淺談?dòng)?jì)算思維培養(yǎng)在計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中的定位及層次

周宏

摘要：針對(duì)現(xiàn)階段高校計(jì)算機(jī)課程教學(xué)體系，分析和研究了計(jì)算思維培養(yǎng)在整個(gè)計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中應(yīng)該有的定位及其層次結(jié)構(gòu)，提出了以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的培養(yǎng)新模式，并以實(shí)際課程為例詳細(xì)闡述了計(jì)算思維具體的六層結(jié)構(gòu)以及存在的不足。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)教學(xué)體系；思維層次

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）05-0197-02

一、計(jì)算思維及其培養(yǎng)

計(jì)算思維這一概念是由美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授在2006年提出和定義的。它是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)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(dòng)的總稱(chēng)[1]。在信息時(shí)代，計(jì)算的概念已不再是狹義的數(shù)字運(yùn)算及演變，它與日常的萬(wàn)事萬(wàn)物都有聯(lián)系。抽象出來(lái)，計(jì)算就是從一個(gè)已知的符號(hào)串，按照一定的規(guī)則與方法，經(jīng)過(guò)有限步驟，最后得到滿足預(yù)先設(shè)想的符號(hào)串的一種變換過(guò)程[2]。而思維是對(duì)某個(gè)問(wèn)題或事物的思考過(guò)程以及隨之產(chǎn)生的想法或見(jiàn)解，它是人腦對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)直接和間接的反映，反映了事物的本質(zhì)及事物間的規(guī)律。因?yàn)榇蟊娝褂玫墓ぞ哂绊懼蟊姷乃伎挤绞胶退季S能力，所以，在計(jì)算無(wú)處不在的時(shí)代，計(jì)算機(jī)也影響著大眾的思維方式與內(nèi)容，計(jì)算思維成為現(xiàn)代人必須具備的思維能力。美國(guó)心理學(xué)和教育學(xué)家Robert J.Sternberg指出：“思維教學(xué)的模式是將思維訓(xùn)練融合在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，符合思維訓(xùn)練與學(xué)科教育的統(tǒng)一性，即學(xué)科知識(shí)與思維能力互相促進(jìn)，共同提高?！盵3]所以要將計(jì)算思維培養(yǎng)更好地融入到計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，就必須先明確計(jì)算思維培養(yǎng)在計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中的定位及其本身的階段性與層次性，讓學(xué)習(xí)者在思維活動(dòng)中學(xué)習(xí)，同時(shí)也學(xué)習(xí)思維本身，相輔相成，相互促進(jìn)。

二、計(jì)算機(jī)教學(xué)知識(shí)體系及層次結(jié)構(gòu)

從工程學(xué)角度上講，計(jì)算學(xué)科知識(shí)體系可以分為理論、技術(shù)、工程三個(gè)層次，學(xué)科的根本問(wèn)題與本質(zhì)屬性決定了這三個(gè)層次的模糊界限與關(guān)系。同樣，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)教學(xué)知識(shí)體系的設(shè)置也遵循這樣的層次結(jié)構(gòu)，分別從計(jì)算機(jī)理論知識(shí)、計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用這三個(gè)層次培養(yǎng)學(xué)生：理論層面主要是數(shù)理理論、邏輯理論等；技術(shù)層面主要涵蓋軟件開(kāi)發(fā)、算法分析、程序設(shè)計(jì)等；工程層面主要是人機(jī)交互、機(jī)器智能、數(shù)據(jù)表示等。目前計(jì)算學(xué)科已經(jīng)是一個(gè)龐大的學(xué)科，IEEE/CS和ACM在2005年將計(jì)算學(xué)科按內(nèi)容劃分為計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息系統(tǒng)、軟件工程、計(jì)算機(jī)工程、信息技術(shù)五個(gè)分支學(xué)科[4]，每個(gè)分支在教學(xué)側(cè)重點(diǎn)上略有不同。但隨著計(jì)算學(xué)科的規(guī)范和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這三個(gè)層次已不足以完全闡述學(xué)科的層次結(jié)構(gòu)，計(jì)算工具、計(jì)算服務(wù)與計(jì)算應(yīng)用作為計(jì)算學(xué)科更細(xì)致的劃分，在整個(gè)工程層次體系中占有不可或缺的位置。雖然現(xiàn)代計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中的課程較少涉及這三個(gè)層次，但理論、技術(shù)、工程、工具、服務(wù)、應(yīng)用這種更完整的六層結(jié)構(gòu)[5]，以理論開(kāi)始，以應(yīng)用結(jié)束，更清晰地闡述了計(jì)算學(xué)科的工程層次結(jié)構(gòu)，這一層次鏈條上每一個(gè)環(huán)節(jié)都涵蓋計(jì)算思維的內(nèi)容，相互獨(dú)立又彼此聯(lián)系，是設(shè)置思維訓(xùn)練課程必須考慮的。

