基于計算思維的信息化思維課程教學(xué)研究

趙衛(wèi)東 蔣丹妮

摘要：以計算思維為核心的信息化思維已經(jīng)成為推動社會進(jìn)步的重要因素之一，是大學(xué)生信息化思維培養(yǎng)的重要組成部分。文章以計算思維為基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)科特點的教學(xué)改革理念構(gòu)建分層次的課程內(nèi)容體系和項目式教學(xué)模式，借助于MOOC平臺，根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)知識和學(xué)科特點，將課堂上計算思維基礎(chǔ)知識的傳授過程轉(zhuǎn)移到線上完成，為學(xué)生提供個性化的自主式學(xué)習(xí)過程

關(guān)鍵詞：計算思維；信息化思維；MOOC；課程改革

0、引言

隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，人們以形形色色的方式生活在網(wǎng)絡(luò)社會中，學(xué)習(xí)和思維方式也悄然改變。計算機科學(xué)在生活各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使得人們迫切希望借助計算機更好地完成工作，尤其是在大數(shù)據(jù)時代，科學(xué)研究工作更需要各類信息技術(shù)作為支撐，以帶來新的思路和方法。電子商務(wù)、密碼學(xué)、生物計算機等交叉學(xué)科交叉專業(yè)的不斷涌現(xiàn)進(jìn)一步表明計算機科學(xué)在各個專業(yè)發(fā)展中舉足輕重的地位。提高信息素養(yǎng)和信息技術(shù)使用水平是適應(yīng)信息化社會發(fā)展的必然要求，然而在當(dāng)前各學(xué)科的計算機專業(yè)教育及計算機基礎(chǔ)教育的教學(xué)中還存在很多問題。例如，計算機教學(xué)多采取“理論+操作”的教學(xué)方式，偏重對知識和技能的灌輸，對信息化思維的培養(yǎng)重視不足。另外，很多高校沒有采用分類、分層次的系統(tǒng)化教學(xué)體系，難以針對不同專業(yè)和不同層次的學(xué)生制訂相應(yīng)的培養(yǎng)計劃和目標(biāo)，影響學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

為了更好地迎接信息化時代的到來，讓我國專業(yè)人才的儲備與國際接軌，計算機基礎(chǔ)教育和計算機專業(yè)教育不能僅僅從技術(shù)和知識水平的角度進(jìn)行改革，必須從更高層次的思維維度深化和提高。傳統(tǒng)以技能為核心的計算機教學(xué)缺乏對學(xué)生計算意識和計算思維的培養(yǎng)，尤其是對非計算機專業(yè)的學(xué)生。許多人錯誤地將計算機科學(xué)理解成計算機編程，在學(xué)習(xí)和實踐的過程中只見樹木不見森林?，F(xiàn)代計算機教育需要以計算思維的培養(yǎng)為核心，圍繞著提升學(xué)生的計算思維開展教學(xué)工作，將思維培養(yǎng)囊括進(jìn)“知識+能力”的培養(yǎng)框架，全面提高學(xué)生的信息化素養(yǎng)。此外，如何針對各專業(yè)學(xué)生的特點，培養(yǎng)學(xué)生的信息化思維和創(chuàng)新精神，是各高校當(dāng)前面臨的重要問題。信息化思維教學(xué)是適應(yīng)數(shù)字化、信息化和計算機發(fā)展，培養(yǎng)高層次的優(yōu)質(zhì)復(fù)合型和通用型人才的必然訴求，而計算思維是整個信息化思維的核心，可為學(xué)生提供新視角和新方法，對其學(xué)習(xí)和就業(yè)都具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，國內(nèi)一些高校已經(jīng)開設(shè)了計算思維課程，出版了多本相關(guān)教材。從這些課程和數(shù)材的內(nèi)容看，大多還局限在計算思維的基本概念、辦公自動化軟件的使用、計算機軟硬件知識、算法和編程初步以及計算文化等。然而，對于計算思維能力的培養(yǎng)，尤其是如何將計算思維應(yīng)用到實際項目的討論甚少，學(xué)生難以從龐雜的現(xiàn)象中抽象概括并分析問題的本質(zhì)，為此，斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院等國外名校紛紛開設(shè)MOOC課程，強化設(shè)計思維（design thinking）以及從實際問題中抽象出數(shù)學(xué)模型并給出優(yōu)化問題解的能力培養(yǎng)方案。這不僅強調(diào)學(xué)生對實際問題進(jìn)行創(chuàng)新思考能力的培養(yǎng)，還對團(tuán)隊協(xié)作智能的培養(yǎng)有所幫助，同時也是當(dāng)今社會對各專業(yè)人才的基本要求。在吸收國內(nèi)外相關(guān)課程建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院從2009年開始面向全校開設(shè)本科教育通識核心課程“信息化思維”，內(nèi)容涉及計算思維、互聯(lián)網(wǎng)思維和設(shè)計思維，以培養(yǎng)學(xué)生信息化時代的思維方法為核心。幾種思維及能力培養(yǎng)的關(guān)系如圖1所示。

