以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算機(jī)類專業(yè)一體化教學(xué)體系研究

李志圣，苑伯達(dá)，郝 琨，唐國峰

（天津城建大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津 300072）

0 引 言

2006年，計(jì)算思維能力概念被正式提出。2010年，清華大學(xué)等高校明確提出將“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”列為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。此后，多所高校積極參與計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)改革與實(shí)踐[1]。

然而總體上看，教育界對計(jì)算思維的認(rèn)識以及如何進(jìn)行計(jì)算思維能力的培養(yǎng)還處于相對初始的階段，很多問題還有待進(jìn)一步地研究和實(shí)踐。目前主要研究成果集中在基礎(chǔ)編程教學(xué)過程中的計(jì)算思維能力培養(yǎng)上[2]，同時也有少量研究在基礎(chǔ)編程之外。文獻(xiàn)[3]提出在編譯原理的課程教學(xué)中，強(qiáng)化計(jì)算思維所要求的抽象化、形式化和自動化的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]針對高校數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)提出合并整理教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)特點(diǎn)，并采用生動具體實(shí)例教學(xué)方法。文獻(xiàn)[5]提出在計(jì)算機(jī)類課程中貫穿以“提出問題—分析問題—構(gòu)造方法—解決問題—引發(fā)思考”的問題驅(qū)動式教學(xué)。文獻(xiàn)[6]針對案例教學(xué)進(jìn)行分析，提出應(yīng)該精選案例、引導(dǎo)分析、建立模型、教學(xué)評價和反饋，進(jìn)行學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。

總的來說，研究者在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)編程之外的研究點(diǎn)主要有兩大類：一是探討如何改革具體核心課程教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)思維能力培養(yǎng)；二是研究探討對案例教學(xué)和任務(wù)驅(qū)動教學(xué)具體過程的改進(jìn)，以突出計(jì)算思維能力培養(yǎng)的抽象化、自動化和形式化等能力。目前尚無文獻(xiàn)從整個本科階段進(jìn)行全周期、一體化的計(jì)算機(jī)思維能力培養(yǎng)探討和研究。

1 從學(xué)科對比角度審視計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)體系特點(diǎn)

傳統(tǒng)工科專業(yè)，例如土木工程、環(huán)境工程等，具有理論知識與工程實(shí)踐嚴(yán)密結(jié)合的特點(diǎn)，各門課程的教學(xué)都立足于提出實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生形成理論認(rèn)識，進(jìn)而獲得解決該領(lǐng)域問題的完備能力，從上述教學(xué)過程來看，形成了一個“問題提出—形成理論—實(shí)踐檢驗(yàn)”的完整閉環(huán)。與此相對比，計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)體系則存在特殊性。

基礎(chǔ)編程類課程的主要教學(xué)內(nèi)容是語法和例題，教學(xué)目的是通過編程實(shí)例使學(xué)生熟悉編程語言語法和一些基本問題的程序編寫方法；專業(yè)類課程（如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析與設(shè)計(jì)和編譯原理等）則是關(guān)于特定類型問題的解決方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；職業(yè)技能類課程（如JSP技術(shù)、JavaEE技術(shù)等）和相關(guān)實(shí)習(xí)實(shí)踐，都是源自具體工程實(shí)踐的解決方案。

綜合以上分析，傳統(tǒng)工科教學(xué)中“問題提出—形成理論—實(shí)踐檢驗(yàn)”的教學(xué)閉環(huán)，在以往計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)體系中應(yīng)替換為“問題提出—形成解決方案—編程實(shí)踐”。

圖1 傳統(tǒng)工科課程體系與計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程體系對比

也許有學(xué)者會以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)課程中也含有較多的圖論基礎(chǔ)加以反駁，但實(shí)際上圖論等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)并不是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程的主要授課內(nèi)容，這些課程的重點(diǎn)是提升學(xué)生對某類問題解決方案的編程實(shí)現(xiàn)能力。

傳統(tǒng)工科的理論所起的作用，絕不止是“解決方案”的作用，其更重要的作用是在不同課程之間將理論內(nèi)容構(gòu)成一個嚴(yán)密的體系。以此為基礎(chǔ)，遵循由淺入深的原則，再適當(dāng)?shù)卦鲈O(shè)實(shí)踐實(shí)習(xí)內(nèi)容，構(gòu)建出合理的課程實(shí)踐體系。

