計算思維驅(qū)動的計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容體系研究

白小軍+劉白林+楊盛泉

摘要：針對目前高校計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中存在的問題，引入計算思維的理念，分析了計算思維的內(nèi)容框架，并以此為基礎(chǔ)重構(gòu)了計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的內(nèi)容體系和課程體系。

關(guān)鍵詞：計算思維；計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)；內(nèi)容體系

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）10-0191-02

一、計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的困境和改革

長期以來，人們對計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的定位模糊不清，出現(xiàn)了諸如狹義工具論、唯編程論、濃縮論、無用論等各種認(rèn)識誤區(qū)，學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容沒有興趣，教師也對教學(xué)提不起興趣。針對這種情況，計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)指導(dǎo)委員會進(jìn)行了兩次改革。2006年，美國卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)的周以真教授提出了“計算思維”的理念，國內(nèi)外的學(xué)者紛紛展開研究，探討計算思維的本質(zhì)及其驅(qū)動下的教學(xué)改革問題。以此為契機(jī)，我國的計算機(jī)基礎(chǔ)教育正在醞釀第三次改革，即以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程改革。

二、計算思維的本質(zhì)與核心內(nèi)容

按照周以真教授的表述，計算思維就是運用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。計算思維應(yīng)該是每個人的基本技能，而不僅僅屬于計算機(jī)科學(xué)家。正如每個人都應(yīng)具備基本的讀、寫、算能力一樣，現(xiàn)代社會還需要每個人都具備基本的計算思維能力，能夠自覺的運用計算科學(xué)的思想方法，解決各專業(yè)領(lǐng)域的實際問題。總結(jié)前人的研究成果，可以得出如下結(jié)論：（1）計算思維的本質(zhì)是基于計算環(huán)境和約束的問題求解的思想方法。（2）計算思維的主要內(nèi)容涉及：計算模型的研究，計算系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)造，計算系統(tǒng)的特征與約束，如何有效利用計算系統(tǒng)進(jìn)行問題求解以及問題求解的效能評價與驗證。（3）計算思維的主要特征包括：抽象、自動化、形式化和機(jī)械化。（4）計算學(xué)科中的核心概念包括：計算、抽象、自動化、設(shè)計、通信、協(xié)作、記憶和評估等，以這八個概念為基礎(chǔ)，可以輻射出一系列內(nèi)容，構(gòu)成計算思維的內(nèi)容框架，如圖1所示。

三、面向計算思維能力培養(yǎng)的課程內(nèi)容體系

以圖1的內(nèi)容框架為基礎(chǔ)，對計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的內(nèi)容體系進(jìn)行重組。首先，將課程體系分為兩部分，即核心課程和選修課程。核心課程面向所有的專業(yè)開設(shè)，包括“計算思維導(dǎo)論”和“算法與程序設(shè)計基礎(chǔ)”兩門；選修課程則針對不同的專業(yè)及應(yīng)用領(lǐng)域選擇開設(shè)，包括“數(shù)據(jù)庫技術(shù)及應(yīng)用”、“多媒體信息處理”、“信息安全基礎(chǔ)”、“網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)”等。下面針對兩門核心課程設(shè)計其內(nèi)容體系。

1.計算思維導(dǎo)論課程內(nèi)容體系?！坝嬎闼季S導(dǎo)論”是學(xué)生入學(xué)后的第一門計算機(jī)課程，其內(nèi)容體系被分為如下六個單元：（1）計算思維的理論基礎(chǔ)。從原始計算方法及演化入手，理解計算的歷史及自動計算工具、方法的演化；針對現(xiàn)代計算機(jī)的工作原理，從數(shù)據(jù)的表示和運算入手，解決計算的基本問題；采用圖靈機(jī)理解自動計算模型以及形式化方法，進(jìn)而理解馮·諾依曼體系，分析其局限性并引出近些年新興的計算模型。（2）計算思維的邏輯基礎(chǔ)。首先通過邏輯理解思維的規(guī)律和過程，進(jìn)而講解布爾邏輯、命題邏輯和謂詞邏輯，學(xué)習(xí)邏輯的表示、運算以及推理方法，理解計算思維中的形式化方法，最后將邏輯思維與算法聯(lián)系起來，通過算法實現(xiàn)邏輯運算與推理。（3）計算思維的方法學(xué)。首先分析人類解決問題的思維過程，引出借助計算機(jī)求解問題的過程，并對兩者進(jìn)行對比。計算機(jī)解決問題的首要步驟是抽象和建模，這就是問題描述；然后是設(shè)計合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，并依靠程序設(shè)計語言來實現(xiàn)算法，這就是系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)；最后還要驗證結(jié)果的正確性以及求解效率等。（4）計算思維的算法基礎(chǔ)。圍繞三大主題展開：①算法基礎(chǔ)，了解算法的概念、性質(zhì)和分類，重點學(xué)習(xí)算法的表示，并明確同一個問題會有多種不同的算法；②常用算法思想，精選窮舉、遞推、遞歸、回溯、分治、并行化等常用算法，啟迪學(xué)生思維；③典型應(yīng)用，選擇應(yīng)用場景，介紹同一個問題的多種算法實現(xiàn)，使學(xué)生理解算法是程序設(shè)計的靈魂。（5）計算思維在計算機(jī)學(xué)科中的應(yīng)用。從操作系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息安全等領(lǐng)域關(guān)注的核心問題以及解決問題的基本方法出發(fā)，概要介紹計算思維在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，使學(xué)生切實感受計算機(jī)學(xué)科中的基本思想方法。（6）計算思維在其他學(xué)科中的應(yīng)用。精選各行業(yè)的典型案例，直觀展示計算思維在其他行業(yè)中的應(yīng)用。