三、計(jì)算思維的定位與作用

計(jì)算思維培養(yǎng)在大學(xué)計(jì)算機(jī)教育體系中的定位，關(guān)系到整個(gè)計(jì)算學(xué)科的教育進(jìn)程及思維方式的變革。在目前國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中，計(jì)算思維培養(yǎng)才剛剛起步，它的課程設(shè)置多種多樣，定位也很不明確。實(shí)際上，思維培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期的認(rèn)知過(guò)程，思維培養(yǎng)應(yīng)該是貫穿于整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程的一個(gè)長(zhǎng)期行為，不能只在教學(xué)體系的最初或者最后開(kāi)設(shè)一兩門(mén)普及課程進(jìn)行講解就以為足夠了。這里說(shuō)的計(jì)算思維培養(yǎng)是涵蓋計(jì)算學(xué)科五個(gè)方向六個(gè)層次，從頭到尾貫穿計(jì)算機(jī)整個(gè)知識(shí)體系，以計(jì)算機(jī)導(dǎo)論為基礎(chǔ)和接入點(diǎn)，以思維培養(yǎng)為最終目的的漸進(jìn)式課程設(shè)置。

現(xiàn)階段，將計(jì)算思維能力培養(yǎng)融入課程中的方法很多，浙江大學(xué)何欽銘教授歸納了典型的三種[6]：（1）方法推動(dòng)式。課程內(nèi)容保持原樣，不做大的調(diào)整。通過(guò)改進(jìn)教學(xué)方法來(lái)引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)知識(shí)背后所蘊(yùn)含的計(jì)算思維規(guī)律和特點(diǎn)。（2）內(nèi)容重組式。課程的知識(shí)點(diǎn)沒(méi)有大的變換，但需以計(jì)算思維為主軸重新組織內(nèi)容，在課程形式與結(jié)構(gòu)上有大幅度的調(diào)整。（3）全面更新式?；緬侀_(kāi)原有的教學(xué)體系，對(duì)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行大幅度更新，加大和突出與思維訓(xùn)練相關(guān)的主題與內(nèi)容。當(dāng)然，具體的教學(xué)方法要與高校實(shí)際教學(xué)情況與學(xué)生接受程度相吻合，循序漸進(jìn)，有針對(duì)性地將思維培養(yǎng)融入到教學(xué)當(dāng)中。

總的來(lái)說(shuō)，計(jì)算思維培養(yǎng)在計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中的定位應(yīng)該是以思維培養(yǎng)為目標(biāo)，全面覆蓋計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)體系中各個(gè)分支內(nèi)容，以分層次教學(xué)為主要形式的創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)思維培養(yǎng)模式。

四、計(jì)算思維的教學(xué)層次分析

我國(guó)高校對(duì)于計(jì)算思維教學(xué)大多數(shù)都還處于研究階段，少數(shù)高校以選修課的形式進(jìn)行介紹與培養(yǎng)，幾乎沒(méi)有國(guó)內(nèi)高校進(jìn)行專(zhuān)業(yè)研究及專(zhuān)業(yè)課程培養(yǎng)。這與高校計(jì)算機(jī)教育的培養(yǎng)目標(biāo)有關(guān)，也與學(xué)生素質(zhì)與需求等實(shí)際情況有關(guān)。以本校重慶理工大學(xué)為例，教研團(tuán)隊(duì)開(kāi)設(shè)了《計(jì)算思維與計(jì)算文化》選修課，主要進(jìn)行計(jì)算思維的介紹與培養(yǎng)。課程針對(duì)的主要人群是大量的非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生及少部分專(zhuān)業(yè)學(xué)生，屬于通識(shí)類(lèi)的思維啟發(fā)課程。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐，效果良好，但也有很多問(wèn)題與不足，尤其對(duì)于整個(gè)計(jì)算學(xué)科來(lái)說(shuō)，它不應(yīng)該僅僅只局限于非專(zhuān)業(yè)學(xué)生的通識(shí)普及，更應(yīng)該讓計(jì)算思維優(yōu)勢(shì)在專(zhuān)業(yè)學(xué)生中產(chǎn)生作用與影響，促進(jìn)計(jì)算機(jī)教學(xué)知識(shí)體系的完善與突破。

