新工科背景下非計算機(jī)專業(yè)計算思維的培養(yǎng)模式探究

王 宇，陸 秋

（桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

“新工科”這一概念自2016年提出以來，教育部組織高校進(jìn)行深入研討，形成了“復(fù)旦共識”和“天大行動”。“新工科”不是局部考量，而是在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟(jì)背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，是今后我國工程教育發(fā)展的新思維、新方式[1]。2016年，國內(nèi)工科本科在校生538萬人，畢業(yè)生123萬人，專業(yè)布點17 037個。工科在校生占高等教育在校生總數(shù)的1/3。近年來，每年我國工科本科畢業(yè)生約占世界總數(shù)的1/3以上[2]。新經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展迫切需要新型工科人才支撐，需要高校面向未來布局新工科建設(shè)，探索更加多樣化和個性化的人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的工程科技人才。不斷推動新工科建設(shè)，主動適應(yīng)和引領(lǐng)新經(jīng)濟(jì)[3]。而計算思維是新型工科人才必備素質(zhì)，需要大力推廣和提升。

計算思維概念起源于美國麻省理工學(xué)院西蒙·帕佩特（Seymour Papert）教授，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授對其進(jìn)行了系統(tǒng)闡述和推廣，即“計算思維涉及運用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。計算思維涵蓋了反映計算機(jī)科學(xué)之廣泛性的一系列思維活動”[4]。在課堂教學(xué)中，程序語言設(shè)計是構(gòu)建和訓(xùn)練計算思維的重要依托課程。

C語言作為一門結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，是目前應(yīng)用最廣泛的程序設(shè)計語言之一，也是學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計語言的基礎(chǔ)。該課程通過講述C語言基礎(chǔ)理論，幫助學(xué)生初步形成獨立分析問題、解決問題的能力。在課程講授過程中，強(qiáng)調(diào)編程思想的重要性，注重計算思維培養(yǎng)。在教學(xué)互動中，通過對知識點的梳理和項目問題的解決，到達(dá)提高學(xué)生的計算思維的目的。以此課程作為計算思維培養(yǎng)模式研究的平臺具有普適性和一定的針對性。

1 存在的問題

目前，無論是計算機(jī)專業(yè)還是非計算機(jī)專業(yè)的程序設(shè)計課程，其教學(xué)基本沿用傳統(tǒng)的教學(xué)模式——講授法，即教師利用多媒體和黑板等教學(xué)手段，按照程序設(shè)計課程自有的知識體系進(jìn)行教學(xué)。按照概念、術(shù)語、語法、編程的順序講授。這種方式使得在教學(xué)過程中普遍存在以下問題：①課程教學(xué)目標(biāo)模糊，對學(xué)生能力的要求不具體；②課程教學(xué)內(nèi)容繁雜，課程知識體系有待優(yōu)化和調(diào)整；③課程教學(xué)方法陳舊，模式單一，教學(xué)理念和手段急需改革。

這是由于很多任課教師對課程教學(xué)目標(biāo)認(rèn)識不清，面對抽象繁雜的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法和手段單一，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，雖然掌握了大量的程序設(shè)計概念和語法，卻缺乏求解工程實際問題的科學(xué)思維能力、算法設(shè)計能力和編程實現(xiàn)能力[5]。

2 新工科背景下非計算機(jī)專業(yè)計算思維培養(yǎng)模式

“新工科”是有別于傳統(tǒng)工科的學(xué)科交叉產(chǎn)物，強(qiáng)調(diào)以信息化帶動工業(yè)化。相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是工程實踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。

在國家推動實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展背景下，從2016年開始開展新工科背景下非計算機(jī)專業(yè)計算思維的培養(yǎng)模式探究，以計算思維的培養(yǎng)為教學(xué)核心，在課程改革教學(xué)實踐活動中，以“一線三層四維”的思路開展教學(xué)，讓學(xué)生通過比較、分析、實踐等活動理解和掌握計算思維的科學(xué)思維方法，具體實現(xiàn)過程如下。

1）以“創(chuàng)設(shè)環(huán)境→項目引導(dǎo)→講授新知→合作探究→總結(jié)拓展”為主線。

通過貫穿教學(xué)活動的主線，完成教學(xué)的終極目標(biāo)，使學(xué)生掌握C語言基礎(chǔ)知識，具備一定的程序設(shè)計和程序調(diào)試能力，為今后使用計算思維解決實際問題及后續(xù)應(yīng)用型課程學(xué)習(xí)和相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。程序設(shè)計語言應(yīng)該成為學(xué)生利用計算思維將計算問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)程序的有效手段，使學(xué)生能夠通過程序設(shè)計更好地利用計算機(jī)的計算性能。

