程序設(shè)計課程中“計算思維”能力培養(yǎng)初探

【摘要】本文首先從計算思維的概念、特點和國內(nèi)外研究發(fā)展情況等三個方面闡述了它的重要性。然后介紹了計算思維能力培養(yǎng)的研究現(xiàn)狀。針對計算機教育面臨的主要問題，強調(diào)了編程實踐主要鍛煉了的思維能力，并建議開展科學(xué)思維方式指導(dǎo)下的動腦實踐創(chuàng)新活動。最后，探討發(fā)散思維、分類與分治思維、構(gòu)造性思維等計算思維的培養(yǎng)方法，并舉例。

【關(guān)鍵詞】計算思維；程序設(shè)計；思維能力培養(yǎng)

【中圖分類號】TP312.1-4；G642 【文獻標(biāo)識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）14-0022-02

近年來，移動通訊、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、量子計算這些新概念和新技術(shù)的出現(xiàn)，在社會經(jīng)濟、人文科學(xué)、自然科學(xué)的許多領(lǐng)域，已越來越多地依賴計算機作為分析和解決問題的工具。在這個過程中，最重要的不是如何解決問題的具體技巧，而是如何把問題轉(zhuǎn)化成能夠用計算機解決的形式，這正是計算思維培養(yǎng)所強調(diào)的內(nèi)容。

計算思維（Computational Thinking）的定義是在2006年，由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計算機權(quán)威期刊Communication of the ACM上首次提出的。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。計算思維以表示的形式化和執(zhí)行的機械化為特點，抽象和自動化是其本質(zhì)的內(nèi)容。

現(xiàn)在，計算思維是國際計算機界廣為關(guān)注的一個重要概念，也是當(dāng)前計算機教育需要重點研究的課題。

在美國，計算機協(xié)會（ACM）2008年在網(wǎng)上公布對CC2001（CS2001）進行的中期審查報告（CS2001 Interim Review）（草案）中，就明確將“計算思維”與“計算機導(dǎo)論”課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計算思維的本質(zhì)[1]。美國國家計算機科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會（CSTA）在網(wǎng)上發(fā)布了得到微軟公司支持的“計算思維：一個所有課堂問題解決的工具”（Computational Thinking：A problem solving tool for every classroom）報告[2]。另外，計算思維還直接促成美國國家科學(xué)基金會（NSF）重大基金資助計劃CDI（Cyber-Enabled Discovery and Innovation，Cyber能夠?qū)崿F(xiàn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新）的產(chǎn)生。CDI計劃旨在使用計算思維（特別是在該領(lǐng)域產(chǎn)生的新思想、新方法）促進美國自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的成果。CDI的最終研究成果將使人們的思維模式發(fā)生轉(zhuǎn)變。這種以“計算思維”為核心的轉(zhuǎn)變，要反映在美國國家自然科學(xué)與工程，以及社會經(jīng)濟與技術(shù)等各個學(xué)科領(lǐng)域[3]。美國麻省理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)、卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)等著名高校紛紛設(shè)置了面向全校的以問題求解為核心的“計算思維”通識課程。

在我國，計算思維的重要性也已引起了科學(xué)家和教育界的高度重視。2008年，教育部高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會在陳國良院士的帶領(lǐng)下，從計算思維的基本概念出發(fā)，就哲學(xué)層面、科學(xué)層面、教學(xué)層面的表達形式進行了深入的討論，逐步實現(xiàn)計算思維從哲學(xué)的表達體系向教學(xué)表達體系的過渡[4]。20l0年7月，北京大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等9所“985工程”高校在西安召開了首屆“九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)課程研討會”，發(fā)布了《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》。該聲明明確了要旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。2012年8月，教育部高教司設(shè)立以計算思維為切入點的大學(xué)計算機課程改革項目，包括3項“大學(xué)計算機課程系統(tǒng)性規(guī)劃研究項目”和19項“大學(xué)計算機系列課程及教材建設(shè)項目”。

一、研究現(xiàn)狀

這種自上而下的倡導(dǎo)方式，使得計算思維這種新的理念很快得到了各級各類高校的大力重視，隨著實踐的不斷推進，研究的規(guī)模逐漸擴大，主要分為：理論研究、實踐研究兩大類。

理論研究主要涵蓋計算思維的概念、內(nèi)涵、思想、原理、特征、方法論等方面。實踐研究從研究范圍看，涉及：現(xiàn)狀思考、課程體系、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、質(zhì)量評價等多個方面。從研究對象看，主要分為：通識基礎(chǔ)課程、計算機專業(yè)課程、非計算機專業(yè)課程。

計算思維能力培養(yǎng)是計算思維領(lǐng)域研究的重點，發(fā)文量逐年穩(wěn)步增長?？傮w思路是以計算思維核心方法——“構(gòu)造”為出發(fā)點，突出以“構(gòu)造”為特征的問題求解方法的能力培養(yǎng)。具體做法是以算法與程序設(shè)計、計算機網(wǎng)絡(luò)等方面為主要教學(xué)內(nèi)容，通過改進教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生體會知識背后所蘊含的計算思維規(guī)律和特點，研究中注重介紹這些內(nèi)容中所涵蓋的計算思維應(yīng)用。

