淺談大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程中計算思維的培養(yǎng)

鄭蕓 顧沈明

摘要：計算思維是人類求解問題的一條途徑，計算思維能力，不僅是計算機專業(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，本文從大學(xué)的“計算機基礎(chǔ)”課程的理論教學(xué)、軟件教學(xué)、實踐教學(xué)三方面探討計算思維的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：計算思維；計算機基礎(chǔ)；教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）10-0100-03

“計算思維”（computational thinking）[1][2]是美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在2006年3月美國計算機權(quán)威期刊Communications of the ACM雜志上首先給出的，周教授認為：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、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。2010年周教授又給出了計算思維的正式定義，認為：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。[3]

在CNCC 2011特邀報告中，中國計算機學(xué)會（CCF）會士、中國科學(xué)院院士、中國科技大學(xué)及深圳大學(xué)教授陳國良認為，計算思維不僅僅是計算機科學(xué)家應(yīng)該具備的能力，并且是每一個人都應(yīng)該熱心地學(xué)習(xí)和運用的一種普遍的認識和一類普適的能力。[4]

計算思維的意義

計算思維中的“計算”是廣度的含義，理解為人類求解問題的方法和途徑。隨著全球信息化的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)（包括物聯(lián)網(wǎng)）延伸到社會的各個角落，“計算機”變得無處不在、無事不用，并且目前數(shù)據(jù)的積累變得容易化、簡單化，使計算思維越來越成為人們認識問題和解決問題的重要思維方式之一。[5]

計算思維也不同于人們追求的數(shù)學(xué)思維、實證思維，計算思維蘊含著一整套解決一般問題的方法與技術(shù)[6]；計算思維反映了計算機學(xué)科最本質(zhì)的特征和最核心的解決問題的方法；計算思維也為不同專業(yè)提供了獨特的處理問題的思維方式及解決專業(yè)問題的有效方法和手段。

計算思維能力的培養(yǎng)

計算思維實際上是一個思維的過程，計算思維能力是從計算思維的角度進行思考的能力。在教學(xué)中培養(yǎng)計算思維能力，能提高學(xué)生創(chuàng)新和發(fā)明的能力，提升學(xué)生的信息素養(yǎng)，使學(xué)生能夠?qū)Λ@取的各種信息通過自己的思維進行深層次的加工處理后產(chǎn)生新信息。[7]目前，在計算機教學(xué)中加強計算思維能力的培養(yǎng)已得到越來越多的高校教師的理解和支持，并且在教學(xué)中進行了不斷嘗試和探索。下面筆者就在大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程的理論教學(xué)、軟件教學(xué)和實踐教學(xué)中有目的、有意識地實施計算思維能力的培養(yǎng)這一問題談一些自己的體會和想法。

大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程教學(xué)是面向高校新生、全校性、第一層次的計算機基礎(chǔ)知識和基本技能的普及教育，但隨著目前中小學(xué)階段計算機基礎(chǔ)教學(xué)普及率的逐漸提高以及電腦的家庭化程度越來越高，大多數(shù)學(xué)生對計算機的初級應(yīng)用已經(jīng)有所了解，如果在大學(xué)階段再重復(fù)地進行教學(xué)，既浪費了教學(xué)時間又影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，針對這種現(xiàn)狀，大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程教學(xué)的培養(yǎng)目標，不僅在于強化計算機基礎(chǔ)知識和應(yīng)用技能，更重要的應(yīng)是在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

1.理論教學(xué)

大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程理論部分主要包括了信息與計算機基礎(chǔ)知識、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識等內(nèi)容，這部分內(nèi)容涉及面廣、概念術(shù)語多，但由于受學(xué)時和學(xué)生的基礎(chǔ)限制，又較難展開，進行深入講解?？扇绻诮榻B基礎(chǔ)知識的同時，有意識地設(shè)置一些問題，采用問題驅(qū)動的方式，引導(dǎo)學(xué)生有效思考、積極討論，鼓勵學(xué)生回答問題并探索解決問題的方法，能使學(xué)生通過思考問題和解決問題，逐步養(yǎng)成計算思維。

挖掘大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程的教學(xué)內(nèi)容，筆者發(fā)現(xiàn)其中很多知識點和案例隱藏著計算思維的思想，從這些知識中引出思考點，在教學(xué)中將知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥R的計算思維培養(yǎng)，能使學(xué)生逐步建立起基于計算思維的知識體系。比如，①十進制數(shù)轉(zhuǎn)化為二進制，采用整數(shù)部分“除二取余”、小數(shù)部分“乘二取整”的方法，教師在傳授方法的同時，引導(dǎo)學(xué)生進一步思考二進制整數(shù)部分為何從后往前或從下往上表示，而小數(shù)部分卻從前往后或從上往下表示，并且如何利用計算機存儲特點實現(xiàn)進制轉(zhuǎn)化？②CPU（中央處理器）中的計算器有一個以2為模的加法器，但加法器也可作減法運算，它的原理是什么？③在計算機硬件中，高速的CPU的工作頻率和內(nèi)存存取速度不匹配，科學(xué)家是如何解決這一問題的，里面包含了一種什么思想？并且進一步舉例說明提前預(yù)置緩沖思想在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。④介紹操作系統(tǒng)幾大功能模塊的作用時，從計算思維的角度講解功能模塊是如何管理資源的，從中可以介紹一些如哲學(xué)家進餐、理發(fā)師睡覺等問題，這些問題也是操作系統(tǒng)文化中膾炙人口的經(jīng)典問題。⑤綜述程序設(shè)計語言時，面向過程與面向?qū)ο笫墙鉀Q問題的兩種不同的思想和方法，通過舉例比較分析，啟發(fā)學(xué)生用不同的角度去審視事物和問題，沖破慣性思維，從中樹立一種新的思考問題的思路和方法，從而拓展學(xué)生看問題的視角和思維。

