基于“產教研思”的計算思維培養(yǎng)教學模式探討

韓萬江，楊金翠，孫鵬飛，高 慧，金 昕

（北京郵電大學計算機學院（國家示范性軟件學院），北京 100876）

0 引言

思維方式訓練是大學基礎課程的靈魂，而大學計算機課程對學生計算思維的訓練及思維形成具有重要影響。但一些學了大量計算機相關課程的學生仍不知道計算思維的本質是什么，因此重視計算思維訓練是當前課程改革的重要部分。大學計算機課程承擔著專業(yè)本科生計算機思維能力培養(yǎng)的任務，在當前新產業(yè)迅猛發(fā)展的前提下，計算機基礎教學如何在教學內容、教學方法等方面與時俱進地進行改革，從而實現(xiàn)計算思維能力培養(yǎng)目標，是非常值得深入探索的問題。

計算思維的本質是抽象和自動化，其反映了計算的根本問題，即什么能被有效地自動執(zhí)行。計算思維是人類求解問題的一條途徑，是人的思維，不是機器的思維。計算思維體現(xiàn)的是一種人們用于解決問題、管理日常生活、與他人交流和互動的與計算有關的思想。由計算思維產生的新思想、新方法使人們的思維模式發(fā)生變化，這些思維模式的改變反映在自然科學工程以及社會經濟與技術等各個學科領域。

為加快建設一流本科教育、全面提高人才培養(yǎng)能力，開展專業(yè)交叉融合建設，探索工工交叉、理工融合、工文滲透、文理協(xié)同的新工科專業(yè)建設及人才培養(yǎng)模式試驗改革。本文結合國學經典教育，通過文理交叉、產教融合、科教協(xié)同，探索大學計算機課程的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。在大學計算機（雙語）教學過程中，以國學智慧引發(fā)創(chuàng)新意識，同時實踐產教融合、科教融合，激發(fā)學生的學習興趣及探索未知的激情，探討國學筑基、產教融合、科教協(xié)同、創(chuàng)新激勵的“產教研思”一體化培養(yǎng)模式。

1 在“產教研思”中訓練計算思維

抽象思維是計算思維的主要模式，抽象是從眾多事務中抽取出共同、本質的特征，而舍棄非本質特征。思維是人腦對客觀現(xiàn)實概括與間接的反映，其反映的是事物本質及事物間的規(guī)律性聯(lián)系。抽象思維是理論化、系統(tǒng)化的世界觀，是對自然知識、社會知識、思維知識的概括與總結，是世界觀與方法論的統(tǒng)一。

中國老子的道家哲學是中國傳統(tǒng)哲學的代表，其核心之道就是通過抽象思維來尋找事物本質，是炎黃子孫哲學思想體系的精華，西方主流哲學家的思想也來源于老子思想。世界教科文組織統(tǒng)計表明，中國老子《道德經》是世界上發(fā)行量排名第2 的文化經典，有學者稱“老子的智慧是人類的智慧”，是很多企業(yè)家的寶典。本文將在課程中貫穿老子的“道常無為而無不為”的初心思想，通過實實在在的“無為之道”引導學生領會計算思維的本質、創(chuàng)新的本質，同時通過產教融合、科教融合，進一步探索產業(yè)鏈、創(chuàng)業(yè)鏈、人才鏈、價值鏈的相互銜接，探討國學筑基、產教融合、科教協(xié)同、創(chuàng)新激勵的“產教研思”一體化培養(yǎng)模式在大學計算機課程中的實施過程。

國學筑基表明將國學經典理念貫穿教育，人才培養(yǎng)要堅持“德育為先、德學兼修”的全面育人觀，把思想政治工作融入人才培養(yǎng)全過程以及各個教學環(huán)節(jié)。習近平總書記強調：“辦好我國高校，辦出世界一流大學，必須牢牢抓住全面提高人才培養(yǎng)能力這個核心點”。立德樹人是高校立身之本，人才培養(yǎng)質量是高等教育的生命線。國學經典進課堂，是培育與踐行社會主義核心價值觀、落實立德樹人根本任務的重要基礎。

