可操作的計(jì)算思維培養(yǎng)落地方案

王新峰

（吉首大學(xué)軟件服務(wù)外包學(xué)院，張家界 427000）

可操作的計(jì)算思維培養(yǎng)落地方案

王新峰

（吉首大學(xué)軟件服務(wù)外包學(xué)院，張家界 427000）

培養(yǎng)“計(jì)算思維”能力已成計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的共識，然而在實(shí)際教學(xué)過程中，計(jì)算思維落地存在用時長、可操作性低、評估難等問題。結(jié)合軟件學(xué)院特色給出一套可操作的培養(yǎng)方案，該方案包含課程培養(yǎng)目標(biāo)的修改、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、評估監(jiān)控手段等的改革。

計(jì)算思維；程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；能力培養(yǎng)；教學(xué)改革

0 引言

2006年3月，周以真（Jeannette M.Wing）教授給出了計(jì)算思維的明確定義，“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)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動”[1]。隨后2010年11月，陳國良院士第一次正式提出了將“計(jì)算思維能力培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革切入點(diǎn)的倡議。倡議得到了高校與多位專家的響應(yīng)，并在2012年7月在西安交大召開的“第一屆計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革研討會”上做了展示與交流[2]。培養(yǎng)計(jì)算思維能力已成為各高校計(jì)算機(jī)教育的重頭戲，得到了教育部高教司的肯定與支持。

計(jì)算思維是一種內(nèi)化的、抽象的思維活動，終是需要通過工具、語言、方法等顯現(xiàn)的內(nèi)容再現(xiàn)出來。計(jì)算思維能力的培養(yǎng)也需要借助具體課程的教授去實(shí)現(xiàn)?！冻绦蛟O(shè)計(jì)基礎(chǔ)》（C語言程序設(shè)計(jì)）是基礎(chǔ)先行課程，C語言又是最接近計(jì)算機(jī)思考方式的高級語言，因此基于本門課程去嘗試培養(yǎng)計(jì)算思維能力具有明顯優(yōu)勢。軟件服務(wù)外包學(xué)院以“培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力”為核心目標(biāo)，進(jìn)行了積極探索和教學(xué)改革，經(jīng)過實(shí)踐與總結(jié)，在《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程上已形成一套可操作的計(jì)算思維培養(yǎng)方案。

1 明確目標(biāo)，落地才“不跑偏“

早期的教學(xué)主要是培養(yǎng)技能，以后又逐步發(fā)展為培養(yǎng)能力。并且通過十幾年的實(shí)踐，現(xiàn)在已經(jīng)形成了培養(yǎng)計(jì)算機(jī)能力的系統(tǒng)的理論、教材、教學(xué)方法和評價標(biāo)準(zhǔn)。因此在以技能與能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，再提出思維的培養(yǎng)，必需提高對于計(jì)算機(jī)課程的認(rèn)識[4]。

1.1 存在的問題

由于計(jì)算思維教育著眼于一種思維模式的養(yǎng)成和訓(xùn)練，因此有著與以往教學(xué)不同的要求和目標(biāo)。這些要求和目標(biāo)對現(xiàn)有的教育觀念和方式提出了新的挑戰(zhàn)[5]?！冻绦蛟O(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程培養(yǎng)目標(biāo)從技能與能力培養(yǎng)，轉(zhuǎn)為對思維的培養(yǎng)，面臨3個問題：

（1）計(jì)算思維培養(yǎng)時間長，如何在短短半學(xué)期內(nèi)達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)？

（2）已有的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段都是針對技能與能力培養(yǎng)，如何調(diào)整？

（3）本課程計(jì)算思維能力培養(yǎng)的基本要求、較高要求是什么？通過何種方式對學(xué)生掌握計(jì)算思維程度進(jìn)行考核？[2]

1.2 解決辦法

針對以上三個問題，通過對計(jì)算思維內(nèi)涵與培養(yǎng)目標(biāo)分析，再結(jié)合學(xué)院的實(shí)際情況，給出如下的應(yīng)對策略：

（1）修改教學(xué)計(jì)劃

計(jì)算思維方式的形成是在解決問題的過程中慢慢內(nèi)化，構(gòu)建而成，用時長。而傳統(tǒng)的C語言教程教學(xué)只有半學(xué)期，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在短短的半學(xué)期內(nèi)要讓學(xué)生熟練掌握C語言本身的知識點(diǎn)已算勉強(qiáng)，更遑論培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。因此學(xué)院大膽修改教學(xué)計(jì)劃，將C語言課程從半學(xué)期延長到1學(xué)年，這種嘗試已走在各高校的前面。

