基于計(jì)算思維的高職教學(xué)模式探索

摘要：本文研究計(jì)算思維應(yīng)用于高職教學(xué)模式改革中的理論問(wèn)題與具體方法。首先梳理當(dāng)前計(jì)算思維研究現(xiàn)狀并提出計(jì)算思維概念的層次化結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了計(jì)算思維的核心要素、培養(yǎng)目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方法，并在此基礎(chǔ)上，探討了計(jì)算思維理論應(yīng)用于高職教學(xué)模式改革中的問(wèn)題與解決思路。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；核心要素；教學(xué)模式；教學(xué)案例

中圖分類號(hào)：G712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005-1422（2016）07-0007-03

收稿日期：2016-05-05

作者簡(jiǎn)介：鄧單（1981-），男，廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，高級(jí)工程師，博士。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息安全。（廣東 廣州/511483）

基金項(xiàng)目：本文系廣州市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃面上一般課題（編號(hào)：1201431075）和2015廣東省高職教育信息技術(shù)教指委教改課題（編號(hào)XXJZW2015050）資助項(xiàng)目成果。

一、引言

計(jì)算思維的系統(tǒng)理論最早由周以真教授提出，并由其他研究學(xué)者進(jìn)行了深入探討與擴(kuò)展。2010年，九校聯(lián)盟發(fā)表計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明：旗幟鮮明地提出要將計(jì)算思維能力培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的核心任務(wù)。至此，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者掀起了計(jì)算思維研究的熱潮。

四川師范大學(xué)的牟琴等對(duì)計(jì)算思維的理論及其在計(jì)算機(jī)相關(guān)課程中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究。浙江大學(xué)陸漢權(quán)、何欽銘認(rèn)為計(jì)算思維的核心是基于計(jì)算模型（環(huán)境）和約束的問(wèn)題求解。作者提出計(jì)算思維的核心方法就是“構(gòu)造”，包括對(duì)象構(gòu)造、過(guò)程改造和驗(yàn)證構(gòu)造。并將計(jì)算思維與數(shù)學(xué)思維、邏輯思維和工程思維進(jìn)行了簡(jiǎn)要對(duì)比。進(jìn)一步，作者在分析計(jì)算思維核心方法的基礎(chǔ)上，探討了計(jì)算機(jī)專業(yè)核心課程改革思路，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程為例，提出完整的課程教學(xué)內(nèi)容組織架構(gòu)，將教學(xué)內(nèi)容的實(shí)施過(guò)程分為四個(gè)步驟：?jiǎn)栴}引入，解決思路，實(shí)現(xiàn)方法，發(fā)散提問(wèn)。聶哲針對(duì)當(dāng)前高職院校中計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)現(xiàn)狀，探索計(jì)算思維視野下計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課程如何進(jìn)行信息素質(zhì)培養(yǎng)。邱蘇林將計(jì)算思維的基本理論與高職院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)際相結(jié)合，探討在面向計(jì)算思維改革過(guò)程中的面臨的問(wèn)題，提出計(jì)算機(jī)綜合應(yīng)用為核心，同時(shí)注意計(jì)算思維培養(yǎng)能力的原則。陳國(guó)良院士和董榮勝教授從研究層面、技術(shù)層面和專業(yè)層面闡述了計(jì)算思維教育的目的，為計(jì)算思維基本概念的表述體系提出包括三層次的基本框架，并認(rèn)為計(jì)算思維為人們提供了理解自然現(xiàn)象的提供了新視角，為解決問(wèn)題提供新途徑，強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)造知識(shí)而非使用信息。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的戰(zhàn)德臣等提出了大學(xué)計(jì)算機(jī)面向計(jì)算思維的課程內(nèi)容最小集合以及擴(kuò)展集合，試圖破解在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容體系方面的困惑。南開大學(xué)的趙宏等深入分析了我國(guó)大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)危機(jī)的主要原因，介紹了計(jì)算思維理論的改革歷程與重要成果，也指明了目前基于計(jì)算思維教學(xué)改革的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。趙龍德提出以計(jì)算思維為核心、以計(jì)算過(guò)程為主線的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程認(rèn)知體系構(gòu)建和計(jì)算思維培養(yǎng)新思路，同時(shí)說(shuō)明如何在實(shí)踐基礎(chǔ)上構(gòu)建大學(xué)計(jì)算機(jī)課程認(rèn)知體系的最小集。