斯坦福大學是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的杰出典范，其創(chuàng)建者利蘭·斯坦福是當時美國著名的實業(yè)家，他從自身創(chuàng)業(yè)經歷出發(fā)，認為美國東部傳統(tǒng)名校注重紳士教育，但培養(yǎng)的學生缺乏專業(yè)技能與實踐能力，新興農工學院的畢業(yè)生雖具備專業(yè)技能，但又缺乏人文修養(yǎng)與創(chuàng)新能力。其在決定投資創(chuàng)建斯坦福大學時，就明確了在人文修養(yǎng)與專業(yè)技能相結合的基礎上，著重培養(yǎng)以學以致用為目的的創(chuàng)新素養(yǎng)。這種傳統(tǒng)理念也深刻影響了其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的開展，形成了對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的基本認知：不論專業(yè)背景，所有學院的學生在自由教育環(huán)境中培養(yǎng)多元化的世界觀和深厚的文化修養(yǎng)；將創(chuàng)業(yè)者的經驗、知識與技能以及對創(chuàng)業(yè)的理解傳遞給學生，讓其成為明天的創(chuàng)新者和領導者，使創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成為學生的一種思維及生活方式。

科教融合的本質就是在“科研—教學—學習”過程中進行知識的創(chuàng)新、傳授、傳播與傳承，使師生進行互動式的學術探究?？平倘诤鲜鞘澜缫涣鞔髮W辦學的核心理念，而產教融合培養(yǎng)人才，需要堅持產業(yè)需求導向與教育目標導向相統(tǒng)一，推動高校與行業(yè)企業(yè)深度合作培養(yǎng)人才，著力提高學生的綜合素質及適應能力。

本文借鑒國學經典思想，按照“器”“術”“道”的階梯框架逐層深入進行研究探討。通過引入國學經典，將文化素養(yǎng)與專業(yè)智慧相結合，并通過產業(yè)與教學的融合、科研與教學的協(xié)同，啟迪學生深入思考，體悟創(chuàng)新的核心內涵，最終形成如圖1所示的階梯式培養(yǎng)模式框架體系。

Fig.1 “Industry-teaching-research-thinking”integrated cultivation mode framework圖1 “產教研思”一體化培養(yǎng)模式框架

其中，“器”對應課程知識體系，“術”對應知識的實踐及應用技能，“道”對應知識的拓展與創(chuàng)新。在該一體化培養(yǎng)模式中，利用老子“道”的思想貫穿始終，建筑思政基礎，再通過企業(yè)技術平臺的融入、科研項目的協(xié)同，提升學生的實踐能力，體會知識應用的方法，逐步體悟出“道”的本質，從而明白從0到1的創(chuàng)新過程。

教學不是簡單的知識傳授，而是知識、能力與素質培養(yǎng)的有機融合，強調培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和思維習慣。美國著名教育家、心理學家本杰明·布盧姆（Bloom）從認知領域對教育目標進行分類，將認知過程分為知識、理解、應用、分析、綜合和創(chuàng)新6 個層次，其中知識、理解與應用屬于低層次認知，分析、綜合與創(chuàng)新屬于高層次認知。上述的“產教研思”一體化培養(yǎng)模式也是對Bloom 六層教學法的核心表述，由此更能說明老子智慧是全世界的智慧。

2 “產教研思”一體化實施過程

本節(jié)探討的實施方法與步驟是基于圖1 的3 個層次逐級展開研究的。

2.1 器：課程知識體系

知識點是整個教學的基礎，對應老子思想的“有”（或“名”），是看得到的內容。圖2 是大學計算機（雙語課）課程的知識點。

Fig.2 College computer（bilingual）course knowledge points圖2 大學計算機（雙語）課程知識點

這些知識是“器”，是有形的知識內容，同時引導學生進一步看到知識背后的本質——知識的核心目的，即老子思想的“無”，不斷提高人文素養(yǎng)。圖2 是本課程的知識點，計算思維訓練是課程內容的核心，以計算思維為導向深入理解計算機基礎知識，為后續(xù)課程做好準備。因此，計算思維是大學計算機課程的“無為”本質，課程中通過案例闡述計算思維，并引導學生理解計算思維的本質。

總之，在這一層需要學生領會知識本身的“有”，同時思索隱藏知識背后的“無”，引導學生思考知識的本質。正如老子說“有之以為利，無之以為用”，從而培養(yǎng)學生深入思索、探求未知，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。

