基于計(jì)算思維的高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)研究

陳立軍，黃 威

(1.吉林大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，吉林長(zhǎng)春130022;2.長(zhǎng)春一汽通信科技有限公司，吉林長(zhǎng)春130012)

1 研究背景

美國(guó)Carnegie Mellon University的Jeannette M.Wing教授提出，計(jì)算思維運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及理解人類(lèi)行為等，涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[1]。通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看似困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)我們知道問(wèn)題怎樣解決的方法。計(jì)算思維正在影響經(jīng)濟(jì)學(xué)、化學(xué)、物理等多門(mén)學(xué)科，是數(shù)學(xué)思維和工程思維的結(jié)合。計(jì)算思維包含兩個(gè)A:Abstraction(抽象)——在多個(gè)抽象層次上同時(shí)進(jìn)行;Automation(自動(dòng)化)——使抽象層次及其關(guān)系機(jī)械化。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)發(fā)布了題為Computational Thinking:A Problem Solving Tool for Every Classroom的報(bào)告[2]，得到美國(guó)微軟公司的支持，兩者將建立長(zhǎng)期合作關(guān)系。很多學(xué)者也在進(jìn)行這方面的研究，例如文獻(xiàn)[3]將計(jì)算思維的關(guān)注點(diǎn)分離方法引入到軟件工程課程中，文獻(xiàn)[4]探討了如何引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算思維解決離散數(shù)學(xué)中的相關(guān)問(wèn)題。2010年7月，教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)發(fā)布了《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》，并多次提出過(guò)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革意見(jiàn)，確定了以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革目標(biāo)[5]。中國(guó)科學(xué)院院士陳國(guó)良教授對(duì)計(jì)算思維的教學(xué)也給出了一些具體建議，其中包括課程的構(gòu)建、地位、性質(zhì)、任務(wù)、基本要求以及教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)原則等[6]，為計(jì)算思維教學(xué)指出了一條可探索的路徑和方向。

2 基于計(jì)算思維的教學(xué)模式

傳統(tǒng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)模式是基于計(jì)算機(jī)科學(xué)中的學(xué)科來(lái)劃分課程或課程教學(xué)單元的，其顯著特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)一個(gè)教學(xué)單元講授一個(gè)知識(shí)，忽略了不同課程之間或課程單元之間的相互聯(lián)系。至于一門(mén)課程和另一門(mén)課程之間的關(guān)聯(lián)，則往往需要學(xué)生在學(xué)習(xí)新課程的過(guò)程中基于已掌握的知識(shí)自行去體會(huì)和理解。這主要是由于大多數(shù)講授計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教師在講課過(guò)程中更傾向于傳授專(zhuān)業(yè)知識(shí)、強(qiáng)調(diào)理論與細(xì)節(jié)。要求非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生僅憑兩三門(mén)課程就掌握計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生幾年才能掌握的專(zhuān)業(yè)知識(shí)是不可能的。顯然，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是不適應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的要求的。因此，我們?cè)噲D采用一種新的教學(xué)模式——計(jì)算思維教學(xué)模式來(lái)代替原教學(xué)模式。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要針對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、深入研究。這種教學(xué)方式的教學(xué)目標(biāo)涉及對(duì)相關(guān)知識(shí)、概念、原理的理解與掌握，因此應(yīng)將科學(xué)問(wèn)題作為探索過(guò)程來(lái)講授，可以讓學(xué)生在探究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律，掌握科學(xué)方法，以此培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和探究精神。將計(jì)算思維融入探究式教學(xué)中，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)會(huì)運(yùn)用計(jì)算思維方法，更好地發(fā)揮二者的效力。

計(jì)算思維教學(xué)模式的目標(biāo)并不是要求學(xué)生掌握更多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，而是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。在教學(xué)中應(yīng)融入計(jì)算思維的理念，利用啟發(fā)式推理來(lái)尋求解答，在不確定的情況下進(jìn)行規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度，讓學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如，教師在課堂上不試圖去重點(diǎn)講解某一具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)或各種名詞、概念，而是利用該知識(shí)點(diǎn)作為切入點(diǎn)，著重介紹方法和技術(shù)演變進(jìn)步過(guò)程中的思維方法，即計(jì)算思維的方法。采用模塊化教學(xué)方法，將傳統(tǒng)的課程結(jié)構(gòu)分解為各教學(xué)模塊，使知識(shí)本身不再是教材、教學(xué)或考試的重點(diǎn)，而是將知識(shí)包裝在模塊中，通過(guò)建立耦合的方法或?qū)Ⅰ詈下?lián)系本身作為教材或教學(xué)的重點(diǎn)，來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

計(jì)算思維教學(xué)模式由引導(dǎo)教學(xué)模式和主動(dòng)教學(xué)模式構(gòu)成。在引導(dǎo)教學(xué)模式中，教師講授必需的方法、技能，但要同時(shí)設(shè)立問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題，并為學(xué)生提供學(xué)習(xí)策略上的引導(dǎo)。在主動(dòng)教學(xué)模式中，學(xué)生根據(jù)教師提出的問(wèn)題自主思考解決問(wèn)題的方法，教師適時(shí)地為學(xué)生提供幫助。兩者相輔相承，同時(shí)引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。引導(dǎo)教學(xué)模式主要適用于課堂環(huán)節(jié)，而主動(dòng)教學(xué)模式主要應(yīng)用在課下及實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