1、以計算思維為基礎(chǔ)的信息化思維課程建沒

1）計算思維。

曾任美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任的周以真教授于2006年3月提出計算思維的概念：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)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(xué)之廣度的一系列思維活動；在2010年又重新給出計算思維的定義：計算思維是與形式化問題及其解決方案相關(guān)的一個思維過程，其解決問題的表示形式應(yīng)該能有效地被信息處理代理執(zhí)行。計算思維反映了計算機學(xué)科的核心方法和本質(zhì)，從計算思維的角度講授計算機科學(xué)或許是更為普適的一般學(xué)科思想與方法，這一理念在國內(nèi)外教育界得到廣泛支持。ACM前主席Denning教授曾指出：“計算思維并不是計算機科學(xué)唯一和獨有的特征，如果人們不謹(jǐn)慎地認(rèn)識和看待它，那么它將會把人們引向思維的陷阱”。同時，他認(rèn)為計算過程是信息處理的過程，在自然界中無處不在。由于計算思維所代表的是一種普遍的狀態(tài)和通用技能，而不僅僅是計算機科學(xué)家所具有的，因此每一個人都應(yīng)該學(xué)習(xí)和運用計算思維，使之成為一種常識。這與本科牛通識教育課程培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和對不同的學(xué)科有所認(rèn)識，最終將不同知識融會貫通的目的相一致。

利用計算思維能夠引導(dǎo)學(xué)生在不確定的情況下規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度，從而完成龐雜的學(xué)習(xí)任務(wù)或者設(shè)計復(fù)雜的系統(tǒng)，并利用啟發(fā)式推理獲得問題的最佳解決方案。需要注意的是，區(qū)別于向?qū)W生灌輸死板的技能或是機械地重復(fù)，課程建設(shè)過程中我們強調(diào)在抽象的多個層次上進(jìn)行思維活動。為了讓學(xué)生能夠?qū)⒂嬎闼季S視為一種思維習(xí)慣而不是空洞的理論，我們必須在教學(xué)過程中貫穿計算思維的培養(yǎng)。計算機基礎(chǔ)課程講授的不僅僅是編程語言和軟件開發(fā)的技能技術(shù)，實際上更是基于抽象級環(huán)境的問題求解過程，其本身固有的特性對計算思維的培養(yǎng)具有重要意義。為了使計算思維對信息化思維課程教學(xué)起到更好的促進(jìn)作用，教師需要在教學(xué)過程中以計算思維為核心對教學(xué)的方法、內(nèi)容和過程進(jìn)行重新組織和調(diào)整，從而使學(xué)生在掌握計算機基礎(chǔ)理論的同時得到足夠多的汁算思維訓(xùn)練，更加突出計算思維在綜合教學(xué)培養(yǎng)中的運用。

