基于計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)的《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》課程改革與實(shí)踐

葛繼科 裴仰軍 韓琦 游明英 黃永文

摘 要：在《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》課程教學(xué)過(guò)程中注重培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算創(chuàng)造性思維，對(duì)促進(jìn)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感、提高學(xué)習(xí)興趣具有重要作用。本文把計(jì)算創(chuàng)造性思維納入到計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)過(guò)程中，從調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法和改進(jìn)考核方式等方面對(duì)基于計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)的課程教學(xué)模式進(jìn)行了探索性研究和實(shí)踐。通過(guò)對(duì)采用課程教學(xué)改革的控制組和對(duì)照組的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，基于計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)的課程教學(xué)模式教學(xué)效果顯著，為計(jì)算機(jī)專業(yè)課程教學(xué)改革提供了有益參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)導(dǎo)論；計(jì)算創(chuàng)造性思維；課程教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》課程是計(jì)算機(jī)學(xué)科相關(guān)專業(yè)的第一門(mén)導(dǎo)引性課程，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)熱情，掌握計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)方法，從而提高分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。傳統(tǒng)的《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》課程的內(nèi)容基本上是計(jì)算機(jī)學(xué)科各領(lǐng)域知識(shí)的濃縮版，內(nèi)容涉及面廣，但針對(duì)性不強(qiáng)[1]，缺乏為學(xué)生提供計(jì)算思維的訓(xùn)練，也未注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和計(jì)算機(jī)科學(xué)應(yīng)用的技能，嚴(yán)重影響了學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感和學(xué)習(xí)興趣[2]。因此，將計(jì)算創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)納入到《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》課程教學(xué)中，是激發(fā)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才的重要基礎(chǔ)。

結(jié)合應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)類(lèi)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面，探究以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算創(chuàng)造性思維能力為目標(biāo)的應(yīng)用型本科院校計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)模式，準(zhǔn)確定位教學(xué)要求，合理取舍教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生初步掌握計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解的思維方式，將為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的認(rèn)知基礎(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)改革教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算創(chuàng)造性思維，對(duì)促進(jìn)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感、提高學(xué)習(xí)興趣也具有重要作用。

2 基于計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)的課程教學(xué)模式

（The teaching mode based on training of

computational creativity thinking abilities）

2.1 計(jì)算創(chuàng)造性思維

卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授在2006年提出計(jì)算思維的概念，認(rèn)為計(jì)算思維是運(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)和人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[3]。計(jì)算思維的精髓在于運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想與方法分析問(wèn)題、行為理解、系統(tǒng)建模和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，其本質(zhì)是抽象與自動(dòng)化[4]。

創(chuàng)造性思維是指主體在創(chuàng)造性活動(dòng)中所進(jìn)行的以問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，以創(chuàng)造性人格為導(dǎo)向，綜合運(yùn)用多種思維形式，以直覺(jué)、靈感、頓悟等突發(fā)性思維為顯著標(biāo)志，具有全腦性、選擇性、類(lèi)比性、全功態(tài)性、審美性等特征，能產(chǎn)生有社會(huì)價(jià)值的新成果的思維活動(dòng)。創(chuàng)造性思維是人類(lèi)智力發(fā)展的內(nèi)在過(guò)程，可在任何場(chǎng)景下練習(xí)、激勵(lì)和開(kāi)發(fā)[5，6]。Epstein的生成理論（Generativity Theory）[5]認(rèn)為創(chuàng)造性思維由以下四個(gè)核心要素組成：知識(shí)拓寬能力（Broadening）、挑戰(zhàn)性（Challenging）、周邊環(huán)境（Surrounding）和捕捉能力（Capturing）。由此可知，Epstein描述的創(chuàng)造性思維能力是一種可廣泛應(yīng)用的技能集，這個(gè)技能集不僅為創(chuàng)造性地應(yīng)用現(xiàn)有知識(shí)和技能提供了準(zhǔn)備，還為學(xué)生參與終生學(xué)習(xí)、增強(qiáng)他們?cè)诳鐚W(xué)科背景下處理日益復(fù)雜問(wèn)題的能力奠定了基礎(chǔ)。

