計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程中有效培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的研究與探索

黃靜 段濤

摘? 要： 隨著大數(shù)據(jù)和智能化的推進(jìn)下，計(jì)算思維的力量被加速地放大，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中，僅僅掌握對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，選擇Python為非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生提供信息化時(shí)代的交流工具，通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)探索、課程講授引導(dǎo)、課程學(xué)習(xí)反饋，有效培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，為應(yīng)對和參與醫(yī)療信息化和智能化做好鋪墊。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算思維;有效培養(yǎng);計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程

中圖分類號： TP3-05? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.068

本文著錄格式：黃靜，段濤. 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程中有效培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的研究與探索[J]. 軟件，2020，41（10）：268269+281

【Abstract】： With the advancement of big data and intelligence， the power of computing thinking is accelerated to enlarge. In the basic computer courses， it is not enough to only master the application technology of computer foundation. Python is chosen to provide the non computer major students with the communication tools in the information age. Through students independent study and exploration， course teaching and guidance， and course learning feedback， students computing thinking can be effectively cultivated， which paves the way for coping with and participating in medical informatization and intelligence.

【Key words】： Computational Thinking; Effective training; Computer programming course

0? 引言

計(jì)算思維在2006年由美國科學(xué)家周以真教授提出，指人在利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維方式來解決問題的思維活動(dòng)。作為一項(xiàng)必備技能，計(jì)算思維是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)解決問題的思路和方法，是為數(shù)字中國培養(yǎng)人才的必要環(huán)節(jié)。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的關(guān)鍵課程，創(chuàng)新教學(xué)方式方法，強(qiáng)化對學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和專業(yè)素養(yǎng)，是課程改革的大勢所趨。

1? 計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的核心任務(wù)

2010年7月西安交通大學(xué)舉辦了首屆“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”，陳國良院士作了“計(jì)算思維能力培養(yǎng)研究”的報(bào)告，并主持了該專題的討論。同時(shí)，在《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中提出：旗幟鮮明地把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[1]。

2012年教育部高教司設(shè)立了以計(jì)算思維為切入點(diǎn)的“大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目”。2013年5月中旬，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(huì)針對在高校計(jì)算機(jī)教育中加強(qiáng)計(jì)算思維的研究和教育進(jìn)行了深入的討論，并在此發(fā)表旨在大力推進(jìn)以計(jì)算思維為切入點(diǎn)的《計(jì)算機(jī)教學(xué)改革宣言》，旨在通過培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的意識和方法，提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平[2]。

計(jì)算思維古已有之，可追溯到二十世紀(jì)五十年代，與理論思維、實(shí)驗(yàn)思維共同構(gòu)成了人類的三大科學(xué)思維，但是相對于理論思維在數(shù)學(xué)中和實(shí)驗(yàn)思維在物理學(xué)中的培養(yǎng)和應(yīng)用來說一直以來計(jì)算思維不為人所知，直到2006年，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（CMU）的周以真教授，發(fā)表了題為Computational Thinking 的文章， 清晰系統(tǒng)地闡述了建立在計(jì)算機(jī)處理能力及其局限性基礎(chǔ)之上的思維方式——計(jì)算思維，將計(jì)算思維引入了人們的視線[3]。

一直以來教師們在計(jì)算機(jī)教學(xué)中都無意識的應(yīng)用著計(jì)算思維，但并未對計(jì)算思維的培養(yǎng)和考核進(jìn)行過系統(tǒng)化思考，伴隨著以計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算思維的力量被加速地放大，了解、學(xué)習(xí)、掌握和應(yīng)用計(jì)算思維去解決與自己專業(yè)相關(guān)的信息技術(shù)問題是非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生迫切需要面對的問題。

2? 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育現(xiàn)狀

長期以來高校的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程理論內(nèi)容主要包括數(shù)字化世界、計(jì)算機(jī)硬件的組成、計(jì)算機(jī)軟件家族、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫與多媒體技術(shù)等內(nèi)容，實(shí)踐內(nèi)容主要包括操作系統(tǒng)的應(yīng)用、辦公軟件的使用、數(shù)據(jù)庫的使用和多媒體制作等內(nèi)容[4]。