在計(jì)算機(jī)類專業(yè)的教學(xué)中，各門課程依據(jù)要解決的問題，提出各自的“解決方案”，這會造成以下問題：

（1）方案本身難以精煉到理論的高度，其正確性論證也非教學(xué)重點(diǎn)；

（2）各門課程之間難以在相對獨(dú)立的“解決方案”基礎(chǔ)上形成嚴(yán)密的體系支撐；

（3）以“解決方案”和編程實(shí)踐為教學(xué)重點(diǎn)，難以產(chǎn)生貫穿于本科4年的整體著力、循序漸進(jìn)的核心凝聚力。

圖1對比了傳統(tǒng)工科畢業(yè)與目前計(jì)算機(jī)類專業(yè)的教學(xué)體系特點(diǎn)。

2 將計(jì)算思維能力培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)體系的整體目標(biāo)

計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程雖然關(guān)注不同類型問題的解決方案，以及引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的編程實(shí)踐，其共性目標(biāo)都是培養(yǎng)學(xué)生對具體問題的邏輯分析、形式化表示和程序?qū)崿F(xiàn)的能力，使學(xué)生能更好地將所理解的解決方案以計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行表達(dá)和實(shí)現(xiàn)，這顯然就是計(jì)算思維能力培養(yǎng)工作的直觀表述。

因此，計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程的教學(xué)體系應(yīng)該明確地以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心目標(biāo)，各類課程（從基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程到職業(yè)技能課程）應(yīng)依據(jù)其解決問題的難度遞進(jìn)關(guān)系，以各問題規(guī)模粒度，對計(jì)算思維能力的各個層面進(jìn)行針對性培養(yǎng)，構(gòu)建出全周期、一體化的計(jì)算思維能力培養(yǎng)體系。

文獻(xiàn)[7]中提出了計(jì)算思維能力的培養(yǎng)的概要過程：建立計(jì)算的意識、了解計(jì)算的功能、掌握計(jì)算的方法、利用計(jì)算的工具和資源、具備計(jì)算（復(fù)雜問題）的能力。并提出上述過程的實(shí)現(xiàn)應(yīng)構(gòu)建恰當(dāng)?shù)恼n程體系，確定相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)。

采納文獻(xiàn)[7]的觀點(diǎn)，同時依據(jù)“基礎(chǔ)課程—專業(yè)課程—職業(yè)技能課程”的遞進(jìn)式劃分，構(gòu)建的全周期、一體化的計(jì)算思維能力培養(yǎng)體系，詳見圖2。

3 構(gòu)建以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的教學(xué)體系的具體思路

對理論課程和實(shí)踐課程實(shí)施全面覆蓋、分類規(guī)劃的一體化教學(xué)。針對各類課程特點(diǎn)，改革課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，圍繞計(jì)算思維能力構(gòu)筑有機(jī)課程體系，從理論到實(shí)踐進(jìn)行全方位、綜合性的計(jì)算思維能力培養(yǎng)，具體思路如下：

（1）基礎(chǔ)課程。包括基礎(chǔ)編程語言和面向?qū)ο缶幊陶Z言，采用細(xì)節(jié)驅(qū)動式教學(xué)，參考現(xiàn)有豐富成果，針對入門級編程能力培養(yǎng)時所遇到的細(xì)節(jié)問題，進(jìn)行細(xì)節(jié)詳盡、過程規(guī)范的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生初步的計(jì)算意識，并使其了解計(jì)算的功能。

（2）專業(yè)課程。針對各種粒度適中的經(jīng)典問題，如最短路徑問題、貪心算法等，采用問題驅(qū)動式教學(xué)，使學(xué)生掌握常用的計(jì)算方法。

（3）職業(yè)技能課程。針對企業(yè)較為關(guān)注的前沿問題和解決方案，以項(xiàng)目驅(qū)動的方式，引導(dǎo)學(xué)生掌握企業(yè)級開發(fā)的工具，具備解決復(fù)雜問題的計(jì)算能力。