2）信息化思維課程建設(shè)。

信息化思維，英文翻譯為thinking in inform-ation society，意思是信息化時代如何更好地優(yōu)化思維方法，提高學(xué)生未來工作后業(yè)務(wù)決策和科研的能力。信息化思維利用現(xiàn)代信息技術(shù)如云計算、大數(shù)據(jù)分析等，對企業(yè)商務(wù)模式進(jìn)行創(chuàng)新性思考，以求差異化帶來競爭的優(yōu)勢。這種思維以計算思維為基礎(chǔ)，強調(diào)運用計算機科學(xué)基礎(chǔ)概念解決實際問題的能力。同時，如圖1所示，信息化思維還包含設(shè)計思維和互聯(lián)網(wǎng)思維，設(shè)計思維以“在行動中進(jìn)行創(chuàng)意思考”的方式理解問題產(chǎn)生的原因并催生洞察力及解決方法，強調(diào)群體合作和創(chuàng)新能；互聯(lián)網(wǎng)思維則是對全生態(tài)重新審視的一種思考方式。計算思維、設(shè)計思維與互聯(lián)網(wǎng)思維相互促進(jìn)，共同構(gòu)建信息化思維的核心內(nèi)容。信息化思維在行業(yè)中的應(yīng)用多種多樣，如在互聯(lián)網(wǎng)商務(wù)模式創(chuàng)新中常用的一些方法、使用計算思維對現(xiàn)實問題進(jìn)行深層次分析以便得到優(yōu)化的解決方案等。

在信息化思維的教學(xué)中，教師除了應(yīng)教會學(xué)生計算機基礎(chǔ)知識和技能外，還要培養(yǎng)學(xué)生利用計算思維解決學(xué)科問題的能力。計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革需要注意將形象思維、邏輯思維與計算思維相結(jié)合，讓學(xué)生掌握利用計算思維和計算工具解決領(lǐng)域問題的思路，培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)與能力。對于以計算思維為基礎(chǔ)的信息化思維課程建設(shè)，課堂討論的方法可以拓展到研究領(lǐng)域，包括每個專業(yè)的科研研究。畢竟科研也是一項創(chuàng)新性的活動，無論是新問題的提出，還是問題的新求解方法，都需要創(chuàng)新意識和計算思維的指導(dǎo)。這就要求我們能夠在信息時代充分掌握信息，對問題進(jìn)行抽象并在此基礎(chǔ)上利用抽象的思維方法，得出創(chuàng)新的成果，因此信息化思維對于各科學(xué)生的發(fā)展都是不可少的。

結(jié)合上述幾點，我們確立“以計算思維為基礎(chǔ)、結(jié)合學(xué)科特點”的教學(xué)改革理念，改革的目標(biāo)是全面培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和創(chuàng)新意識，提高學(xué)生利用計算思維解決學(xué)科實際問題的能力，提倡學(xué)生把計算思維應(yīng)用到各個學(xué)科解決實際問題。教學(xué)改革的目的在于更高效地利用有限的學(xué)時，以信息化社會幾種典型的創(chuàng)新性思維方式討論為主線，結(jié)合實際案例并進(jìn)行適量實驗，討論企業(yè)信息化過程中這些思維方式的魅力，揭示創(chuàng)新的機理，致力于使計算思維成為一種常識。

2、信息化思維課程教學(xué)模式探究

為了使“以計算思維為基礎(chǔ)、結(jié)合學(xué)科特點”的教學(xué)改革理念充分融入課堂并順利實施，筆者以信息化思維的培養(yǎng)為中心，結(jié)合學(xué)生的個性特點，從課程的內(nèi)容體系、教學(xué)方式、教學(xué)平臺等方面探究信息化思維課程的教學(xué)模式，從而使信息化思維課程與其他計算機基礎(chǔ)課程緊密協(xié)調(diào)，創(chuàng)建符合本科教育通識類核心課程特色的計算思維教學(xué)體系。