在大數(shù)據(jù)時(shí)代邁向智能化時(shí)代的背景下，對于大學(xué)生來說計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，未來的工作中在對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、呈現(xiàn)和應(yīng)用的情況下，在與大量的智能體進(jìn)行交流和合作的情景下，對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的人來說編程語言是一個(gè)重要的交流工具[5]。高校目前針對編程語言的教學(xué)主要圍繞著C語言、C++、C#、VB、Java等，作為非計(jì)算機(jī)專業(yè)的初學(xué)者比較有難度，而Python從誕生之初就被譽(yù)為最容易上手的編程語言，Python入門快、功能強(qiáng)大、高效靈活的特點(diǎn)，無論是想進(jìn)入數(shù)據(jù)分析、人工智能、網(wǎng)站開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)安全、集群運(yùn)維這些領(lǐng)域，還是希望掌握第一門編程語言，都是很好的起點(diǎn)[6]。

在綜合了解了高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的現(xiàn)狀前提下，結(jié)合我校學(xué)生學(xué)情，引入了計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程（python）作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程選修課程，在鋪墊了計(jì)算機(jī)知識、能力、素質(zhì)的前提下，提升非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問題的能力與水平。

3? 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程中計(jì)算思維培養(yǎng)存在的問題

目前在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程中，重視培養(yǎng)學(xué)生的算法思維，在掌握python語言基本的編寫規(guī)則的前提下，撰寫針對具體問題的一系列詳細(xì)指令。算法思維是計(jì)算思維的一部分，強(qiáng)調(diào)在對問題的抽象分析前提下，用python指令來解決問題。但是，計(jì)算思維的培養(yǎng)存在如下問題：

（1）計(jì)算思維的培養(yǎng)尚未形成體系，在日常教學(xué)的過程中，都有運(yùn)用到計(jì)算思維，但是沒有對計(jì)算思維做一個(gè)系統(tǒng)的思考研究并且推廣于實(shí)際教學(xué)中，切實(shí)提高學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的能力。

（2）對計(jì)算思維的重要性認(rèn)識不足，將對學(xué)生的培養(yǎng)停留在掌握python語言的工具層面，未能提升到學(xué)科的思維層面，計(jì)算思維的教學(xué)引導(dǎo)欠缺。

（3）教學(xué)模式單一，教師主導(dǎo)的課堂，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性上不足，為將計(jì)算思維有效融入在教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)案例的選擇上需要再思考[7]。

（4）在18學(xué)時(shí)的授課時(shí)間內(nèi)，對課程體系的把握不夠精煉，作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，面向不同專業(yè)背景的學(xué)生，面向不同計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的學(xué)生，應(yīng)對不足。

（5）大部分同學(xué)的思維仍舊停留在把計(jì)算機(jī)當(dāng)作工具用即可，僅僅了解學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的基本知識、基本操作，在python語言的學(xué)習(xí)過程中停留在把代碼抄寫正確能夠運(yùn)行即可的目標(biāo)上，不求甚解。

4? 基于計(jì)算思維有效培養(yǎng)的教學(xué)改革

在18個(gè)學(xué)時(shí)的授課中精簡課程體系，教學(xué)內(nèi)容包括Python語言基本語法、算法的基本結(jié)構(gòu)、函數(shù)和簡單第三方庫的使用，在對Python語言第三方庫的應(yīng)用中啟發(fā)學(xué)生解決實(shí)際醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)問題能力。

4.1? 學(xué)生自主學(xué)習(xí)探索

通過課程資源網(wǎng)站發(fā)布學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)任務(wù)和目的，讓學(xué)生通過視頻資源或推薦閱讀，在課前進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，比如Python語言的基本語法結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，并對教師提出的問題進(jìn)行思考和回答，對課程的講解進(jìn)行鋪墊，將教師從基礎(chǔ)性知識的教學(xué)中解放出來，提升課堂效率;讓學(xué)生在課后對課堂上的講解進(jìn)行消化并完成課程任務(wù)，以小組合作或個(gè)人獨(dú)立完成的形式進(jìn)行問題選擇、調(diào)研和解決，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力。

4.2? 課程講授引導(dǎo)