2）從技能、方法、思想3個層面，對學(xué)生的思維能力進(jìn)行分層培養(yǎng)。

在課程教授中，通過項目實施進(jìn)程的推進(jìn)，讓學(xué)生逐步掌握基礎(chǔ)的知識技能，深刻理解簡單系統(tǒng)開發(fā)的原理及過程。體會面向過程強(qiáng)調(diào)“自頂向下，逐步求精”以事件為中心的編程思想。通過學(xué)習(xí)該課程，學(xué)生掌握程序設(shè)計的基本方法和解決問題的思路，具備應(yīng)用計算機(jī)解決和處理實際問題的思維方法和基本能力。

3）從目標(biāo)層次化、項目生活化、評價過程化、方法多樣化4個維度啟發(fā)學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生興趣。

在設(shè)計培養(yǎng)目標(biāo)時，設(shè)定基礎(chǔ)級、提高級、進(jìn)階級、競賽級等不同目標(biāo)滿足不同層次學(xué)生的需求。在進(jìn)行項目設(shè)計時，注意選取和生活相關(guān)的項目，使學(xué)生在項目實施過程中，深刻體會利用計算機(jī)解決實際問題的思維和方法，達(dá)到培養(yǎng)計算思維的目的。

3 教學(xué)實施及效果

3.1 教學(xué)實施

課程教學(xué)更注重對實施過程的考核，注重學(xué)生的實時反饋。這樣一方面可以調(diào)動學(xué)生的參與熱情，另一方面有助于教師及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，做到有的放矢。在教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生探尋問題的多種解法，在啟發(fā)、探究、釋疑的過程中，進(jìn)一步分析、總結(jié)、改進(jìn)，尋找問題的優(yōu)化思路，將計算思維的優(yōu)化特性融入到程序設(shè)計的教學(xué)活動中。

3.1.1 注重成果導(dǎo)向

增加教學(xué)內(nèi)容，重新整合教材，以學(xué)生為主，采用“項目驅(qū)動式”“情景教學(xué)”等教學(xué)方法，將實踐教學(xué)項目化、工程化。在教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實際完成項目過程情況，教師輔助引導(dǎo)學(xué)生完成實踐任務(wù)。在實踐過程中，注重“以學(xué)生為本”，突出以學(xué)生為中心，全面鍛煉學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力。

培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用能力，包括掌握計算思維的基本知識和方法，能用計算思維及相關(guān)工具解決專業(yè)問題。比如通過各專業(yè)的數(shù)據(jù)處理，加深對專業(yè)知識的理解，形成從基本問題到綜合問題的解決思路，這些將有助于計算思維培養(yǎng)。

3.1.2 注重能力訓(xùn)練

陳國良院士提出計算思維教育的目的是培養(yǎng)一種思維習(xí)慣[6]。能力訓(xùn)練要符合學(xué)生的個性特點。哈爾濱工業(yè)大學(xué)戰(zhàn)德臣教授等用“計算之樹”給出了計算思維多維度的表述框架，認(rèn)為“0和1”“程序”“遞歸”三大思維最為重要[7]。

C程序設(shè)計課程蘊(yùn)含了大量的科學(xué)思維和方法，如選擇、循環(huán)、分治、遞歸等。該課程學(xué)習(xí)中很重要一點就是思維方法的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、掌握和運用。教師在教授專業(yè)知識的同時要轉(zhuǎn)換身份，跳出原有“老師教，學(xué)生學(xué)”的框架,不斷幫助學(xué)生形成和完善觀察世界、思考問題的方式。

采用現(xiàn)代化輔助教學(xué)手段（如微課、微助教、雨課堂、教育在線等）開展教學(xué)活動，提高學(xué)生在教學(xué)活動中的參與度。授課方式主要為理論知識講解和案例分析相結(jié)合，課后借助較完善的課程工程能力強(qiáng)化訓(xùn)練平臺，加強(qiáng)學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)編程的訓(xùn)練力度，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

3.1.3 注重參與互動

針對學(xué)生實際情況，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，從“教”與“學(xué)”兩方面加以改進(jìn)。主要從以下4個方面入手，如圖1所示。

圖1 項目驅(qū)動實時反饋流程圖

在課堂參與模塊實施過程中，構(gòu)建全新的項目化教學(xué)模式，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)主體，教師成為學(xué)生成長的引領(lǐng)者。在教學(xué)活動中穿插具有導(dǎo)向性和實效性的案例及討論。在課后復(fù)習(xí)模塊，通過微信、QQ等構(gòu)建數(shù)字化“新媒體”互動平臺，加強(qiáng)與學(xué)生的溝通和交流。

