以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革實踐探究

劉啟岳

（淮南聯(lián)合大學(xué)，安徽 淮南 232038)

0 引言

計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動[1]。2006年3月，著名的計算機科學(xué)家周以真教授提出計算思維這一概念，2010年10月，我國計算機專家陳國良院士率先把計算思維納入大學(xué)計算機教學(xué)范疇。在陳國良院士的帶領(lǐng)下，計算思維的培養(yǎng)成為國內(nèi)計算機基礎(chǔ)教育界的一個重要研究課題，研究熱潮持續(xù)至今，研究成果持續(xù)創(chuàng)新。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算思維已進入了2.0時代，大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用對社會的影響越來越明顯。當(dāng)前新時代背景下，大學(xué)生應(yīng)具備的計算機能力不僅僅是會使用操作系統(tǒng)和常用的辦公軟件，還應(yīng)充分認識大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的分析、統(tǒng)計和應(yīng)用。下面本文以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向?qū)Υ髮W(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)改革進行探討。

1 計算思維概述

廣義上理解，計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念來分析問題、設(shè)計系統(tǒng)以及理解人類行為等事務(wù)的思維活動。狹義上理解，計算思維是用計算機領(lǐng)域中的遞歸、并行等簡單的方法對困難的問題進行建模、分解的意識行為。計算思維的定義概括為三個層次的內(nèi)容，分別是計算思維意識、計算思維方法和計算思維能力，簡單地闡述如下。

1.1 計算思維意識

從古至今，計算思維一直伴隨著人類社會文明不斷發(fā)展。古代的算盤、現(xiàn)代的云計算等，都是人類運用計算思維的成果。在傳統(tǒng)大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)過程中，計算思維的內(nèi)容其實已經(jīng)存在于課程教學(xué)內(nèi)容之中，只是沒有作為一個專題概念來設(shè)計，沒有列為大學(xué)生思維訓(xùn)練定制的方向。

1.2 計算思維方法

計算思維的核心內(nèi)容是計算思維方法。按照周以真教授的理念，計算思維方法分成兩大類，一是來自數(shù)學(xué)和工程領(lǐng)域的計算思維方法，二是計算機科學(xué)領(lǐng)域獨有的方法[2]。例如，數(shù)學(xué)中的計算積分，人類思維方法是利用函數(shù)變換來求解積分，而計算機思維方法是：將指定計算的積分區(qū)間按照一定的方法進行分解，把一個大的區(qū)間分解成若干很小的區(qū)間，然后計算這些小區(qū)間的面積，最后將這些小區(qū)間的面積累加，就得到了所求區(qū)間的總面積，即該區(qū)間的積分。

在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容中，各章節(jié)的概念、知識點其實都與一種計算思維方法相對應(yīng)。例如，程序設(shè)計課程中迭代法、遞歸法等各種常用算法都是運用計算思維方法解決問題的具體實踐。

1.3 計算思維能力

訓(xùn)練計算思維的目的是要運用計算思維能力來分析問題和解決問題。從計算機應(yīng)用的角度來說，就是用計算思維方法對問題進行描述，用文字、數(shù)字、字母和符號等元素構(gòu)建問題模型，運用計算機技術(shù)來實現(xiàn)一些功能，達到一定的預(yù)期效果。比如創(chuàng)建一個網(wǎng)站、設(shè)計一個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)、開發(fā)一個軟件等，都是計算思維能力在計算機應(yīng)用中的表現(xiàn)。

2 以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)改革方案

隨著中等教育信息技術(shù)課程的普及和社會信息化水平不斷提升，大學(xué)生在進入大學(xué)校園時，對計算機知識已經(jīng)有了一定的了解，對信息技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)有了一定的掌握。單純講授計算機基礎(chǔ)知識已經(jīng)不能滿足當(dāng)代大學(xué)生對計算機知識學(xué)習(xí)的需求。近十幾年來，隨著對于計算思維理論的深入研究，以及實踐應(yīng)用的經(jīng)驗增長，人們對于計算思維的本質(zhì)內(nèi)涵也有了越來越深刻的認識[3]。在這個時期把計算思維納入大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容中來，增加了教學(xué)的內(nèi)涵，下沉了教學(xué)的深度，提高了教學(xué)目標(biāo)。通過對新的教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，在培養(yǎng)大學(xué)生熟練掌握日常學(xué)習(xí)、生活、工作中的計算機操作技能同時，激發(fā)大學(xué)生的計算思維能力，鼓勵大學(xué)生思維創(chuàng)新。

目前高校的計算機基礎(chǔ)教學(xué)主要有“1+X”和“2+X”兩種課程體系，其中的“1”“2”是指必修課的門數(shù)，“1+X”就是一門必修課加若干門選修課，“2+X”則是指兩門必修課加若干門選修課。采用“1+X”模式時，必修課是“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”；當(dāng)采用“2+X”模式時，必修課是“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”和“程序設(shè)計”課程。注重在計算機基礎(chǔ)教學(xué)中培養(yǎng)計算思維，與兩種課程體系并不矛盾，只需要將原來的教學(xué)方案做一定的改進和優(yōu)化即可?，F(xiàn)提出探討改革方案如下：

