本科生計(jì)算思維課程教學(xué)思考

黃圣君

摘 要 當(dāng)前，計(jì)算思維課程已經(jīng)成為本科通識(shí)教育的重要內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)信息時(shí)代的創(chuàng)新型人才具有重要作用。本文以作者講授的計(jì)算思維課程教學(xué)現(xiàn)狀為例，分析計(jì)算思維教學(xué)中存在的問題，并從四個(gè)方面提出改進(jìn)思路：設(shè)置課程群替代單獨(dú)課程;針對(duì)不同層次學(xué)生安排分層教學(xué);更加注重思維方式的培養(yǎng);多種形式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞 計(jì)算思維 本科教學(xué) 通識(shí)教育

中圖分類號(hào)：G424?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.01.044

Thoughts on the Teaching of Computational

Thinking for Undergraduate Students

HUANG Shengjun

Abstract Computational Thinking is an important part of the general education for undergraduate students， and plays an important role in training creative talents in the information age. In this paper， the author summaries the problems occurred during his teaching of Computational Thinking， and presents some thoughts on improving the teaching， which include： replacing the single course with a set of courses; performing specific education for different students; focusing more on the way of thinking; and attracting students with various approaches.

Key words computational thinking; undergraduate teaching; general education

0 引言

大學(xué)計(jì)算機(jī)課程是大學(xué)通識(shí)教育的重要組成部分，其核心價(jià)值在于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的形成。2006 年，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授首次明確提出了計(jì)算思維（Computational Thinking，CT）的概念，①為計(jì)算機(jī)教育的改革指明了方向。2010 年7 月，在首屆“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”上，“985”首批9所高校就大學(xué)如何在新形勢(shì)下提高計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的質(zhì)量、增強(qiáng)大學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)形成4 點(diǎn)共識(shí)，提出要旗幟鮮明地把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。②

國內(nèi)高校計(jì)算機(jī)公共課程的內(nèi)容和教學(xué)方式存在相當(dāng)?shù)钠?，在很長一段時(shí)間內(nèi)，大部分課程主要局限于講授計(jì)算機(jī)的基本概念以及常用/流行軟件產(chǎn)品的使用。這些課程僅限于軟件操作訓(xùn)練式的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”及程序設(shè)計(jì)類課程，而缺乏對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)。近年來，計(jì)算思維課程逐漸得到重視，已經(jīng)在全國多所高校成為通識(shí)教育的重要內(nèi)容。與之前的軟件操作訓(xùn)練式課程不同，計(jì)算思維課程重點(diǎn)讓學(xué)生感性地認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的工作方式，培養(yǎng)用計(jì)算手段解決問題的思維方式。③

筆者所在課程組負(fù)責(zé)全校各院系大一新生的計(jì)算思維課程教學(xué)。課程組采用集中備課方式，對(duì)講授內(nèi)容與授課方式進(jìn)行了細(xì)致的討論和研究。通過一學(xué)期的教學(xué)過程，筆者對(duì)該課程中存在的一些問題進(jìn)行了總結(jié)，并給出一些自己的思考和可能的改進(jìn)方向。

1 目前存在的主要問題

計(jì)算思維課程首次面向全校范圍內(nèi)大一新生講授，在教學(xué)過程中，筆者總結(jié)出以下一些問題：

（1）教學(xué)內(nèi)容的問題。目前計(jì)算思維課程的教學(xué)內(nèi)容非常豐富，涉及到計(jì)算機(jī)專業(yè)的各個(gè)方向，比如體系結(jié)構(gòu)、算法、數(shù)據(jù)庫、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信等等。而課程的總學(xué)時(shí)數(shù)僅有24學(xué)時(shí)。雖然各部分內(nèi)容僅作介紹性講解，但時(shí)間分配上還是顯得非常緊迫。對(duì)于部分內(nèi)容，需要有一些前序知識(shí)作為基礎(chǔ)才便于學(xué)生理解，如果先介紹這些前序知識(shí)再講解則需要更多的課時(shí)分配。