（2）實(shí)用化教學(xué)內(nèi)容，明白化計(jì)算思維教學(xué)

C語言作為一個有近50年歷史的老語言，在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)時代的項(xiàng)目開發(fā)中，已比不上Java、C#、Python等高級語言，而各高校都將C語言作為必備課程講解，并不是因?yàn)镃語言本身知識內(nèi)容有多重要，而是C語言這個語言工具能促進(jìn)計(jì)算思維的形成。因此需要實(shí)用化講解C語言知識點(diǎn)，省略掉繁雜的語法和太困難的知識點(diǎn)，比如操作符優(yōu)先級、自加自減運(yùn)算、位移運(yùn)算、指針高級應(yīng)用等只需簡單提下。

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，計(jì)算思維是隱藏在技能與能力培養(yǎng)內(nèi)容中的，要靠學(xué)生“悟”出來，現(xiàn)在教師上課需要把這些明白的講出來，同時結(jié)合研討式教學(xué)，讓學(xué)生主動參與到教學(xué)中為，縮短培養(yǎng)時間，提高培養(yǎng)質(zhì)量。

（3）計(jì)算思維能力的評估

思維方式需要借助工具、語言和方法顯現(xiàn)出來，反過來對工具、語言與方法的掌握會促進(jìn)思維的形成。因此能否熟練使用基礎(chǔ)知識進(jìn)行問題求解，能否獨(dú)立設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)是學(xué)生具有計(jì)算思維能力的體現(xiàn)。

1.3 分兩步走實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

本課程從半學(xué)期延長到1學(xué)年，上學(xué)期目標(biāo)對應(yīng)計(jì)算思維的第一個層次“用知識解決問題”，下學(xué)期對應(yīng)計(jì)算思維的第二個層次“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。目標(biāo)不同教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和評估方式都會不同，下表1給出了一個不同學(xué)期采用的不同策略。

表1 不同學(xué)期對應(yīng)的策略

2 落地兩步走之問題求題

2.1 以問題為中心的教學(xué)引導(dǎo)

計(jì)算思維的第一個層次就是“會用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)知識進(jìn)行問題的求解”[1]?？梢钥吹竭@個層次目標(biāo)有兩個：掌握基礎(chǔ)知識、應(yīng)用知識解決問題。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是以知識為中心，解決問題目的是為了檢測知識是否掌握。隨著“互聯(lián)網(wǎng)”時代的到來，知識的獲取方式變得輕而易舉，知識泛濫，而此時應(yīng)該以解決問題為中心，獲取知識的目的是解決已有的問題。

下面給出了兩種授課試的對比，左圖1是普遍流行的以“知識為中心”講授流程，圖2本課程采用的以“問題為中心”的授課方式。

圖1 知識為中心授課流程

圖2 問題為中心授課流程

從流程圖中可以看到兩種授課方式都涉及到“知識與問題”，如果從表面看這兩種授課方式的變化僅在于“知識與問題”所處位置的順序不同。而實(shí)質(zhì)上這是一種思維方式的轉(zhuǎn)變。以“知識為中心”授課，這種方式暗示學(xué)生以掌握知識為準(zhǔn)則，重點(diǎn)在獲取知識。流程圖2是以“問題為中心”，讓學(xué)生形成解決問題的思考方式，獲取新知識是為解決當(dāng)前的問題，當(dāng)整體學(xué)期的授課過程都以這種方式進(jìn)行，學(xué)生自然會形成“以問題為中心“的思考方式。

2.2 思維方式形成需要針對性練習(xí)

從解決問題到形成問題求解的思維方式之間需要練習(xí)作為橋梁，大量解題經(jīng)驗(yàn)的積累是從感性認(rèn)識轉(zhuǎn)變?yōu)槌橄笳J(rèn)識的前提。實(shí)踐證明，ACM學(xué)科技能競賽是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、解決問題能力、提高創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的行之有效途徑之一[7],我院的ACM平臺積累了近5000多題，包含的ACM競賽題目和同類問題專題集合，完全滿足學(xué)生訓(xùn)練的要求。