2.2 術：實踐與應用

“術”是在知識掌握過程中逐步磨練的技能，本文思路是進一步通過產教融合、科教協(xié)同，使學生加深對知識的理解，通過實踐應用知識，切身體會老子“有與無”的智慧真諦。產教融合是新時代的產物，是一種新的教育方式，具有多主體、多類型、多層次和體系化等特征。多年來，教學團隊在融合模式上不斷探索與創(chuàng)新，經過多年發(fā)展，逐步形成多種形式的產學合作模式，構建課程融入企業(yè)平臺—企業(yè)專家進課堂—學生走進企業(yè)的產教融合框架體系，如圖3 所示。通過與用友等企業(yè)合作，將課程內容融入企業(yè)技術平臺，同時企業(yè)專家也走入課堂講述企業(yè)的技術發(fā)展情況。在課程實踐階段，學生走入企業(yè)參觀學習，深入體會計算思維的本質。

Fig.3 Industry-education integration framework system圖3 產教融合框架體系

另外，為了讓學生盡早融入科研，課程實踐中通過科研項目的協(xié)同，實現(xiàn)科教融合。同時讓該項目在不同課程中實現(xiàn)連續(xù)性，甚至進一步延續(xù)到畢業(yè)設計項目中，實現(xiàn)項目驅動式的創(chuàng)新課程體系。

總之，在“術”這一層面的教學過程中，重點通過產教融合、科教協(xié)同，提升學生“術”的技能，從而為體悟知識本質的“道”奠定基礎。

2.3 道：拓展與創(chuàng)新

通過實踐能力的培養(yǎng)，以及“無為”思想的引導，培養(yǎng)學生“道”的境界。高階性課程應滿足高層次的認知需求。因此，課程將進一步提升學生的高層次認知，在講授完知識點后，需要引導學生思考知識點隱藏的本質。在培養(yǎng)學生解決復雜問題能力的同時，進一步鍛煉學生尋找解決問題之“道”，不能只停留在低層次認知，而需要進行深入思考，讓學生體會“庖丁解牛”的尋“道”之旅。在該過程中將采用循環(huán)改進方式，如圖4 所示。該過程是開啟學生智慧的過程，也是將知識逐步轉化為“文化”的過程，讓學生在“化”的過程中逐步體悟到智慧之道，體會到創(chuàng)新的核心在于“智慧之道”。

Fig.4 Improvement of the thinking cycle圖4 思維的循環(huán)改進

3 實施效果

“產教研思”一體化教學模式的實施，訓練了學生的計算思維，使學生的學習熱情和成績都有一定程度提高。表1、圖5 展示了實施一體化教學模式后的學生平均成績呈逐年提高趨勢，尤其是實踐能力的提高更為明顯。

Table 1 Comparison of the composition of grades from 2019 to 2021表1 2019-2021年各項成績比較

4 總結與展望

Fig.5 Comparison of total grades from 2019 to 2021圖5 2019-2021年總成績比較

新時代賦予了高校開展創(chuàng)新教育的責任，需要用新的目標、新的視野、新的理念、新的舉措進行教學，培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新精神的應用型人才。本文以專業(yè)交叉融合建設需求為導向，著力研究培養(yǎng)學生計算思維的教學體系與培養(yǎng)模式。該培養(yǎng)模式的創(chuàng)新點如下：

（1）工文滲透，文理結合，國學經典引領基礎，課程思政潤物細無聲。將國學經典貫穿全程，培養(yǎng)學生從學習知識到體悟文化，在文化素養(yǎng)培養(yǎng)過程中體悟創(chuàng)新源泉，將思政融入課程，潤物細無聲。

（2）產教融合。課程內容融入企業(yè)平臺，企業(yè)專家走進課堂，學生走進企業(yè)。

（3）科教協(xié)同。課程中融入科研項目與產業(yè)應用實踐，通過科研反哺教學，協(xié)同發(fā)展。

（4）層次化與挑戰(zhàn)度。開展探究式學習和個性化學習，通過提升課程挑戰(zhàn)度進一步培養(yǎng)學生解決問題的能力。

（5）一體化融合。構建國學筑基、產教融合、科教協(xié)同、創(chuàng)新激勵、產教研思相互支撐的一體化培養(yǎng)模式。

總之，本模式參考了國內外先進的教學理念，以“國學為滋養(yǎng)”建筑基礎，通過“產教融合”“科研協(xié)同”培養(yǎng)學生的探索精神，將文化素養(yǎng)與專業(yè)技能有機結合。期望通過不斷的實踐、反饋、改進的循環(huán)，探究出可以廣泛推廣的“產教研思”一體化人才培養(yǎng)模式。未來還將在原有課程的基礎上不斷嘗試新的教學方式，結合混合教學過程進一步完善一體化人才培養(yǎng)模式。