（2）學(xué)生基礎(chǔ)的問題。學(xué)生在計(jì)算機(jī)方面的基礎(chǔ)差異巨大。一部分學(xué)生在中學(xué)時(shí)代已經(jīng)參加過一些計(jì)算機(jī)方面的競賽，甚至能熟練地掌握多門編程語言。與此相反的，一部分學(xué)生則沒有任何計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，有的學(xué)生甚至沒有接觸過計(jì)算機(jī)。在講授計(jì)算思維課程時(shí)，如果照顧零基礎(chǔ)的學(xué)生，講得過于簡單則會(huì)導(dǎo)致部分有基礎(chǔ)的學(xué)生喪失興趣，相反則會(huì)讓無基礎(chǔ)的學(xué)生跟不上。這樣的矛盾非常顯著而且難以克服。

（3）學(xué)習(xí)方式的問題。由于課程面向大一新生，大部分學(xué)生仍然習(xí)慣于中學(xué)傳統(tǒng)應(yīng)試教育模式。實(shí)際上計(jì)算思維的培養(yǎng)是一個(gè)長期、循序漸進(jìn)、潛移默化的過程，因此該課程的教學(xué)更強(qiáng)調(diào)宏觀的、思維的、感性的認(rèn)識(shí)。而大一學(xué)生很容易陷入細(xì)節(jié)中，專注于求解某一道題，而忽略了從整體上體會(huì)利用計(jì)算工具求解問題的思維方式。這樣的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?cè)谟?jì)算思維課程上顯得非常突出，但是對(duì)于剛從高中畢業(yè)的學(xué)生來說非常困難。

（4）學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的問題。計(jì)算思維作為一門基礎(chǔ)課程，不直接和專業(yè)相關(guān)，會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生興趣不大。另外一方面，計(jì)算思維課程屬于新開課程，其重要性并沒有得到學(xué)生的正確認(rèn)識(shí)。與專業(yè)必修課相比，學(xué)生認(rèn)為計(jì)算思維只是一門其它學(xué)院開的課程，從心理上默認(rèn)為不重要的一類課程。而與英語、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)課程相比，學(xué)生會(huì)將中學(xué)時(shí)代的認(rèn)識(shí)遷移過來，認(rèn)為高考涉及到的課程顯然更重要。因此計(jì)算思維課程雖然在學(xué)校和社會(huì)層面得到了重視，但是在學(xué)生層面仍然處于一個(gè)尷尬的地位，使得學(xué)生缺乏強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

2 思考與改進(jìn)

基于以上提及的問題，結(jié)合筆者教學(xué)過程的思考，主要提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)設(shè)想：

（1）設(shè)置課程群替代單獨(dú)課程。高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)要求非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生未來應(yīng)具備的計(jì)算能力是掌握支持各學(xué)科研究創(chuàng)新的新型計(jì)算手段并應(yīng)用計(jì)算手段進(jìn)行各學(xué)科的研究與創(chuàng)新。④不同學(xué)科專業(yè)的學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的理解與掌握方式也不盡相同。如果將目前計(jì)算思維單獨(dú)課程分解為多個(gè)課程組成的課程群，每個(gè)課程偏向于不同的方向，則有利于面向不同專業(yè)的學(xué)生提供更切合實(shí)際情況的課程教學(xué)。一方面，學(xué)生能選擇與自己專業(yè)最相關(guān)的課程，提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與興趣;另一方面，課程群中每一門課程的教學(xué)內(nèi)容相對(duì)集中，有利于在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)更加深入地講解相關(guān)內(nèi)容。實(shí)際上，像英語基礎(chǔ)教學(xué)課程就設(shè)置了口語、聽力、寫作等多種課程。計(jì)算思維的課程群則可以結(jié)合計(jì)算機(jī)二級(jí)學(xué)科方向和學(xué)校其它專業(yè)配置來進(jìn)行設(shè)置。

（2）實(shí)施可操作化的分層教學(xué)。實(shí)施分層教學(xué)有利于緩解學(xué)生之間基礎(chǔ)差異巨大的矛盾。⑤實(shí)際上這樣的教學(xué)方式在其它基礎(chǔ)課程教學(xué)中已經(jīng)被廣泛采用。例如有些高校的英語課程會(huì)根據(jù)入學(xué)考試對(duì)學(xué)生進(jìn)行分級(jí)篩選，按照不同的基礎(chǔ)水平將學(xué)生分到不同的層級(jí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。而大學(xué)數(shù)學(xué)課程則往往根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的要求和基礎(chǔ)進(jìn)行不同難度內(nèi)容的教學(xué)。類似地，計(jì)算思維課程也可以分為兩至三個(gè)層級(jí)，讓不同基礎(chǔ)水平的學(xué)生具有更多的選擇。此外，即使是同一門課程里，也可以根據(jù)學(xué)生的不同基礎(chǔ)設(shè)置不同的考試要求，以及在課后練習(xí)等方面體現(xiàn)出差異。分層次教學(xué)有利于讓所有學(xué)生都能學(xué)有所獲，同時(shí)也緩解教師在授課內(nèi)容準(zhǔn)備上的矛盾。