2.算法與程序設(shè)計課程內(nèi)容體系。用計算機(jī)解決實際問題，“算法與程序設(shè)計基礎(chǔ)”是針對理工科開設(shè)的一門計算機(jī)基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容體系分為七個部分：（1）程序設(shè)計基礎(chǔ)。首先通過一系列示例，介紹程序設(shè)計中的核心概念和方法，建立基本的程序認(rèn)知；然后從數(shù)據(jù)抽象和過程抽象兩個角度理解計算思維中的核心概念——抽象，對于數(shù)據(jù)抽象，重點介紹基本數(shù)據(jù)類型以及數(shù)據(jù)的表示與存儲方法，概要介紹數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、指針及其他復(fù)雜數(shù)據(jù)類型。（2）程序的流程控制。從算法的表示入手，引出結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的思想以及三種基本結(jié)構(gòu)；以構(gòu)造為核心概念，使學(xué)生理解通過基本結(jié)構(gòu)的組合與嵌套實現(xiàn)任意復(fù)雜的流程控制；然后通過案例介紹三種控制結(jié)構(gòu)，熟練掌握基本流程控制方法以及流程的組合嵌套等構(gòu)造方法。（3）復(fù)雜數(shù)據(jù)類型。針對數(shù)據(jù)抽象，介紹數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)體、鏈表等數(shù)據(jù)類型。對于每一種類型，從其應(yīng)用場景引入，分析為什么要使用該類型以及如何構(gòu)造和使用該類型。由于幾種復(fù)雜類型之間具有密切的聯(lián)系，所以在內(nèi)容組織上要關(guān)注這些關(guān)系，使學(xué)生清楚把握知識脈絡(luò)。（4）面向過程程序設(shè)計。從面向過程的基本思想入手，解釋其“自頂向下、逐步求精”、“模塊化設(shè)計”、“結(jié)構(gòu)化編碼”的基本概念，并將模塊映射為函數(shù)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序的構(gòu)造；對于函數(shù)這一核心概念，應(yīng)將其接口和實現(xiàn)分開，這樣有利于理解函數(shù)的使用，也便于向面向?qū)ο蠓椒ㄟ^渡。（5）典型算法的函數(shù)實現(xiàn)。從應(yīng)用情境出發(fā)，精選用計算方法解決實際問題的一系列典型案例，分析其算法，設(shè)計函數(shù)原型并實現(xiàn)算法。要介紹的核心算法包括：窮舉算法、分治算法、遞推算法、遞歸算法、回溯算法、排序算法和檢索算法等。（6）面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計。要引導(dǎo)學(xué)生理解面向過程的缺點及面向?qū)ο蟮母倪M(jìn)，理解抽象的思想以及封裝、繼承、多態(tài)的特性。在樹立面向?qū)ο蟮乃枷牒?，一要學(xué)會使用系統(tǒng)庫或第三方庫中的類和對象；二要學(xué)會設(shè)計自己的類和對象。對于第一個問題，抓住字符串、輸入輸出流等基礎(chǔ)類，深入理解類的接口及訪問方法，學(xué)會使用API；同時學(xué)習(xí)動態(tài)數(shù)組、向量和哈希表等幾種典型容器類的用法，這些容器在開發(fā)中廣泛使用。對于第二個問題，要從封裝、繼承、多態(tài)三大特性入手，引出類的設(shè)計、對象的構(gòu)造以及對象間的通信方式，并給出具體示例，用圖表和代碼的方式表達(dá)自己的設(shè)計。（7）數(shù)據(jù)存儲與文件。計算思維中的一個核心概念是記憶，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究的是數(shù)據(jù)的內(nèi)存記憶方式，而文件研究的是數(shù)據(jù)的持久記憶方式。要弄清楚文件的類型以及存儲和處理方式，針對順序讀寫、隨機(jī)讀寫介紹其原理與代碼實現(xiàn)，最后介紹面向?qū)ο蟓h(huán)境下的文件操作方法以及幾種流的使用方法。

四、結(jié)語

本文研究了計算思維的本質(zhì)與核心內(nèi)容，探索了計算思維驅(qū)動的計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容體系和課程體系。培養(yǎng)計算思維，在于掌握一種利用計算方法解決各領(lǐng)域?qū)嶋H問題的獨特思路，各專業(yè)都應(yīng)開出計算思維相關(guān)的課程。同時，在選擇教學(xué)內(nèi)容時應(yīng)有所側(cè)重和取舍，尤其要注重思維方法的訓(xùn)練，這樣才有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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Research on Content System of Computer Fundamental Course Driven by Computational Thinking

BAI Xiao-jun,LIU Bai-lin,YANG Sheng-quan

(School of Computer Science and Engineering,Xi'an Technological University,Xi'an,Shaanxi 710032,China)

Abstract:According to the problems in computer fundamental teaching,introduced the concept of computational thinking,analyzed the content framework of computational thinking,and based on this framework,reformed the content system as well as the course system for computer fundamental teaching.

Key words:computational thinking;computer fundamental teaching;content system