對(duì)于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，計(jì)算思維培養(yǎng)理應(yīng)作為必修課貫穿于整個(gè)教學(xué)體系當(dāng)中，并且其培養(yǎng)應(yīng)該與專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系及層次相一致，進(jìn)行層次化的計(jì)算思維培養(yǎng)。從學(xué)科內(nèi)容和層次來(lái)看，計(jì)算學(xué)科至少包含五個(gè)方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息系統(tǒng)、軟件工程、計(jì)算機(jī)工程、信息技術(shù)，以及六個(gè)層次：理論、技術(shù)、工程、工具、服務(wù)和應(yīng)用。在方向內(nèi)容大同小異的前提下，計(jì)算思維在這個(gè)層次結(jié)構(gòu)中應(yīng)該形成與它自身相對(duì)應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)，即：計(jì)算理論思維、計(jì)算技術(shù)思維、計(jì)算工程思維、計(jì)算工具思維、計(jì)算服務(wù)思維和計(jì)算應(yīng)用思維。

為了更清晰地闡述計(jì)算思維的層次結(jié)構(gòu)，以課程《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》為例，它作為一門(mén)綜合性課程，應(yīng)包含程序設(shè)計(jì)理論、程序設(shè)計(jì)技術(shù)、程序設(shè)計(jì)工程、程序設(shè)計(jì)工具、程序設(shè)計(jì)服務(wù)、程序設(shè)計(jì)的應(yīng)用這六個(gè)層次。程序設(shè)計(jì)理論包括結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想等理論知識(shí)；程序設(shè)計(jì)技術(shù)包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)等開(kāi)發(fā)技術(shù)；程序設(shè)計(jì)工程包括軟件工程、測(cè)試與調(diào)試等相關(guān)內(nèi)容；程序設(shè)計(jì)工具包括C++、JAVA等各種高級(jí)語(yǔ)言及編譯環(huán)境；程序設(shè)計(jì)服務(wù)包含Web Service、Mobile Service等內(nèi)容；程序設(shè)計(jì)應(yīng)用則包含眾多的應(yīng)用領(lǐng)域，如管理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)游戲和Web應(yīng)用等。因此，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，思維層次也應(yīng)相應(yīng)地具有程序設(shè)計(jì)理論思維、程序設(shè)計(jì)技術(shù)思維、程序設(shè)計(jì)工程思維、程序設(shè)計(jì)工具思維、程序設(shè)計(jì)服務(wù)思維和程序設(shè)計(jì)應(yīng)用思維[7]。在教學(xué)過(guò)程中，每一層次的思維培養(yǎng)都能幫助學(xué)習(xí)者更好地熟悉和理解程序設(shè)計(jì)，反過(guò)來(lái)程序設(shè)計(jì)所體現(xiàn)的計(jì)算方法與思想也為學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的培養(yǎng)提供了依據(jù)與養(yǎng)分。

五、結(jié)束語(yǔ)

思維發(fā)展水平是學(xué)生成才的關(guān)鍵，計(jì)算思維讓學(xué)習(xí)者像計(jì)算機(jī)專(zhuān)家一樣去思考和解決問(wèn)題，它理應(yīng)在計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中占據(jù)越來(lái)越重要的位置。學(xué)習(xí)和思維不是彼此獨(dú)立的，計(jì)算機(jī)教育不應(yīng)僅僅停留在專(zhuān)業(yè)技術(shù)的學(xué)習(xí)上，怎樣把思維培養(yǎng)更好地融入專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，怎樣以一個(gè)更系統(tǒng)的更清晰的層次結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行思維培養(yǎng)，還有很多工作要做。

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