2.軟件教學(xué)

目前大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程中軟件教學(xué)內(nèi)容約占整個教學(xué)計劃的二分之一，主要的軟件學(xué)習(xí)包括Word、Excel和PowerPoint等，而這三個通用應(yīng)用軟件也是學(xué)生今后學(xué)習(xí)、工作必備的工具。在軟件教學(xué)中，通常強調(diào)的是工具使用的方法，也就是操作的具體步驟和過程，即操作技能的學(xué)習(xí)，而刻板的操作技能意味著簡單的機械重復(fù)，但計算思維是根本的、不是刻板機械的技能。所以，在軟件教學(xué)中，在進行操作技能學(xué)習(xí)的同時，也要重視“軟件中思想的教學(xué)”，即軟件的結(jié)構(gòu)、共性的、基本概念的學(xué)習(xí)及其實用性的體現(xiàn)，一方面靈活運用概念提高操作能力，另一方面通過案例實用性提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。例如，可以從以下幾個方面入手：①概念是基礎(chǔ)。因為Office版本在不斷升級，界面、操作方法等內(nèi)容會不斷更新變化，唯有概念性的內(nèi)容變化較少，由于概念一般相對穩(wěn)定，所以掌握了概念，也就提高了學(xué)生學(xué)習(xí)和適應(yīng)新知識的能力。②概念的應(yīng)用。軟件中的概念的理解有助于對操作的掌握和靈活運用，如在Word中只要理解和掌握了“節(jié)”和“域”這兩個概念及其操作，則Word軟件大多數(shù)高級應(yīng)用就可以把它看作是“節(jié)”和“域”的應(yīng)用。③概念的遷移。概念的遷移包括縱向遷移（版本的升級）和橫向遷移（Word、Excel、PPT有一些相通相似的概念），這些概念在Office不同的軟件中具有相同或相似的含義和操作，如模板、樣式、頁眉頁腳、批注、宏等一些概念和操作。④概念的區(qū)別。例如，在PowerPoint中注重了解母板、模板、主題、版式、背景等一些概念術(shù)語的區(qū)別，理解了這些概念，才能靈活操作和運用。

3.實踐教學(xué)

大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程的上機實踐也是教學(xué)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，由于實踐課時的刪減，一部分實踐內(nèi)容須安排學(xué)生課后去完成，學(xué)生完成任務(wù)的過程，既是求解問題的過程，也是計算思維逐步養(yǎng)成的過程。實踐教學(xué)可從以下幾方面入手：①任務(wù)的布置。教師在布置任務(wù)時有目的地布置一些遞進性題目和開放性題目，遞進性題目漸進輔墊引導(dǎo)學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)，開放性題目發(fā)揮學(xué)生的發(fā)散思維和創(chuàng)新思維。②方法和技巧傳授。每種軟件都有自己的操作特點和常用的方法和技巧，如Excel，只有充分理解了Excel的函數(shù)、公式、數(shù)組各自的含義、操作方法、表達式和輸入規(guī)則等，才能在此基礎(chǔ)上靈活運用、舉一反三。③搜索工具的使用。充分利用網(wǎng)絡(luò)資源搜索自己需要的信息進行學(xué)習(xí)，這是網(wǎng)絡(luò)時代學(xué)生獲取知識的一種重要途徑，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的信息檢索能力。④組建學(xué)習(xí)QQ群。通過社交媒體使學(xué)生之間、師生之間實時互動、互相學(xué)習(xí)、互相探討。⑤建設(shè)一個大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程在線助學(xué)管理平臺。通過該平臺實現(xiàn)在線學(xué)習(xí)、布置作業(yè)、作業(yè)管理、發(fā)布消息、留言等功能。

結(jié)束語

大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程是一門既有理論又有實踐的學(xué)科，在“計算機基礎(chǔ)”課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，是一個新的課題。對教學(xué)各個環(huán)節(jié)進行有針對性和系統(tǒng)性的組織和設(shè)計，能進一步提升和豐富教學(xué)的內(nèi)涵和意義，這既是培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的重要途徑，也是大學(xué)“計算機基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革的目標之一。

參考文獻：

[1]Jeannette M. Wing. computational thinking[J].Communications of the ACM， march 2006.

[2]Jeannette M. Wing. computational thinking and thinking about computing philosophical transactions[J].series a， July 2008.

[3]Jancanny， LarrySnyder， Jeannette M. Wing. Demystifying CT for non-computer scientists[J].Work in progress， 2010.

[4]陳國良.計算思維[J].中國計算機學(xué)會通訊，2012（1）.

[5]李曉明，蔣宗禮，等.積極研究和推進計算思維能力的培養(yǎng)[J].計算機教育，2012（5）：1.

[6]蔣宗禮.計算思維之我見[J]中國大學(xué)教學(xué)，2013（9）.

[7]李波.計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012（7）.