ACM平臺除了提供優(yōu)質(zhì)的問題外，另一個更重要的功能就是實(shí)時統(tǒng)計(jì)功能，該功能方便教師隨時掌握每一個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

3 落地兩步走之系統(tǒng)設(shè)計(jì)

解決獨(dú)立問題形成的思維是獨(dú)立、分散的，接下來就是需要將分散的思維點(diǎn)連成一個完整的思維體系，最可行的方法就是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具體到教學(xué)就是項(xiàng)目化教學(xué)，項(xiàng)目化教學(xué)方式讓學(xué)生在掌握知識與技能的同時，兼顧培養(yǎng)系統(tǒng)化思考問題的思維能力。

3.1 項(xiàng)目化教學(xué)

選取好的項(xiàng)目是項(xiàng)目化教學(xué)的前提，項(xiàng)目選取要考慮到實(shí)用性、典型性、綜合性、趣味性、挑戰(zhàn)性。項(xiàng)目是一個完整的系統(tǒng)，開發(fā)難度大，因此教學(xué)內(nèi)容要區(qū)分基本和高級功能兩部分。剛開始學(xué)生找不到切入點(diǎn)，需要教師的步步引導(dǎo)。下表列出了本次項(xiàng)目化教學(xué)的實(shí)施策略：

表2 項(xiàng)目化教學(xué)方案

3.2 “游泳池”實(shí)訓(xùn)模式

在項(xiàng)目化教學(xué)方案中教師是主導(dǎo)方，當(dāng)學(xué)生掌握了一定的項(xiàng)目開發(fā)基礎(chǔ)之后，需要將主動權(quán)交還給學(xué)生。讓學(xué)生完全獨(dú)立從選題、需求分析、開發(fā)到測試設(shè)計(jì)一個系統(tǒng)，才是學(xué)生具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的最好體現(xiàn)?！坝斡境亍睂?shí)訓(xùn)模式可以滿足目標(biāo)。

實(shí)訓(xùn)給出了3個簡單要求：每班學(xué)生不能重題、自己獨(dú)立實(shí)現(xiàn)、最后學(xué)院答辯驗(yàn)收。在整個實(shí)訓(xùn)期間教師負(fù)責(zé)監(jiān)控進(jìn)度，回答技術(shù)難點(diǎn)。實(shí)訓(xùn)開始前一周下發(fā)實(shí)施方案，學(xué)生選題并做好需求功能分析，下圖為2015級學(xué)生最終選題分布圖結(jié)果，游戲類占了79%，管理系統(tǒng)僅占到15%，而在改革前的2014級管理系統(tǒng)占100%。

圖3 2015級選題分布圖

4 結(jié)語

經(jīng)過1年的計(jì)算思維落地培養(yǎng)，學(xué)生分析問題和解決問題的能力有了明顯的提高，且能獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，證明學(xué)生具備了基本的計(jì)算思維能力。說明這次教學(xué)改革方案是有效的，成功的。在改革過程中也存在一些問題，沒有為計(jì)算思維培養(yǎng)設(shè)計(jì)的教材，對教師的水平有很高的要求等。后續(xù)將本方案進(jìn)一步細(xì)化，建立一套可操作完整的流程，才可以推廣開來。

[1]Jeannette M.Wing.Computational Thinking[J].Communications of the ACM,2006,49（3）.

[2]馮博琴.對于計(jì)算思維能力培養(yǎng)“落地”問題的探討[J].中國大學(xué)教育，2012（9）：6-9.

[3]教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會.計(jì)算思維教學(xué)改革宣言[J].國大學(xué)教學(xué)，2013（7）.

[4]李廉.計(jì)算思維-概念與挑戰(zhàn)[J].中國大學(xué)教學(xué)，2012（1）：7-12.

[5]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（1）.

Operative Computational Thinking Training Program

WANG Xin-feng
（Jishou University Software Services Outsourcing,Zhangjiajie 427000）

In order to cultivate the ability of Computational Thinking has become a computer-related professional consensus,in the actual teaching process,the calculation of the existence of long-term thinking,low operability,evaluation of difficult issues,this paper combines the characteristics of the software gives a set of operational training program,the program includes the curriculum training objectives,teaching content,teaching methods,assessment of monitoring methods and other reforms.

Computational Thinking;Programming Foundation;Ability Cultivation;Teaching Reform

1007-1423（2017）31-0050-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.31.013

王新峰（1986-），男，江西九江人，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)

2017-09-12

2017-10-25