2.1 大學(xué)計算機基礎(chǔ)

大學(xué)計算機基礎(chǔ)是計算機教學(xué)中最基礎(chǔ)的部分，是所有專業(yè)的必修課程，課程內(nèi)容主要包括計算機基礎(chǔ)知識、操作系統(tǒng)（以Windows 為主）、Word、Excel、PPT、數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)絡(luò)等。不同學(xué)科專業(yè)的學(xué)生就業(yè)方向不同，專業(yè)崗位設(shè)置區(qū)別較大，對計算機知識的掌握程度和操作技能有明顯的區(qū)別，因此在計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)中，將教學(xué)內(nèi)容按照不同專業(yè)學(xué)科設(shè)置不同的偏重，可以更符合專業(yè)人才培養(yǎng)方案的需要。比如面向理工類專業(yè)，可以增加一些程序設(shè)計的內(nèi)容，將程序設(shè)計課程中的基礎(chǔ)知識調(diào)整到第一學(xué)期；面向醫(yī)學(xué)類專業(yè)，可以增加人工智能和大數(shù)據(jù)方面的內(nèi)容；面向經(jīng)濟類專業(yè)，可以增加辦公自動化高級應(yīng)用方面的內(nèi)容；面向人文藝術(shù)類專業(yè)，可以增加動畫制作方面的內(nèi)容（如圖1) 。

圖1 大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程根據(jù)各專業(yè)性質(zhì)開設(shè)的偏重

以理工類專業(yè)為例，具體的教學(xué)方案可以安排如下：壓縮計算機基礎(chǔ)知識、操作系統(tǒng)和Office辦公軟件的授課時間，計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)兩部分知識的教學(xué)時間不變，用計算思維和程序設(shè)計算法教學(xué)內(nèi)容來填補縮減的學(xué)時（約3周,共計12學(xué)時）。填補的學(xué)時授課安排如下：

1) 在引入計算思維教學(xué)階段，用4學(xué)時講授計算思維基礎(chǔ)知識。主要內(nèi)容包括：①精講理論思維、實驗思維和計算思維三大科學(xué)思維，計算思維的概念及其作用；②精講計算理論1.0 內(nèi)容，主要包括馮·諾依曼計算模型、圖靈機模型、停機問題、圖靈法則、計算復(fù)雜性P&NP 等問題；③精講計算理論2.0 內(nèi)容，主要包括大數(shù)據(jù)計算、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和移動計算等方面。

2) 第二階段，用8學(xué)時講授程序設(shè)計基本知識和基本算法。讓學(xué)生掌握基本編程的能力，可以進行基礎(chǔ)的計算，明白程序自動執(zhí)行的原理。運用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，讓學(xué)生在課前對知識點進行預(yù)習(xí)，在課堂上結(jié)合實例表述個人對計算思維的理解，激發(fā)學(xué)生的思維能力，還可以通過拓展第二課堂的學(xué)習(xí)渠道，開展專題研學(xué)活動，強化學(xué)習(xí)效果（如圖2) 。

圖2 計算機基礎(chǔ)融入計算思維學(xué)時調(diào)整

在教學(xué)實施過程中，注重以問題驅(qū)動方式引導(dǎo)學(xué)生從計算思維的角度去思考、分析和解決問題，鍛煉學(xué)生的計算思維能力。例如，讓學(xué)生思考計算科學(xué)的兩個基本問題：在哪方面計算機比人有優(yōu)勢，在哪些方面計算機又不如人？講授操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識時，可以將“如果公交車長時間不到站，該由誰來承擔(dān)責(zé)任？”類似的問題作為授課主線，發(fā)散學(xué)生的思維。這樣不僅可以讓學(xué)生牢牢掌握知識點，還可以讓學(xué)生的計算思維能力得到充分鍛煉。

2.2 程序設(shè)計課程

作為一種表達思維的方式，計算機程序中采用了各種技術(shù)和手段，不僅為編寫程序所采用，而且已經(jīng)廣泛應(yīng)用到其他領(lǐng)域，只要是需要精確描述一種工程組織或者工藝過程，都采取了類似于計算機程序的表達方法[4]。在以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的計算機基礎(chǔ)教學(xué)中，計算機程序中各種技術(shù)和手段的運用是程序設(shè)計課程教學(xué)的重點。程序設(shè)計課程內(nèi)容主要包括三大塊，分別是程序設(shè)計語言、算法和編程，其中算法部分是用來分析問題和解決問題的，屬于計算思維的內(nèi)容。在傳統(tǒng)教學(xué)中，程序設(shè)計課程安排在第二學(xué)期授課，學(xué)生入學(xué)時的學(xué)習(xí)熱情消減，授課學(xué)時也有限，而授課內(nèi)容較多且學(xué)習(xí)難度更高，因此學(xué)習(xí)效率低，知識點難以充分理解和消化?，F(xiàn)提出以下教學(xué)改革方案：