1）分層次的課程內(nèi)容體系構(gòu)建

在當(dāng)前的計算機基礎(chǔ)課程體系基礎(chǔ)上，教師可圍繞著信息化思維的培養(yǎng)創(chuàng)建分層次的課程體系，確立各知識層次的教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)。該課程體系包括3個層次：基礎(chǔ)層、專業(yè)層和學(xué)科層，如圖2所示。

在基礎(chǔ)層開設(shè)所有專業(yè)學(xué)生都需要學(xué)習(xí)的計算機基礎(chǔ)課程，包括操作系統(tǒng)、Word、Exccl、PPT、多媒體基礎(chǔ)等，培養(yǎng)學(xué)生基本的計算機知識和軟件操作技能，同時在本階段開設(shè)計算思維導(dǎo)論，介紹計算思維的起源、概念和基本方法，引導(dǎo)學(xué)生形成初步的信息化思考意識。專業(yè)層以選修課的形式開設(shè)計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、圖像處理、網(wǎng)頁設(shè)計等高級計算機應(yīng)用課程，供學(xué)生根據(jù)自身學(xué)科需要和興趣選擇。目的在于培養(yǎng)學(xué)生運用軟件解決問題的動手能力并進(jìn)一步提高計算機科學(xué)素養(yǎng)，同時啟發(fā)學(xué)生在解決實際問題的過程中理解和運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念。學(xué)科層著重培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，即利用計算思維解決學(xué)科實際問題的能力，如市場營銷專業(yè)的學(xué)生可以利用或設(shè)計數(shù)據(jù)分析算法，對客戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)字營銷。學(xué)科層的課程設(shè)置可以因材施教，滿足不同專業(yè)、不同基礎(chǔ)學(xué)生的需要。

信息化思維課程的教學(xué)主要集中在學(xué)科層，通過與各個學(xué)科的教學(xué)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生利用信息化思維方法解決具體學(xué)科問題的能力，最終實現(xiàn)從知識、能力的提升到計算思維的培養(yǎng)。學(xué)科層通過開設(shè)與學(xué)科聯(lián)系緊密的信息化思維和計算機課程，幫助學(xué)生理解并掌握計算思維在自身學(xué)科中的應(yīng)用，促進(jìn)計算機科學(xué)在各個學(xué)科中的滲透。整個課程體系凸顯以計算思維培養(yǎng)為核心和多層次、全方位的培養(yǎng)理念，有望顯著提高學(xué)生的信息化素養(yǎng)和能力。

2）項目式教學(xué)。

我們在分層次的課程內(nèi)容體系下，對信息化思維課程的教學(xué)方式進(jìn)行探究。計算思維的本質(zhì)是對問題的抽象即抽象思維，如何引導(dǎo)學(xué)生對實際問題進(jìn)行抽象，利用計算思維進(jìn)行專業(yè)問題求解是教學(xué)的難點。對學(xué)生而言，掌握計算機知識很容易，但將這些知識貫通形成思維并最終化為能力則需要不斷訓(xùn)練，為此課程改革擬采取項目式教學(xué)的方式，以任務(wù)為驅(qū)動，幫助學(xué)生在完成項目的過程中鍛煉信息化思維能力。

以計算思維為核心的信息化思維培養(yǎng)的關(guān)鍵就是把計算思維看作求解問題的過程性思維，包括發(fā)現(xiàn)問題、確定問題和求解問題，并能夠清楚地描述求解問題的操作規(guī)則和問題約束。項目式教學(xué)模式則通過引入任務(wù)或教學(xué)情景展開教學(xué)，以電子商務(wù)物流配送的路徑規(guī)劃為例，根據(jù)具體網(wǎng)商的客戶分布、以往交易情況以及交通地理數(shù)據(jù)設(shè)計合理的配送網(wǎng)絡(luò)，這實際上是很多智能物流項目要解決的問題。通過教師分配項目和學(xué)生分析項目、完成項目、總結(jié)項目的模式，學(xué)生可以提高利用信息化思維分析問題并利用計算機解決問題的能力。整個教學(xué)過程中，教師主要扮演任務(wù)引導(dǎo)和思路總結(jié)的角色，而學(xué)生則成為整個課堂的中心，充分鍛煉思維能力。

