創(chuàng)造性計算思維能力培養(yǎng)的研究

鄒海洋，李明東，陳沙沙

（1.西華師范大學(xué) 計算機學(xué)院，四川 南充 637009；2.西華師范大學(xué) 校地合作處，四川 南充 637009)

1 背 景

創(chuàng)造性計算思維是一種復(fù)雜的思維方式，它基于計算機平臺的技術(shù)，是對多門學(xué)科的總結(jié)和融合，最終形成一種貫通融合的理性思維?，F(xiàn)階段，人們的思想始終還局限于“狹隘工具論”，認(rèn)為學(xué)會“用”即可，忽略了對創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)。

1.1 創(chuàng)造性計算思維的發(fā)展現(xiàn)狀

計算思維能力最早是在 2006年由周以真教授在《Communications of the ACM》雜志上提出的，并且在后期的研究中給出了其基本的概念及其內(nèi)在的含義[1]；2009年，由李國杰院士任組長的中國科學(xué)院信息領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組撰寫的《中國至 2050 年信息科技發(fā)展路線圖》[2]和2010 年《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》的核心要點也強調(diào)“需要把培養(yǎng)學(xué)生的‘計算思維’能力作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[3]。美國、英國、澳大利亞相繼的將計算思維能力納入進了教學(xué)方案中，因此作為計算思維的延伸創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)勢在必行。

1.2 對創(chuàng)造性計算思維的剖析

創(chuàng)造性計算思維具有遞歸的思想，遞歸源于計算機編程的一種思維方法，它主要涉及以下幾個方面：①學(xué)生能力的差異性；②要解決問題的復(fù)雜程度，包括時間和空間復(fù)雜程度；③判斷問題解決的基本條件；④問題解決所需要的計算機技術(shù)；⑤解決問題好壞的評定標(biāo)準(zhǔn)。

創(chuàng)造性計算思維始終伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，社會要求我們必須具有信息素養(yǎng)、計算思維、應(yīng)用計算機等三方面的能力[4]，我們應(yīng)該打破專業(yè)壁壘，各學(xué)科應(yīng)該以計算機為紐帶，相互交叉滲透。在培養(yǎng)計算思維的同時，也要注意培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力、主動發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，逐步形成創(chuàng)造性計算思維理念。

2 教學(xué)體系的設(shè)計過程

在培養(yǎng)創(chuàng)造性計算思維理念的過程中要注重學(xué)生對基礎(chǔ)知識點的鞏固和理解，可以通過大量實踐項目來加強他們自身能力和素質(zhì)的提高，同時也要注重學(xué)生自主性的培養(yǎng)[5-6]。

2.1 教學(xué)方法

以教學(xué)課堂為主，學(xué)生自主學(xué)習(xí)為輔，適當(dāng)?shù)捻椖拷虒W(xué)法為有益補充，讓學(xué)生真正利用計算思維的方式去解決各種復(fù)雜的問題，從而形成創(chuàng)造性計算思維的理念[7]。

2.1.1 情景引入法

通過對數(shù)據(jù)庫中基礎(chǔ)知識點的介紹，如SQL Server數(shù)據(jù)庫主要包括“庫”“表”“視圖”等三大類的基礎(chǔ)知識點，教師可以根據(jù)知識點之間內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，逐步分層次的引入，在授課過程中，可以通過具體的生活實例，讓學(xué)生產(chǎn)生共鳴；隨后引入相關(guān)的知識點及其理論基礎(chǔ)，加深學(xué)生的理解。

1）關(guān)于“庫”講解。

在教學(xué)中，首先讓學(xué)生從“倉庫”的概念入手，自己歸納總結(jié)歸納出倉庫的特點：

（1）既能存儲某些物品，也能取走物品；

（2）倉庫必須是安全的，必須要有管理人員。

隨后引入相關(guān)的知識點“數(shù)據(jù)庫”，提出“數(shù)據(jù)庫”就是起到這樣作用的倉庫，只不過存儲的介質(zhì)是數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)都是以“表”的形式存在的；為了保證數(shù)據(jù)庫的安全，自然而然就提出 “數(shù)據(jù)庫管理員”（DBA）及“權(quán)限”的概念及原理。

2）關(guān)于“表”講解。

繼續(xù)應(yīng)用情景假設(shè)法引入“表”的概念，例如：日常生活中主要應(yīng)用倉庫存儲某些物品，假設(shè)你是倉庫管理員，你對存儲物品會有怎樣的想法。同學(xué)們自然而然會歸納出：