算法思維的講授培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，Python課程的講解面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，課程學(xué)時(shí)有限，學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，算法思維的講解選擇哪些內(nèi)容如何推進(jìn)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的重難點(diǎn)工作。在課程的進(jìn)行中，采取案例教學(xué)，選取綜合性、趣味性、探究性的教學(xué)案例，選取與學(xué)生專業(yè)相關(guān)的案例，將算法思維的講解通過案例呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生通過案例了解到，面對問題如何分析建模優(yōu)化求解的過程，是對算法思維講解潤物無聲進(jìn)行推進(jìn)的過程。

計(jì)算思維是對問題進(jìn)行拆解、分析建模、抽象為算法并解決問題的過程[8]。計(jì)算思維包含算法，但不僅僅是算法。它包含有對要解決問題的分析，在一開始要對問題有詳細(xì)確切的了解;在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基本的物理模型或模式并建立數(shù)學(xué)模型;然后才是選擇計(jì)算方法確立算法最后解決問題。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程中計(jì)算思維的有效培養(yǎng)，將傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程從側(cè)重算法提升到計(jì)算思維的培養(yǎng)，提升了課程教學(xué)的廣度和深度，課堂的重點(diǎn)放在通過討論，通過對典型案例的分析，讓學(xué)生掌握問題的重點(diǎn)和關(guān)鍵詞，從多方面探討問題求解的方式，在分析求解的過程中，讓學(xué)生逐漸掌握計(jì)算思維解決問題的流程和方式方法，為以后自己專業(yè)的信息化改革做好知識儲(chǔ)備，也為以后融入和引領(lǐng)醫(yī)療的信息化改革和醫(yī)療的智能化改革做好鋪墊。

4.3? 課程學(xué)習(xí)反饋

課堂時(shí)間緊湊，通過課前課后的反饋，有問題實(shí)時(shí)提出，集中解決。學(xué)生可以通過釘釘或者微信，提出自己在學(xué)習(xí)過程中疑惑和有困難的問題，教師集中解決。為了提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，教師將學(xué)生做的案例放到釘釘或者微信群中，讓學(xué)生一起來研討，總結(jié)糾正代碼編寫中的問題和錯(cuò)誤，共同推進(jìn)問題的解決。同時(shí)將優(yōu)秀的代碼呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生體會(huì)簡潔高效代碼的編寫，相互學(xué)習(xí)，促進(jìn)高效編程。

5? 結(jié)語

社會(huì)信息化不斷向縱深發(fā)展，各行各業(yè)的信息化進(jìn)程不斷加速。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程順應(yīng)了當(dāng)前計(jì)算思維的發(fā)展趨勢，踐行了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求，滿足了不同層次不同專業(yè)同學(xué)對提升計(jì)算機(jī)知識結(jié)構(gòu)的要求，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的可持續(xù)發(fā)展。

在對計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程講授的過程中，將對知識的講授目的從掌握技術(shù)提升到熟練思維，探索用系統(tǒng)的計(jì)算思維作為理論化背景引導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐，為計(jì)算思維的培養(yǎng)研究拋磚引玉。

參考文獻(xiàn)

[1]九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明[J]. 中國大學(xué)教學(xué)， 2010（9）： 4+9.

[2]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(huì). 計(jì)算思維教學(xué)改革宣言[J]. 中國大學(xué)教學(xué)， 2013（7）： 7-10.

[3]范文翔， 張一春， 李藝. 《國內(nèi)外計(jì)算思維研究與發(fā)展綜述》[J]. 遠(yuǎn)程教育雜志， 2018（2）： 3-15.

[4]諶文芳， 高海波， 諶興宇. 面向計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容改革[J]. 課程教育研究， 2017（51）： 242-243.

[5]陳萱華， 楊玲. 計(jì)算機(jī)教學(xué)中計(jì)算機(jī)思維能力的培養(yǎng)[J]. 公安海警學(xué)院學(xué)報(bào)， 2019， 18（3）： 29-33.

[6]楊春麗， 邢英俊. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與計(jì)算思維關(guān)系探討[J]. 信息與電腦（理論版）， 2017（3）： 254-256.

[7]徐瑾. PBL教學(xué)模式下的計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)策略實(shí)踐及思考分析[J]. 學(xué)苑教育， 2020（16）： 84.

[8]張文蘭， 閆怡， 劉盼盼. 教育者計(jì)算思維教學(xué)能力及其發(fā)展路徑——美國ISTE《教育者標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算思維能力》解讀與啟示[J]. 中國遠(yuǎn)程教育， 2020， 41（7）： 60-68.