項目式教學(xué)的另一大優(yōu)勢是讓學(xué)生在實踐中領(lǐng)悟計算思維的本質(zhì)。文獻(xiàn)中認(rèn)為身份、知識、行動、能力都是實踐參與的產(chǎn)物，實踐參與是豐富學(xué)習(xí)體驗的重要手段，而高度依賴教師、機械記憶和過少的自主投入會導(dǎo)致認(rèn)知理解的匱乏和無意義學(xué)習(xí)。尤其是對于以計算思維為核心的信息化思維課程教學(xué)，項目式教學(xué)不僅僅是簡單地傳授知識和技術(shù)，還可以有效規(guī)避認(rèn)知理解匱乏和無意義學(xué)習(xí)的風(fēng)險，讓計算思維在真正意義上從抽象的理論變成可操作的工具。

3） MOOC和傳統(tǒng)教學(xué)充分結(jié)合。

計算機教學(xué)內(nèi)容涉及范圍廣且知識點多，學(xué)生需要具備一定的計算機基礎(chǔ)知識才能更好地理解和掌握計算思維，而且學(xué)生的基礎(chǔ)差異較大，可能會給課堂教學(xué)內(nèi)容的組織帶來一定困難。針對這些問題，課程改革擬采用新型的在線教學(xué)模式——大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程（MOOC），將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和傳統(tǒng)的課堂教學(xué)有機結(jié)合。

借助于MOOC平臺，教師可以根據(jù)學(xué)生掌握的基礎(chǔ)知識和學(xué)科特點，將課前計算思維基礎(chǔ)知識的準(zhǔn)備、課堂任務(wù)提交、作業(yè)答疑和討論轉(zhuǎn)移到線上完成，為學(xué)生提供個性化的自主式學(xué)習(xí)過程。學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)之余能夠按照自己的步調(diào)，利用MOOC強有力的支持工具開展學(xué)習(xí)，從而完成持續(xù)的、迭代的學(xué)習(xí)和經(jīng)驗積累?；诰W(wǎng)絡(luò)空間的MOOC平臺保存了大量的學(xué)習(xí)日志和行為記錄，這將有利于學(xué)生反思學(xué)習(xí)過程和理清思路，將個體注意力從學(xué)習(xí)結(jié)果轉(zhuǎn)移到認(rèn)知過程。

在以計算思維為核心的信息化思維課程建設(shè)中，課堂教學(xué)主要針對重點和難點問題進(jìn)行討論，探討如何把計算思維的方法應(yīng)用到本專業(yè)。教師需要充分發(fā)揮課堂教學(xué)的優(yōu)勢，向?qū)W生講授計算思維的基本方法和案例分析，可在MOOC平臺上開設(shè)討論區(qū)，利用社交網(wǎng)絡(luò)調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)計算機知識的熱情，鼓勵學(xué)生在線上圍繞項目隨時隨地進(jìn)行積極的思想交流、協(xié)作和互相學(xué)習(xí)。學(xué)生通過MOOC平臺提交作業(yè)和項目報告并擁有自己的個人學(xué)習(xí)檔案，以便于制訂個性化學(xué)習(xí)方案。教師借此平臺能夠及時發(fā)現(xiàn)課堂教學(xué)過程中存在的問題并給予學(xué)生反饋意見；同時可以充分利用線上資源，對課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補充和拓展，滿足不同學(xué)生對課程知識的個性化需求。

