)涵和外延進(jìn)行的深刻分析，總結(jié)了計(jì)算思維的各種特征，同時(shí)描述了計(jì)算應(yīng)用基礎(chǔ)課程中存在的各種困惑和誤區(qū)。介紹了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)如：C語言和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用計(jì)算思維進(jìn)行理論和實(shí)踐方面的授課。讓我們體會(huì)到在計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程中使用計(jì)算思維，對(duì)于學(xué)生理解相關(guān)課程以及熟練使用相關(guān)課程解決實(shí)際問題方面的影響。最后本文總結(jié)了現(xiàn)在計(jì)算思維在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用，造就了一批優(yōu)秀的企業(yè)，如阿里巴巴、百度、谷歌、華為等，同時(shí)為我們帶來了很多應(yīng)用性的產(chǎn)品?，F(xiàn)在環(huán)顧周圍計(jì)算思維正逐步改變著我們的生活方式。可以預(yù)見在未來，掌握計(jì)算思維的各學(xué)科人才必然會(huì)成為各個(gè)行業(yè)發(fā)展的催化劑，引領(lǐng)前沿技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]WingJM.ComputationalThinking.CommunicationsoftheACM，2006（03）：33-35.

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[4]董榮勝.計(jì)算教育哲學(xué)初探[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2000（01）：93-97.

作者單位：濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東青州 262500