2013年4月，北京大學(xué)、清華大學(xué)等43所高校齊聚廈門，對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)體系進(jìn)行了廣泛而深入的研討，發(fā)表了廈門會(huì)議共識(shí)，要求堅(jiān)持在計(jì)算機(jī)教學(xué)面向應(yīng)用的過(guò)程中 培養(yǎng)計(jì)算思維，并認(rèn)為計(jì)算思維應(yīng)成為大學(xué)生的普適能力，同時(shí)面向應(yīng)用是計(jì)算思維能力培養(yǎng)的出發(fā)點(diǎn)。會(huì)議共識(shí)為梳理了計(jì)算思維的內(nèi)涵意義，提出對(duì)大學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)就按照分類原則，并為計(jì)算思維理論的教學(xué)實(shí)踐指出了可操作性的方法。

雖然對(duì)計(jì)算思維的理論與應(yīng)用的研究一直是高校教學(xué)改革研究的熱點(diǎn)，也取得了一系列豐碩的理論與實(shí)踐成果，但直到目前為止，對(duì)計(jì)算思維的內(nèi)涵與外延的定義仍在不斷探索與討論之中。另一方面，由我國(guó)一流大學(xué)提出的計(jì)算思維理論是否適用于高職院校，計(jì)算思維理論如何與高職院校學(xué)生培養(yǎng)中的面向應(yīng)用面向職業(yè)能力理念相統(tǒng)一等問(wèn)題，仍然需要我們進(jìn)一步探索。

二、計(jì)算思維的再認(rèn)識(shí)

為探討計(jì)算思維理論在教學(xué)改革中的應(yīng)用，我們首先對(duì)已有研究成果進(jìn)行歸納與梳理，并對(duì)計(jì)算思維的內(nèi)涵與外延進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)。

如圖1所示，我們首先將計(jì)算思維的基本概念進(jìn)行層次化分解。按照計(jì)算思維基本概念的不同要求，我們分為三個(gè)層次：核心要素、培養(yǎng)目的與實(shí)現(xiàn)方法。

（一）計(jì)算思維的核心要素

陳國(guó)良院士曾提出：計(jì)算思維與實(shí)驗(yàn)思維、理論思維一起并稱為三大科學(xué)思維，而科學(xué)思維的共同基本特征是抽象化。抽象化即是約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方式，將復(fù)雜龐大的系統(tǒng)問(wèn)題重新分解為若干個(gè)我們相對(duì)容易處理的小問(wèn)題。為更好是理解計(jì)算思維的本質(zhì)特征，我們首先需要分析計(jì)算思維的核心要素與核心能力。

計(jì)算思維的核心要素是其基本概念的最本質(zhì)特點(diǎn)，也是其他兩個(gè)層次的理論基礎(chǔ)。我們將計(jì)算思維的核心要素定義為：將計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科相結(jié)合，并以抽象化和自動(dòng)化分析為具體手段，從而解決技術(shù)問(wèn)題的方法體系。

周以真教授曾提出：計(jì)算思維指的是一種能力，這種能力通過(guò)熟練地掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念而得到提高。我們則將上述定義進(jìn)一步擴(kuò)展，強(qiáng)調(diào)運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的相關(guān)知識(shí)，并與其他學(xué)科相融合，或?qū)⒂?jì)算機(jī)科學(xué)中的思維方法應(yīng)用于其他學(xué)科，以此來(lái)解決問(wèn)題的方法。Denning曾提出著名的計(jì)算原理七大類別：計(jì)算、通信、協(xié)作、記憶、自動(dòng)化、評(píng)估和設(shè)計(jì)。我們將上述分類重新整理并結(jié)合董榮勝教授對(duì)計(jì)算思維表述體系的相關(guān)論述，提煉出簡(jiǎn)明易懂的計(jì)算思維的核心能力：算法思維與設(shè)計(jì)，抽象能力，分析與評(píng)估。

基于計(jì)算思維的高職教學(xué)模式探索

（二）面向計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)

一般認(rèn)為，在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)過(guò)程中，計(jì)算思維是隱藏在知識(shí)與能力培養(yǎng)過(guò)程中。學(xué)生大多在無(wú)意識(shí)狀態(tài)下接受了計(jì)算思維的訓(xùn)練，或者在學(xué)習(xí)過(guò)程中通過(guò)自身的感悟與摸索得到計(jì)算思維的相關(guān)理念與認(rèn)識(shí)。面向計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)課程改革則需要將計(jì)算思維的核心要素融入到每一堂課程中，要求教師將計(jì)算思維的概念與思維方式有意識(shí)地對(duì)學(xué)生加以引導(dǎo)，通過(guò)教學(xué)案例循序漸近地培養(yǎng)學(xué)生自覺應(yīng)用計(jì)算思維的能力。換言之，面向計(jì)算思維教學(xué)模式的培養(yǎng)目的是培養(yǎng)計(jì)算思維的邏輯分析習(xí)慣。讓學(xué)生具備專業(yè)領(lǐng)域研究者一樣的思考解決問(wèn)題的習(xí)慣和方法，具體地說(shuō)首先需要培養(yǎng)學(xué)生以專業(yè)視角對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述的能力；其次是將具體問(wèn)題抽象化的能力和相應(yīng)算法設(shè)計(jì)能力；最后則是將復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行分解后再綜合解決的能力。