多方位的教學(xué)互動有助于活躍課堂氣氛，在允許錯誤和變化的寬松氛圍中提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，有助于學(xué)生綜合能力的發(fā)展，有助于計算思維能力的培養(yǎng)。同時，教師也可以從教學(xué)實踐活動中和理論講授中不斷提升自身水平。

3.1.4 注重過程考核

建立課程實施項目過程綜合考核評價體系，實行教學(xué)做一體化，建立綜合評價體系。全面、綜合、動態(tài)、長期、不斷更新，定期公開，及時溝通交流。老師明確任務(wù)，學(xué)生分析思考，按照擬定方案、查閱資料、完成項目、師生交流總結(jié)考核的流程開展教學(xué)活動。協(xié)同完成“啟動疑惑、發(fā)現(xiàn)問題、解析疑惑、解決問題”的教學(xué)過程。

為了保證目標(biāo)的順利達(dá)成，還需制定合理的質(zhì)量評價方案和目標(biāo)達(dá)成度評價表。課程改革后的課程考核更注重教學(xué)過程的考核，評價反饋貫穿整個教學(xué)活動。更加注重課程教學(xué)實施環(huán)節(jié)的學(xué)生反饋，鼓勵學(xué)生運用正確的思維方式對問題進(jìn)行思考和分析，敢于表達(dá)自己的觀點。

3.2 教學(xué)效果

1）提高學(xué)生的參與互動。

對學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)上問卷調(diào)查，共收集了294份有效問卷。將“一線三層四維”教學(xué)模式運用于C程序設(shè)計課程的教學(xué)實踐中，68.25%的非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生不再認(rèn)為程序設(shè)計是計算機(jī)專業(yè)特有的課程內(nèi)容，并認(rèn)為在今后工作中可以幫助其解決專業(yè)問題；64.73%的學(xué)生認(rèn)為程序設(shè)計有利于培養(yǎng)計算思維能力；45.13%的學(xué)生認(rèn)為“一線三層四維”的教學(xué)模式使編寫程序更貼近生活，更有趣，對課程學(xué)習(xí)有幫助，愿意主動參與教學(xué)活動；60.48%的學(xué)生認(rèn)為“項目化”教學(xué)有助于培養(yǎng)從基本問題到綜合問題的解決思路。

2）提高學(xué)生的整體能力。

從2016年實施教學(xué)改革以來，2年多的教學(xué)實踐證明，從知識點的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)到靈活運用的推進(jìn)是適合本校學(xué)生特點和能力的，很好地調(diào)動了更多學(xué)生參與教學(xué)活動的積極性。學(xué)生參加統(tǒng)一命題、閉卷考試，難度相近。在選修本課程的349名同學(xué)中，采用新的教學(xué)模式，學(xué)生考試平均分均有所提高,見表1。

表1 學(xué)生成績統(tǒng)計表

3）提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

按照分層要求鼓勵學(xué)有余力的同學(xué)自覺地進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)，鼓勵更多的同學(xué)挑戰(zhàn)不同難度的題目等級，按照“模仿、修改、編寫”的教學(xué)模式進(jìn)行實踐，取得了良好的教學(xué)效果，使學(xué)生邏輯思維能力、創(chuàng)造能力、綜合能力得到了一定提高，學(xué)生可以在老師指導(dǎo)下完成簡單項目任務(wù)，課題組授課老師指導(dǎo)學(xué)生參加“藍(lán)橋杯全國軟件和信息技術(shù)專業(yè)人才大賽”獲獎。

4 結(jié) 語

計算思維是基于計算機(jī)技術(shù)的科學(xué)思維，教學(xué)改革要符合并適應(yīng)計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展階段。從2016年起，先后在桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院、環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、商學(xué)院等4個學(xué)院進(jìn)行了基于C語言程序設(shè)計的非計算機(jī)專業(yè)計算思維的培養(yǎng)模式教學(xué)改革探索，按照“一線三層四維”的教學(xué)思想，通過設(shè)計教學(xué)任務(wù)，采用慕課、微課等教學(xué)手段，強(qiáng)調(diào)問題抽象建模、獨立分析解決問題的等計算思維能力的培養(yǎng)，從而切實提升學(xué)生的實際動手能力和靈活運用知識能力。今后在項目任務(wù)設(shè)計、描述和要求方面還將作進(jìn)一步完善。