2.1 引導(dǎo)教學(xué)模式

引導(dǎo)教學(xué)模式中含多個(gè)教學(xué)模塊。計(jì)算思維并不是由一門(mén)課程就能夠培養(yǎng)出來(lái)的，一般學(xué)校都開(kāi)設(shè)多門(mén)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程。傳統(tǒng)教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容以理論知識(shí)為主。計(jì)算機(jī)教材中充滿了各種概念、名詞、術(shù)語(yǔ)和定義，學(xué)生往往知其然而不知其所以然。采用引導(dǎo)教學(xué)模式，在教材中應(yīng)盡量少地羅列敘述范疇內(nèi)的名詞術(shù)語(yǔ)。計(jì)算思維教學(xué)模式要求盡量不去強(qiáng)調(diào)這些名詞術(shù)語(yǔ)，而是將這些名詞術(shù)語(yǔ)歸類(lèi)后作為作業(yè)要求學(xué)生去了解，并不要求學(xué)生完全理解和掌握。傳統(tǒng)教學(xué)模式中，為了使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，通常采用作業(yè)作為補(bǔ)充，多以填空、選擇等形式出現(xiàn)，主要目的掌握概念或名詞、術(shù)語(yǔ)，這種作業(yè)無(wú)論從形式還是從內(nèi)容上均無(wú)法滿足培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的要求。因此，合理地選取知識(shí)點(diǎn)十分重要。分解傳統(tǒng)的課程結(jié)構(gòu)，改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，清晰地劃分和定義其邊界，重新構(gòu)造教學(xué)模塊，去除不必要的擴(kuò)充和延展。

模塊之間的聯(lián)系是教學(xué)的重點(diǎn)，這種聯(lián)系能夠體現(xiàn)模塊間的邏輯關(guān)系，描述出知識(shí)之間的聯(lián)系，讓學(xué)生能夠知其所以然。例如，把多門(mén)課程的不同知識(shí)點(diǎn)整合為一個(gè)模塊，在作業(yè)中要求學(xué)生了解相關(guān)的構(gòu)成方式及其技術(shù)變遷過(guò)程。需要特別指出的是，知識(shí)或技術(shù)的發(fā)展軌跡及其發(fā)展過(guò)程中所運(yùn)用的計(jì)算思維方法是關(guān)鍵部分所在。學(xué)生在完成作業(yè)的過(guò)程中需要利用網(wǎng)絡(luò)查閱資料和參考書(shū)，在認(rèn)識(shí)或理解技術(shù)逐步發(fā)展的過(guò)程中，需要找到其中所運(yùn)用的方法，這是計(jì)算思維逐步深入的過(guò)程。

2.2 主動(dòng)教學(xué)模式

主動(dòng)教學(xué)模式中保留了為課堂教學(xué)服務(wù)的功能，增加了適應(yīng)計(jì)算思維教學(xué)的功能。通過(guò)學(xué)生主動(dòng)思考、主動(dòng)探究解決方法，進(jìn)一步深化計(jì)算思維的應(yīng)用。主動(dòng)教學(xué)模式通過(guò)由淺入深、逐步深入的方式引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。先在小的范圍內(nèi)讓學(xué)生掌握所需的方法和技術(shù)，然后對(duì)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多知識(shí)點(diǎn)、多學(xué)科融合，以達(dá)到培養(yǎng)計(jì)算思維能力的目的。組成思路如下:首先，由初步的操作型引進(jìn)問(wèn)題，例如可以通過(guò)文檔操作、數(shù)據(jù)處理等基礎(chǔ)操作來(lái)了解現(xiàn)在應(yīng)用狀況。學(xué)生在操作過(guò)程中，可以對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分解;然后，針對(duì)困難所在，利用計(jì)算方法、數(shù)據(jù)采集及處理等對(duì)基礎(chǔ)操作進(jìn)行優(yōu)化，也可以對(duì)設(shè)想問(wèn)題進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證過(guò)程中，學(xué)生能夠站在更高的層次上來(lái)看待問(wèn)題;最后，針對(duì)近似于面向解決實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新型模塊，學(xué)生可以獨(dú)立提出完整的機(jī)制，利用現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)方案、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)手段，完成從底層到應(yīng)用的全方位思考，讓學(xué)生能夠在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中找到高效率、高準(zhǔn)確率的實(shí)驗(yàn)方法。

3 結(jié)語(yǔ)

利用計(jì)算思維解決問(wèn)題將是未來(lái)社會(huì)每個(gè)人都需具備的基本技能。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展將使計(jì)算思維得以普及，計(jì)算思維不僅適用于科學(xué)家，也適用于每一個(gè)普通人。學(xué)習(xí)和思維是緊密聯(lián)系在一起的，不是彼此獨(dú)立的。對(duì)計(jì)算思維的掌握會(huì)讓學(xué)生的學(xué)識(shí)不再局限于專(zhuān)業(yè)技術(shù)，能夠讓學(xué)生學(xué)會(huì)創(chuàng)造，而不僅僅是簡(jiǎn)單應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。

[1]Jeannette M.，Wing.Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006，49(3):18 －22.

[2]Pat Philips.Computational Thinking:A problem －solving tool for every class room[EB/OL].(2009－10－01)[2015－03－03].http://www.csta.acre.org/Resources/sub/ResourceFiles/ComputationalThinking.pdf.

[3]牟琴，譚良.計(jì)算思維的研究及其進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011(3):10 －15，50.

[4]李廉.計(jì)算思維——概念與挑戰(zhàn)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2012(1):7 －12.

[5]董榮勝.計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2009(4):50－52.

[6]陳國(guó)良，董榮勝.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J].中國(guó)大學(xué)教育，2011(1):7－11.