二、存在的問題

（一）對于思維教學(xué)缺乏正確的認識

人們普遍認為“講思維等同于講理論”，“講理論不實用”。以上觀點造成了過分青睞工程實踐而忽略了基礎(chǔ)教學(xué)。同時，為了迎合學(xué)生的興趣，過分強調(diào)對計算機新技術(shù)和更實用的技能的教學(xué)，而忽略了基礎(chǔ)類課程的學(xué)習(xí)。從中國計算機教育的角度來看，計算機編程、工程實踐和計算機基礎(chǔ)理論、設(shè)計思想之間的矛盾和沖突依然存在。教育及研究一直努力尋求它們之間的平衡。

（二）對于思維模式革新缺乏正確的指導(dǎo)

人都有慣性思維，善于常用的方式思考，善于常用的行為方式處事。在計算機程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對某一類問題形成思維定式。思維定式在環(huán)境不變的條件下，使學(xué)生能夠應(yīng)用已經(jīng)掌握的方法迅速解決問題，而在情境發(fā)生變化時，它則會妨礙學(xué)生采用新的方法，消極的思維定式是束縛創(chuàng)造性思維的枷鎖。固有的思維模式是長期教學(xué)過程中形成的，而忽略了學(xué)生開放的、科學(xué)的思維模式的培養(yǎng)。如何通過教學(xué)改革建立新的思維模式是教育工作者面臨的主要問題。

（三）對于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)缺乏正確的方法endprint

創(chuàng)新能力是運用知識和理論，在科學(xué)、藝術(shù)、技術(shù)和各種實踐活動領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟價值、社會價值、生態(tài)價值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力。雖然計算思維能力培養(yǎng)目的在于提高學(xué)生的思維素養(yǎng)，其最高目標(biāo)是為了創(chuàng)新，但是如何增強學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新欲望、打破思維定式以及彌補應(yīng)試教育模式存在嚴(yán)重缺陷等問題還需要進一步的探討研究。

三、程序設(shè)計課程中“計算思維”能力的培養(yǎng)

（一）發(fā)散思維培養(yǎng)

發(fā)散思維是指大腦在思維時呈現(xiàn)的一種擴散狀態(tài)的思維模式，它表現(xiàn)為思維視野廣闊，思維呈現(xiàn)出多維發(fā)散狀，如 “一題多解”、“一事多寫”、“一物多用”等方式。

程序設(shè)計教學(xué)的教育價值在于突出計算思維，在教學(xué)過程中由于學(xué)生認知方式的差異，必然會導(dǎo)致用不同算法解決問題。此時，教師不應(yīng)該糾正學(xué)生思路的錯誤，而是引導(dǎo)用學(xué)生的思路來完成程序，最后，再來比較學(xué)生的程序與教師提供的程序，各有什么優(yōu)點和缺點。教師應(yīng)該尊重每位學(xué)生的個體特征，鼓勵學(xué)生從不同角度認識問題，用不同方式表達算法，用不同方法實現(xiàn)問題求解。同時教師給予適當(dāng)?shù)脑u價，就是尊重學(xué)生不同的認知方式、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、探索精神和問題求解能力。

（二）分類與分治思維培養(yǎng)

分類是揭示概念外延的邏輯方法，其目的是可以使大量的、繁雜的數(shù)據(jù)信息條理化，以便于探索和掌控事物的發(fā)展規(guī)律。分治是特殊的分類，類似于軟件設(shè)計的模塊化方法，把一個大問題分成若干小問題，然后分別解決小問題。通常情況下，小問題與原問題相似，我們可以遞歸地運用分而治之的思想來解決。分類和分治的作用在于能夠使復(fù)雜的問題條理化、簡單化和系統(tǒng)化，通過對各類情況“分而治之”，達到解決復(fù)雜問題的目標(biāo)。

（三）構(gòu)造性思維培養(yǎng)

構(gòu)造性思維體現(xiàn)在構(gòu)造數(shù)學(xué)模型來解決問題。我們將初始的問題劃歸為模擬化或理想化的模型，模型是實際待解決問題的抽象，它篩選出問題求解的最相關(guān)部分，便于更加清晰地表達問題，更直觀地發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，進而提高了求解問題的效率。模型的建立是用于解決一類具有“相同性質(zhì)”的問題，解決一個經(jīng)典模型就相當(dāng)于解決了一類問題。

四、總結(jié)與展望

計算思維能力被公認為是繼讀、寫、算之后的第四種基本能力，是能廣泛應(yīng)用至社會各個領(lǐng)域的基本能力。一方面，不能簡單地將計算思維能力的培養(yǎng)局限于某幾門課程，應(yīng)加以拓展至計算機基礎(chǔ)其他知識模塊乃至其他課程，使之能夠?qū)θ藗兊膶W(xué)習(xí)、工作、生活等領(lǐng)域起到指導(dǎo)與促進作用；另一方面，需要對加強對計算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計研究，為一線教師提供具體的、可供參考的教學(xué)案例。

參考文獻

[1]CS2001 Interim Review [EB/OL]. http：//wiki.acm.org/cs2001/index. php？ title=main_page， 2008.

[2]PhilipsP.Computational Thinking：A problem solving tool for every classroom[EB/OL]. http：//www.csta.acre.org/Resources/sub/ResourceFiles/ComputationalThinking.pdf，2008.

[3]Cyber-enabled Discovery and Innovation（CDI）[EB/OL].http：//www.nsf.gov/crssprgm/cdi/

[4]李廉. 以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向深化大學(xué)計算機課程改革[J].中國大學(xué)教學(xué)，2013（4）：7.

作者簡介：

時書劍（1981年-）女，漢，山東泰安，碩士研究生，講師，研究方向：模式識別。endprint