各類課程與計(jì)算思維能力培養(yǎng)的遞進(jìn)關(guān)系如圖3所示。

圖2 以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程體系

4 構(gòu)建計(jì)算思維能力培養(yǎng)的一體化教學(xué)體系的實(shí)施方案

按照3個階段遞進(jìn)式的培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力，實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程、職業(yè)技能課程等的全覆蓋。

（1）建立計(jì)算意識階段。為培養(yǎng)學(xué)生在基礎(chǔ)編程中的計(jì)算思維能力，筆者提出將基礎(chǔ)編程的引導(dǎo)教學(xué)進(jìn)行形式化和標(biāo)準(zhǔn)化：圍繞“問題提出—學(xué)生嘗試—定義數(shù)據(jù)—學(xué)生完善”4個教學(xué)階段，為每個階段制定合理的教學(xué)方案，明確每階段的教學(xué)內(nèi)容和評價標(biāo)準(zhǔn)。教師依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)方案實(shí)施階段性教學(xué)行為，能夠隨時指出學(xué)生在各個階段所存在的問題，并能夠引導(dǎo)學(xué)生按照標(biāo)準(zhǔn)化方案進(jìn)行下一步思考，為學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)提出切實(shí)可行的步驟方案（圖4）。

圖3 課程分類與對應(yīng)計(jì)算思維能力培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)系

圖4 基礎(chǔ)課程教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)的細(xì)節(jié)驅(qū)動式教學(xué)方案

（2）掌握常用計(jì)算方法階段。對算法設(shè)計(jì)與分析和設(shè)計(jì)模式等課程，按照“教師提出問題—學(xué)生提出方案—學(xué)生改進(jìn)方案—理論總結(jié)和提升”的問題驅(qū)動式教學(xué)方式（圖5），調(diào)整、充實(shí)課程教學(xué)內(nèi)容和教案，切實(shí)提升理論教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，并使得學(xué)生計(jì)算思維能力在理論教學(xué)中得到充分的展示和提升。

（3）培養(yǎng)復(fù)雜計(jì)算能力階段。以案例驅(qū)動方式（圖6）的講練結(jié)合、按照“理解問題—邊講邊練—自主訓(xùn)練—總結(jié)提升”的總線，實(shí)施“教學(xué)—反饋”的項(xiàng)目驅(qū)動式教學(xué)，重新修訂Web前端開發(fā)、核心開發(fā)和框架開發(fā)等課程的教學(xué)大綱和教學(xué)方案，擴(kuò)充和完善教學(xué)案例，同時增設(shè)實(shí)習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)，并優(yōu)化開發(fā)課程與實(shí)習(xí)的前后銜接次序。

圖5 專業(yè)課程教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)的問題驅(qū)動式教學(xué)方案

圖6 案例驅(qū)動式教學(xué)方案

5 結(jié) 語

筆者圍繞計(jì)算思維能力培養(yǎng)，構(gòu)建統(tǒng)一著力、前后呼應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和體系改革方案；同時，針對“基礎(chǔ)課程—專業(yè)課程—職業(yè)技能課程”的各階段課程教學(xué)，形成步驟明確、可操作性強(qiáng)的教學(xué)實(shí)施方案，使所有教師都能找到學(xué)生在程序設(shè)計(jì)中所遇到問題的思維根源，進(jìn)而實(shí)施有效的引導(dǎo)教學(xué)。

筆者依托于天津城建大學(xué)軟件工程專業(yè)進(jìn)行了一體化教學(xué)的初步探索，目前完成了C語言、Java語言設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)模式和軟件開發(fā)實(shí)習(xí)的教學(xué)內(nèi)容調(diào)整，按照標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)方案制定了新的教學(xué)方案，并在2014—2016級軟件工程教學(xué)中進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了較好的學(xué)習(xí)效果，3門理論課程的平均成績均比往屆有所提高；新的軟件開發(fā)實(shí)習(xí)方案得到了實(shí)習(xí)企業(yè)的高度肯定，企業(yè)對學(xué)生實(shí)習(xí)項(xiàng)目質(zhì)量的評價也高于往屆。

今后在具體實(shí)踐中，我們將針對全部課程，按照標(biāo)準(zhǔn)化方案進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革，使計(jì)算思維能力培養(yǎng)在教學(xué)活動得到完整、全面的實(shí)施。