（3）引導(dǎo)學(xué)生掌握思維性學(xué)習(xí)方式。引導(dǎo)學(xué)生從中學(xué)時(shí)代的應(yīng)試教育學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)換為面向思維培養(yǎng)的學(xué)習(xí)方式。這種學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變不僅對(duì)計(jì)算思維課程的學(xué)習(xí)至關(guān)重要，同時(shí)也能促進(jìn)學(xué)生在大學(xué)期間其它課程學(xué)習(xí)中的主動(dòng)性。⑥具體而言，在課堂教學(xué)上，盡量關(guān)注內(nèi)在思想的揭示與貫通，而不過分強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)步驟。在課后作業(yè)及考試考核上，盡量關(guān)注對(duì)學(xué)生整體思想及思考方式的評(píng)價(jià)，而不強(qiáng)調(diào)對(duì)于細(xì)節(jié)操作和具體求解的考核。另外，應(yīng)當(dāng)充分給予學(xué)生獨(dú)立思考和發(fā)表自己看法的時(shí)間和機(jī)會(huì)。這樣學(xué)生會(huì)慢慢接受用思考的方式去理解和掌握計(jì)算思維。

（4）多種方式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)。提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)能從根本上激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性，有利于教學(xué)效果的提升。具體而言，可以從以下方式入手。首先，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維的重要性，展示計(jì)算思維廣泛運(yùn)用前景以提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。比如在講授遺傳算法時(shí)，通過展示遺傳算法在日本高鐵車頭設(shè)計(jì)中的實(shí)際效果，能夠讓學(xué)生直觀地了解該算法的效用。其次，可借助計(jì)算機(jī)歷史故事的介紹以增加課程趣味性。實(shí)際上，許多歷史故事中蘊(yùn)含著豐富的計(jì)算思維，在增加趣味的同時(shí)也有利于學(xué)生自然地接受和掌握計(jì)算思維。此外，可以強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)操作并及時(shí)反饋以增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力。在筆者的教學(xué)過程中，通過鼓勵(lì)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)制作一些自己感興趣的簡單小游戲，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。另外，可以針對(duì)不同的專業(yè)進(jìn)行學(xué)科融合，引入跨學(xué)科元素案例。例如，結(jié)合化學(xué)領(lǐng)域的Gaussian軟件來講解計(jì)算思維如何體現(xiàn)在計(jì)算工具上，能讓相關(guān)專業(yè)的學(xué)生更直接地感受到計(jì)算思維的重要性和實(shí)用性。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)本科生計(jì)算思維課程，結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)教學(xué)過程進(jìn)行了總結(jié)和思考。針對(duì)教學(xué)內(nèi)容繁多而學(xué)時(shí)有限、學(xué)生基礎(chǔ)差異顯著、學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變困難、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)缺乏等問題進(jìn)行了思考，并提出開設(shè)課程群、實(shí)施分層教學(xué)、引導(dǎo)學(xué)生改變學(xué)習(xí)方式以及提高學(xué)習(xí)興趣等若干可能的改進(jìn)方案。在未來的教學(xué)中，筆者將結(jié)合實(shí)際適當(dāng)引入這些方案，以便進(jìn)一步提高計(jì)算思維課程的教學(xué)效果。

注釋

① Wing， J. M.Computational thinking. Communications of the ACM，2006.49（3）：33.

② 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[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010.

③ 陳國良，董榮勝.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011.

④ 許麗娟，黃冬梅，王愛繼.以計(jì)算思維為導(dǎo)向的非計(jì)算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程創(chuàng)新教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育，2015.

⑤ 李昕.分層教學(xué)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013.

⑥ 婁鳳偉.創(chuàng)造性思維與計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)[J].教育探索，2002.