1) 將程序設(shè)計課程的基礎(chǔ)知識部分調(diào)整到大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中講授，具體包括程序設(shè)計語言基礎(chǔ)、計算理論概論、數(shù)據(jù)的描述、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計、算法的基本概念等，共計8學(xué)時。

2) 根據(jù)計算思維培養(yǎng)的要求，對教材中的案例進行重新篩選和排序，教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生從計算思維的角度去尋求解決問題的方法。運用計算思維求解問題的一般步驟包括以下幾點：①對需要解決的問題進行抽象化的描述，并建立模型；②根據(jù)建立的問題模型，設(shè)計適當(dāng)?shù)乃惴?，使問題得到解決；③根據(jù)設(shè)計的算法，進行計算機編碼、運行、調(diào)試，實現(xiàn)問題求解；④對問題進行適當(dāng)延伸與擴展，得到解決同類問題的方法。

運用PDCA 管理機制，讓學(xué)生重復(fù)計劃、執(zhí)行、檢查和處理四個環(huán)節(jié)，在實踐中鍛煉運用計算思維分析問題和解決問題的能力，也可以體會計算思維抽象和自動化的本質(zhì)（如圖3) 。

圖3 PDCA管理機制鍛煉計算思維能力

3) 在教學(xué)中引入應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)節(jié)。根據(jù)教學(xué)計劃學(xué)時的調(diào)整，學(xué)生有充分的時間可以用于實踐。制定應(yīng)用程序項目開發(fā)任務(wù)書，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)的程序設(shè)計知識，綜合運用計算思維能力和程序設(shè)計能力，完成項目開發(fā)任務(wù)，掌握應(yīng)用程序開發(fā)的基本技能。制定多樣化的任務(wù)書，針對學(xué)習(xí)Java語言課程的學(xué)生，可以設(shè)計為經(jīng)典算法和圖形技術(shù)方向，實現(xiàn)專業(yè)問題或者生活趣味問題的程序開發(fā)；針對學(xué)習(xí)C、C++語言課程的學(xué)生，可以設(shè)計綜合性較強的任務(wù)，需要綜合運用結(jié)構(gòu)、鏈表、數(shù)組、文件等相關(guān)知識。

2.3 “X”門應(yīng)用課程

“X”課程指選修課程，主要是培養(yǎng)學(xué)生運用計算機技術(shù)解決問題的能力，特別是解決所學(xué)專業(yè)有關(guān)問題的能力?！癤”課程的教學(xué)在計算思維培養(yǎng)中占有非常重要的地位，計算思維教學(xué)改革是一項系統(tǒng)工程，計算思維的培養(yǎng)不是一門課程能夠造就的[5]。“X”課程可以涵蓋創(chuàng)意類、開發(fā)類、數(shù)據(jù)類和應(yīng)用類，具體課程見下表1。

表1 “X”課程參考目錄

3 教學(xué)質(zhì)量保障

要確保計算思維培養(yǎng)在計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中取得顯著的成效，在對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計的改革的前提下，教材的選定、教師教學(xué)能力的提升和教學(xué)環(huán)境的優(yōu)化需要配套進行。

3.1 教材的選定

教材是教學(xué)體系中的重要因素，要保證計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容符合計算思維導(dǎo)向，首先要更新教材的內(nèi)容，滿足全新的教學(xué)改革方案的需要；其次教材設(shè)計要更加精準(zhǔn)，采用碎片化的知識體系，激發(fā)大學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，確保知識傳授更加高效。

3.2 教師能力的提升

計算思維導(dǎo)向的教學(xué)模式對教師教學(xué)能力提出了新的要求。要培養(yǎng)大學(xué)生的計算思維能力，首先教師要具備善于啟發(fā)大學(xué)生思維的能力，循循善誘，讓大學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)；其次教師要從講授者轉(zhuǎn)變?yōu)閮A聽者，不僅要能把知識很好地傳授給大學(xué)生，更要做好一個大學(xué)生學(xué)習(xí)思維、總結(jié)、講述的傾聽者，激發(fā)大學(xué)生主動思考。

3.3 教學(xué)環(huán)境的優(yōu)化

構(gòu)建一個開放的教學(xué)環(huán)境對計算思維培養(yǎng)更有利，比如在智慧教室中授課，在多功能理實一體化環(huán)境的機房學(xué)習(xí)，在虛擬仿真實驗室模擬操作，能夠讓大學(xué)生切身感受到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和多媒體技術(shù)帶來的技術(shù)變革。打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，采用翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)習(xí)模式，開展線下教學(xué)的同時，使用云平臺建設(shè)線上數(shù)字教學(xué)資源，讓大學(xué)生可以在課后時間獲取更多的知識，還能體驗計算思維2.0 應(yīng)用所帶來學(xué)習(xí)的便捷。

4 結(jié)束語

時代在進步，教育事業(yè)在不斷發(fā)展，教學(xué)改革的步伐也不會停止。在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，讓他們學(xué)會用計算思維去思考問題、分析問題和解決問題，對于學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有巨大的意義。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一點拙見，希望能為教學(xué)改革貢獻力量，通過不懈努力，讓大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)改革取得新的突破。