4）課程基本內(nèi)容設(shè)計。

信息化思維課程主要介紹信息化社會幾種典型的創(chuàng)新思維方法，主要包括Apple、SAP等公司使用的設(shè)計思維方法、互聯(lián)網(wǎng)思維、計算思維等方法，并結(jié)合實際案例分析這些方法在典型企業(yè)創(chuàng)新和各學(xué)科中的應(yīng)用。互聯(lián)網(wǎng)思維的某些方面會借助計算思維的方法如大數(shù)據(jù)思維、迭代思維、極致思維、簡約思維等，在一定程度上體現(xiàn)了計算思維的精髓。設(shè)計思維以用戶為中心，利用群體的智慧，以解決方案為基礎(chǔ)不斷迭代設(shè)計以滿足用戶高體驗的需求。這種思維方法也在一定程度上支撐著互聯(lián)網(wǎng)思維的發(fā)展，如針對高校學(xué)生網(wǎng)絡(luò)購物接收快遞存在的問題，利用頭腦風(fēng)暴，由學(xué)生小組共同給出智能型的存物柜管理信息系統(tǒng)，解決物流配送難題。

通過分析信息化時代下政府、企業(yè)、個人3類不同角色所面臨的現(xiàn)狀，教師可從各個角度啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用計算思維解決實際問題，將這些思維方法滲透到汁算機學(xué)科的常用技術(shù)與解決方案中，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析的思路提升學(xué)生對實際項目的創(chuàng)新性思維與實踐能力；采用體驗式課程實驗取代傳統(tǒng)的期中考試，進(jìn)一步讓學(xué)生體會計算思維、互聯(lián)網(wǎng)思維和設(shè)計思維的實際運用。在具體的教學(xué)過程中，教師還可通過設(shè)定解決方案確認(rèn)能夠使目標(biāo)達(dá)成的足夠多的因素，優(yōu)化通往目標(biāo)的路徑，體現(xiàn)設(shè)計思維的構(gòu)思方法和過程；在移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等科技不斷進(jìn)步的基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生重新審視互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，培養(yǎng)學(xué)生的互聯(lián)網(wǎng)思維；從計算思維出發(fā)，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行有意義的深度學(xué)習(xí)。此外，教師還可通過師生研討和體驗式實驗，促使學(xué)生對解決問題的方法進(jìn)行深入思考；同時教師在MOOC平臺上補充最新的應(yīng)用案例、開源學(xué)習(xí)資料等，拓展和豐富有限課堂學(xué)時外的內(nèi)容，為學(xué)生信息化思維的培養(yǎng)創(chuàng)造良好環(huán)境。

3、結(jié)語

以計算思維為基礎(chǔ)的信息化思維已經(jīng)成為推動社會進(jìn)步的重要因素之一，是大學(xué)生創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的重要組成部分。信息化思維課程建設(shè)對于培養(yǎng)學(xué)生的群體合作能力、創(chuàng)新能力和問題求解能力有著至關(guān)重要的作用。將計算思維貫穿到信息化思維課程建設(shè)中，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)高階思維和認(rèn)知能力是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，我們需要長期規(guī)劃和統(tǒng)籌兼顧。首先，對于分層次的課程內(nèi)容體系由易到難各個擊破，打造進(jìn)階式學(xué)習(xí)體驗，巧妙地體現(xiàn)在不確定情況下規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的計算思維培養(yǎng)；其次，項目式教學(xué)模式則以任務(wù)為驅(qū)動，讓學(xué)生在完成項目的過程中培養(yǎng)信息化思維，同時，結(jié)合MOOC平臺為學(xué)生打造自主的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間，以有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性并拓展學(xué)習(xí)的廣度與深度；最后，由始至終將計算思維融人信息化思維課程建設(shè)中，讓學(xué)生學(xué)會從信息處理的角度理解并應(yīng)用專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生具有從計算機科學(xué)的角度出發(fā)解決實際問題的理念。