（1）存儲的物品要有一定的規(guī)律，這樣容易找；

（2）倉庫中的空間利用率要最大化，這樣能降低成本。

針對學(xué)生的歸納，教師再進行相應(yīng)知識點的講解。首先是規(guī)律性，數(shù)據(jù)庫所儲存的數(shù)據(jù)是以表的形式存在，即是多個相互關(guān)聯(lián)表的集合，表和表之間是通過“外鍵”進行關(guān)聯(lián)的；表中數(shù)據(jù)查詢可以通過簡單查詢和復(fù)合查詢進行。簡單查詢理論基礎(chǔ)來源于專門的關(guān)系運算符如：選擇（Selection）、投影（Projection)、連接（Join）、除（Division)和傳統(tǒng)的集合運算的有效結(jié)合；復(fù)合查詢是對數(shù)據(jù)查詢的進一步深化，我們可以通過這種講解相關(guān)知識點的方式來完成前期課程的導(dǎo)入。

其次，對于存儲空間利用率的最大化，我們可以通過降低數(shù)據(jù)冗余度，這里的“冗余”是指通過對表進行拆分，從而實現(xiàn)存儲空間浪費最小化的一種手段。那么我們是以什么來對表進行劃分，則引入“范式”相關(guān)概念、原理。

3）關(guān)于“視圖”講解。

讓學(xué)生繼續(xù)思考，可以假設(shè)自己是公司倉庫的管理員，公司有多個倉庫，近期要賣出一部分的貨物，而這批貨物涵蓋各個倉庫，提貨時間一旦確定，就必須馬上出貨，你會怎么做？學(xué)生自然會想到將貨物提取出來，放到一個倉庫中，并記錄好。借此實例，引入“視圖”的理論，視圖就是我們從相互關(guān)聯(lián)的多張表中提取部分?jǐn)?shù)據(jù)而組成一張新的虛擬的表，隨后進行概念、原理及實例的講解。

2.1.2 對知識點的梳理

SQL Server數(shù)據(jù)庫主要包括：數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建和管理、表的創(chuàng)建和管理、表的增刪改操作、表的查詢、索引、視圖、存儲、觸發(fā)器、事物及游標(biāo)等相關(guān)知識點的內(nèi)容。這些內(nèi)容都實現(xiàn)對表的特定操作，可以說“表”是整個數(shù)據(jù)庫的核心和靈魂。在講解具體知識點之前，首先要明確它們之間的邏輯關(guān)系，使學(xué)生對數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容有整體了解。具體過程如下：數(shù)據(jù)庫是被數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）管理下多個“表”的集合；它們之間是通過“外鍵”進行相互關(guān)聯(lián)的；表中數(shù)據(jù)查詢可以分為簡單查詢和復(fù)合查詢，為了實現(xiàn)快速查找，索引由此而生；視圖是解決涉及多張表的查詢；存儲過程是當(dāng)表中的數(shù)據(jù)滿足一定的條件，自動執(zhí)行的功能；觸發(fā)器即是存儲過程的一個特例；事物和游標(biāo)是對表中數(shù)據(jù)實現(xiàn)逐行訪問。表1列出SQL Server數(shù)據(jù)庫知識點的邏輯結(jié)構(gòu)。

在整個授課過程中，選取具有代表性的13個知識點，并且逐一進行實例化的講解，加深學(xué)生對知識點的理解；在此過程中，利用專業(yè)設(shè)備錄制講解過程，整合成相應(yīng)的微課程，作為課后學(xué)生學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)的資料。下面以“如何創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫的過程”這一知識點為例給出具體微課程的設(shè)計過程，整個視頻5分35秒，包括了4個模塊，涵蓋相關(guān)的15個知識點（見表2）。

最后，通過課后思考題，即是對本次微課程的重點進行回顧，還為后續(xù)的知識點引入埋下伏筆，具體設(shè)計結(jié)果見表3。

2.1.3 實訓(xùn)過程

在SQL SEVER數(shù)據(jù)庫教學(xué)結(jié)束后，通過結(jié)合程序語言引入適當(dāng)?shù)捻椖浚覀冎饕ㄟ^進行“實例講解”“實訓(xùn)項目”等教學(xué)方法來實現(xiàn)。在“實例講解”中，老師起到主導(dǎo)作用，通過講解和演示，介紹與項目相關(guān)的基礎(chǔ)知識點，讓學(xué)生自己組織和歸納知識的主體結(jié)構(gòu)；“實訓(xùn)項目”是以學(xué)生為主體，教師只是輔助和引導(dǎo)，由學(xué)生自主完成某個具體項目，這個過程主要強調(diào)實用性

和適用性，是對計算思維方式的深化，從而最終形成創(chuàng)造性計算思維。通過項目教學(xué)法，學(xué)生會在學(xué)習(xí)過程中逐步體會計算思維的理念，使其真正轉(zhuǎn)化成自身能力的一部分。