以計(jì)算思維和創(chuàng)造性思維為認(rèn)知手段，將兩者結(jié)合，提出新的計(jì)算創(chuàng)造性思維。計(jì)算創(chuàng)造性思維是一種在新的環(huán)境或合作者的場(chǎng)域中，通過(guò)融合計(jì)算思維和創(chuàng)造性思維，從而拓寬問(wèn)題解決方案的認(rèn)知手段。計(jì)算創(chuàng)造性思維是一種共生的能力和方法，挑戰(zhàn)性的問(wèn)題迫使學(xué)生應(yīng)用前所未見(jiàn)的、不尋常的方式使用計(jì)算手段，為新老問(wèn)題引出新的計(jì)算方法，從而利用創(chuàng)造性思維開(kāi)啟學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的理解，拓寬問(wèn)題解決方案的范圍。

計(jì)算創(chuàng)造性思維作為一種新的認(rèn)知手段和一類(lèi)普適的技能，其養(yǎng)成和訓(xùn)練是一個(gè)長(zhǎng)期、循序漸進(jìn)、潛移默化的過(guò)程，與以往的課程教學(xué)模式有著不同的要求和目標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有的教育觀念和方式提出了新的挑戰(zhàn)。如何將計(jì)算創(chuàng)造性思維的訓(xùn)練與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課有機(jī)融合，將知識(shí)的傳授轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥R(shí)的思維傳授，讓學(xué)生通過(guò)課程教學(xué)體驗(yàn)到計(jì)算創(chuàng)造性思維的價(jià)值，將對(duì)后續(xù)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)具有奠基啟發(fā)作用。因此，只有在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程中加強(qiáng)對(duì)學(xué)生計(jì)算創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，才能讓學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)中潛移默化地建立計(jì)算創(chuàng)造性思維式的思考習(xí)慣，從而提高對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)的認(rèn)知水平和解決計(jì)算機(jī)問(wèn)題的能力。

2.2 基于計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)導(dǎo)論的教學(xué)通常只注重計(jì)算機(jī)知識(shí)的傳授和應(yīng)用技能的培養(yǎng)，忽略了新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)，不能有效適應(yīng)高速發(fā)展的社會(huì)需求。在兼顧《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》原有教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，改變傳統(tǒng)“專業(yè)課程簡(jiǎn)化濃縮版”的課程內(nèi)容安排，結(jié)合計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最新理論及技術(shù)發(fā)展，以計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)為核心，把計(jì)算創(chuàng)造性思維融合到計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算創(chuàng)造性思維處理實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。按照計(jì)算創(chuàng)造性思維理念構(gòu)建計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程體系，課程內(nèi)容安排如圖1所示。

教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置重點(diǎn)放在明確專業(yè)目標(biāo)、理解專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和了解專業(yè)發(fā)展新技術(shù)等方面，簡(jiǎn)化課程中的部分基礎(chǔ)內(nèi)容，將其納入自學(xué)范圍，借助MOOC等在線課程資源，敦促學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。課程要求學(xué)生理解計(jì)算思維和創(chuàng)造性思維在問(wèn)題解決過(guò)程中所發(fā)揮的作用以及運(yùn)用計(jì)算創(chuàng)造性思維解決問(wèn)題的一般步驟。這種課程設(shè)置在強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能的理解和掌握的基礎(chǔ)上，促進(jìn)了學(xué)生計(jì)算創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)，使學(xué)生具備將一個(gè)實(shí)際問(wèn)題通過(guò)抽象、歸納、創(chuàng)新等方式，轉(zhuǎn)換為可在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中求解問(wèn)題的能力。

2.3 基于計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)的探究式教學(xué)

以培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才為目標(biāo)，在以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的探究式教學(xué)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算創(chuàng)造性思維獲取知識(shí)、訓(xùn)練技能、培養(yǎng)能力、發(fā)展個(gè)性，從而激勵(lì)、引導(dǎo)和幫助學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。同時(shí)，讓學(xué)生自主選擇對(duì)教學(xué)內(nèi)容中各知識(shí)模塊的深入發(fā)掘，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

在課堂講授過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化師資配置，吸收由不同專業(yè)背景、從事計(jì)算機(jī)研究與應(yīng)用的教師組成教學(xué)團(tuán)隊(duì)，讓精通不同專業(yè)領(lǐng)域的教師以講座、討論、工程案例等教學(xué)手段，對(duì)課程體系中涉及到的不同課題采用不同的教學(xué)手段有針對(duì)性地進(jìn)行授課，并鼓勵(lì)學(xué)生自主選擇感興趣的課題獨(dú)立搜集資料，進(jìn)行較為深入的探究，完成科技小論文的撰寫(xiě)。例如，對(duì)于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，選用講座專題形式進(jìn)行授課，不但拓展了學(xué)生的知識(shí)面，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性思維，促進(jìn)了他們對(duì)后續(xù)課程學(xué)習(xí)的積極性。再如，對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)內(nèi)容的講授，教師根據(jù)知識(shí)點(diǎn)選擇貼近學(xué)生生活的一些典型實(shí)例作為教學(xué)案例，循序漸進(jìn)，逐步啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用計(jì)算思維解決特定問(wèn)題的方式，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐切實(shí)感受計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解的基本方法和思維模式，而非程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言本身。