（三）培養(yǎng)計(jì)算思維的實(shí)現(xiàn)方法

明確面向計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)之后，我們需要繼續(xù)探索可行的培養(yǎng)計(jì)算思維的實(shí)現(xiàn)方法。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程都是以應(yīng)用能力為教學(xué)目標(biāo)，面向計(jì)算思維的培養(yǎng)理念與應(yīng)用能力培養(yǎng)不僅不會(huì)沖突，而且可以相互促進(jìn)。計(jì)算思維能力的培養(yǎng)必須以應(yīng)用能力為基礎(chǔ)，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)目標(biāo)必須在計(jì)算機(jī)綜合應(yīng)用能力教學(xué)過(guò)程中，潛移默化地實(shí)現(xiàn)。技術(shù)層面上，計(jì)算思維的培養(yǎng)過(guò)程，不需要對(duì)現(xiàn)有教學(xué)體系全盤推翻。更推薦的方法是對(duì)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容按照計(jì)算思維的邏輯結(jié)構(gòu)重新組織；或者在經(jīng)典的章節(jié)教學(xué)之后，再用計(jì)算思維的語(yǔ)言重新表述，幫助學(xué)生理解其中的思維特點(diǎn)。

三、計(jì)算思維理論在高職教學(xué)模式中的探索

計(jì)算思維的教學(xué)理念是由我們一流大學(xué)率先提出并廣泛采用的，而高職院校的在培養(yǎng)層次和內(nèi)容上與研究型大學(xué)有巨大差異。將計(jì)算思維理論應(yīng)用在高職計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中，還需要與高職教學(xué)實(shí)際相結(jié)合，探索出適合于高職特點(diǎn)的教學(xué)模式。

當(dāng)前高職教學(xué)模式普遍采用案例教學(xué)或項(xiàng)目教學(xué)模式，如圖2所示，我們?cè)噲D將計(jì)算思維能力培養(yǎng)與案例教學(xué)相統(tǒng)一，將計(jì)算思維的理念與培養(yǎng)目標(biāo)，融入到教學(xué)案例的講解與討論中。

傳統(tǒng)的案例教學(xué)中，通常以行業(yè)中某個(gè)典型技術(shù)問(wèn)題為背景。在教師簡(jiǎn)要進(jìn)行情境導(dǎo)入后，組織學(xué)生對(duì)技術(shù)背景進(jìn)行技術(shù)性復(fù)述，要求學(xué)生以專業(yè)視角對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述；學(xué)生了解具體場(chǎng)景需求后，可組織小組討論的方式，將實(shí)際生活中的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行抽象化，進(jìn)而能夠?qū)⑤^為復(fù)雜的難題分解為幾個(gè)較為簡(jiǎn)單的技術(shù)問(wèn)題；在問(wèn)題分解的基礎(chǔ)上，運(yùn)用已有的儲(chǔ)備知識(shí)嘗試從不同角度不同方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析與解決，并最終能夠提出綜合解決方案。學(xué)生在分解問(wèn)題與綜合歸納過(guò)程中，已經(jīng)得到了計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)的有效訓(xùn)練。教師需要適時(shí)地對(duì)討論結(jié)果與解決思路進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并引導(dǎo)學(xué)生將已有成果推廣到更一般的應(yīng)用場(chǎng)景，并整理出一大類場(chǎng)景的統(tǒng)一解決思路，以此回歸到計(jì)算思維的核心要素中。

基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)模式中，還需要配合針對(duì)性的教學(xué)評(píng)價(jià)體系。基于計(jì)算思維的評(píng)價(jià)體系，可以從具體課程的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)中提取中對(duì)應(yīng)的若干種計(jì)算思維能力項(xiàng)目，通過(guò)測(cè)試考核方式對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

四、小結(jié)

本文研究計(jì)算思維應(yīng)用于高職教學(xué)模式改革中的理論問(wèn)題與具體方法。我們首先梳理了當(dāng)前計(jì)算思維研究現(xiàn)狀并提出計(jì)算思維概念的層次化結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述了計(jì)算思維的核心要素、培養(yǎng)目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方法；在此基礎(chǔ)上，我們探討了計(jì)算思維理論應(yīng)用于高職教學(xué)模式改革中的問(wèn)題與解決思路。

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責(zé)任編輯賴俊辰