表1 SQL Server數(shù)據(jù)庫知識點的邏輯結(jié)構(gòu)

表2 微視頻的設(shè)計

表3 練習(xí)題設(shè)計

2.1.4 項目答辯

項目實訓(xùn)結(jié)束后，通過對項目進行答辯，更進一步加深學(xué)生對項目的理解程度。主要是從基礎(chǔ)知識、界面設(shè)計、代碼編寫、代碼規(guī)范、文檔撰寫、快速開發(fā)等幾個方面對學(xué)生的整個開發(fā)過程進行綜合性評定。

2.2 教學(xué)模式

2.2.1 “教”的方面

我們總體的教學(xué)理念不能只停留在實用主義，要注意技術(shù)化趨向的偏見。學(xué)生在學(xué)的過程中，往往只是知道如何操作，而缺少真正的計算思維思想，缺少對待一個復(fù)雜問題的解決方法，他們一般不會主動應(yīng)用創(chuàng)造性計算思維的方法將一個復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化成多個簡單的問題加以解決。因此，在設(shè)計課程內(nèi)容方面，我們應(yīng)該從課程體系整體出發(fā)，由下向上，使課程中的各個知識點通過計算思維聯(lián)系起來，培養(yǎng)學(xué)生的思維習(xí)慣，使其成為學(xué)生解決問題一種普遍性的思維方式。

2.2.2 “學(xué)”的方面

學(xué)生本身就存在著極大的個體差異。有些學(xué)生缺少一定的自主性，對自己不能準(zhǔn)確地認(rèn)識，他們在學(xué)習(xí)過程中對于知識點第一反應(yīng)往往是“是什么”，而不是計算思維方法中的“為什么”。在學(xué)的過程中，我們始終要明確教師只是起到指導(dǎo)、幫助和引導(dǎo)作用，是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的一個合作者，要有意識地訓(xùn)練學(xué)生的思維。

2.3 教師自身思維意識的提高

我們可以從以下兩個方面入手：一方面教師可以通過相互之間聽課、評課、交流和研討，定期開展以“培養(yǎng)創(chuàng)造性計算思維能力”為主題的教研評比；另一方面可以充分利用開放的網(wǎng)絡(luò)資源環(huán)境，通過對精品課程和教學(xué)資源的共享，選取和講解一些具有代表性的精品教材和課件，實現(xiàn)以點帶面，通過這種示范和輻射效應(yīng)，來實現(xiàn)自身思維意識的提高。

2.4 教學(xué)評估

我們在教學(xué)評估中往往存在著單一性的缺點，只是根據(jù)期末考試最后成績來決定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，這只是一種簡單對知識記憶程度的考察，極大阻礙了學(xué)生積極性和創(chuàng)新能力的發(fā)展，這也極大忽視了學(xué)生的實踐能力。我們可以通過定期進行教師評估、學(xué)生反饋和相互自評相結(jié)合的方法對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進行及時分析，從而改進我們的教學(xué)方法，達到更好的學(xué)習(xí)效果。

3 教學(xué)中取得的相關(guān)成果

在教學(xué)中，為了達到更好的教學(xué)效果。我院從學(xué)和教兩個方面入手，逐步探索提高教學(xué)改革的方法。教師在教授過程中，主要通過提高自身素質(zhì)和外派學(xué)習(xí)的形式達到預(yù)期的效果；在學(xué)方面，通過豐富多彩的第二課堂，校企聯(lián)合辦學(xué)等多種手段和方法逐步構(gòu)建學(xué)生創(chuàng)造性計算思維能力培養(yǎng)的平臺。

在入學(xué)人數(shù)大規(guī)模增加的前提下，面對就業(yè)難、升學(xué)難，學(xué)校本身非985、211等一系列的社會問題。學(xué)院通過對學(xué)生創(chuàng)造性計算思維能力的培養(yǎng)，在就業(yè)率（圖1）、考研率（圖2）、科研項目（表4）等方面都取得較好的效果。

圖1 學(xué)生就業(yè)率

圖2 學(xué)生考研率

表4 2014—2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目統(tǒng)計

4 對創(chuàng)造性計算思維的展望

我們應(yīng)該大力發(fā)展基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、工程技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域，可以從微觀方法、宏觀功能、形象思維及相關(guān)學(xué)科結(jié)合的方向入手，尋找創(chuàng)造性計算思維的創(chuàng)新點[8]。未來的社會是一個信息化、集成化、大規(guī)模的社會，伴隨著學(xué)科的不斷細(xì)化，遇見的問題和任務(wù)勢必會越來越龐大，涉及的知識領(lǐng)域也會越來越廣泛，我們只有通過創(chuàng)造性計算思維的理念，將一個復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)換成若干個簡單的問題，利用計算機的紐帶作用，最終解決問題。