2.4 基于計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)的課程考核方式

計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程考核方式一般由考勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)和考試四部分組成。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算創(chuàng)造性思維能力，將考核方式分為專題討論、實(shí)驗(yàn)展示、課堂演講和課程論文四部分?？己说目傮w目標(biāo)均是圍繞培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算創(chuàng)造性思維，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力而實(shí)施。專題討論拓展了學(xué)生對(duì)某一領(lǐng)域知識(shí)學(xué)習(xí)的深度和廣度，提高了學(xué)生的計(jì)算思維能力和協(xié)作能力；實(shí)驗(yàn)展示和課堂演講激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了解決問(wèn)題的能力；課程論文鍛煉了學(xué)生分析、歸納、總結(jié)的水平，提高了學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

3 教學(xué)效果分析（Teaching effects analysis）

基于計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)的《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》課程教學(xué)改革實(shí)施以來(lái)，為了檢驗(yàn)課程改革實(shí)施效果，對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行了跟蹤調(diào)查。在未采用教學(xué)改革模式的2012級(jí)學(xué)生中隨機(jī)選取96位同學(xué)作為對(duì)照組，對(duì)采用基于計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)課程教學(xué)模式的2013級(jí)學(xué)生中隨機(jī)選取96位同學(xué)作為控制組，分別對(duì)他們進(jìn)行課程滿意度、專業(yè)認(rèn)同感、學(xué)習(xí)興趣等方面的調(diào)查，收集到的調(diào)查數(shù)據(jù)及課程考核成績(jī)分布情況如表1所示。

從表1可以看出，基于計(jì)算創(chuàng)造性思維能力培養(yǎng)的課程教學(xué)模式體現(xiàn)出如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）學(xué)生成績(jī)明顯提高。數(shù)據(jù)顯示，課程教學(xué)改革后，優(yōu)秀率由10.42%上升到23.96%，而不及格率由原來(lái)的6.25%降低到1.04%。（2）學(xué)生對(duì)教學(xué)模式改變比較滿意。由問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果可知，對(duì)改革后的教學(xué)模式的滿意度達(dá)70%以上，比改革前提高了25%。（3）提高了學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感和學(xué)習(xí)興趣。在改革后的教學(xué)模式下，學(xué)生有了更加明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)動(dòng)力，對(duì)所學(xué)專業(yè)的認(rèn)識(shí)更加明朗，明顯提高了學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感和學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)論（Conclusion）

計(jì)算創(chuàng)造性思維作為一類(lèi)普適的技能，將其引入《計(jì)算機(jī)導(dǎo)論》課程教學(xué)中，為課程教學(xué)注入了新的思路。實(shí)踐證明，以計(jì)算創(chuàng)造性思維為指導(dǎo)，通過(guò)對(duì)課程內(nèi)容、教學(xué)模式、師資配置及課程考核方式的改革，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了較好的基礎(chǔ)。當(dāng)然，計(jì)算創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，也是一個(gè)終生學(xué)習(xí)的過(guò)程，對(duì)于每一位教育工作者都應(yīng)在教學(xué)中堅(jiān)持推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 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)教學(xué)，2011（1）：7-11.

[2] 艾明晶，李瑩.以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的大學(xué)計(jì)算機(jī)課

程改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2014（5）：5-9.

[3] Wing J.M.Computational Thinking[J].Communication of the

ACM.2006，49（3）：33-35.

[4] 陸焱.新形勢(shì)下計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)改革[J].計(jì)算機(jī)教育，

2014，9（17）：20-23.

[5] Epstein R.Generativity theory and creativity[J].The ories of

Creativity.Hampton Press，2005.

[6] Miller L.D，et al.Improving learning of computational thinking

using creative thinking exercises in CS-1 computer science

courses[J].FIE 43，2013，1426-1432.

作者簡(jiǎn)介：

葛繼科（1977-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)教

育，人工智能.

裴仰軍（1978-），男，碩士，講師.研究領(lǐng)域：軟件工程.

韓 琦（1981-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)教育.

游明英（1968-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)教育.

黃永文（1970-），男，博士，講師.研究領(lǐng)域：軟件工程.