新工科視域下程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程計(jì)算思維培養(yǎng)路徑

朱文龍，楊雙雙，魏連鎖，李長(zhǎng)榮，潘海珠

新工科視域下程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程計(jì)算思維培養(yǎng)路徑

朱文龍1，楊雙雙2，魏連鎖3，李長(zhǎng)榮1，潘海珠1

（齊齊哈爾大學(xué) 1. 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，2. 教師教育學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3. 宿遷學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

在新工科的背景下，計(jì)算思維已成為計(jì)算機(jī)相關(guān)行業(yè)畢業(yè)生的必備技能，特別是在工程技術(shù)領(lǐng)域．然而，傳統(tǒng)的編程教學(xué)主要側(cè)重于語(yǔ)言和語(yǔ)法本身的特征，忽略了對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)．以程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程為例，探索了在新工科視域下計(jì)算思維培養(yǎng)路徑，提出了課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面的實(shí)施方法．通過(guò)該路徑的實(shí)施，拓寬了計(jì)算思維培養(yǎng)的策略，可以有效地幫助學(xué)生提高計(jì)算思維能力．

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；新工科；計(jì)算思維；培養(yǎng)路徑

在當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代，計(jì)算思維已成為人們解決復(fù)雜工程問(wèn)題的必備技能，對(duì)于大中專院校來(lái)說(shuō)，計(jì)算思維在新工科人才培養(yǎng)體系中占據(jù)重要的地位．計(jì)算思維的重要性在于它能夠培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和問(wèn)題解決的能力．然而，傳統(tǒng)的編程教學(xué)主要側(cè)重于語(yǔ)法和語(yǔ)言特性，忽視培養(yǎng)計(jì)算思維技能．新工科強(qiáng)調(diào)任務(wù)驅(qū)動(dòng)、協(xié)作和創(chuàng)新，為計(jì)算思維能力的培養(yǎng)提供了新的視角．因此，本文在新工科視域下，以程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程為例，探索計(jì)算思維培養(yǎng)路徑，最終的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算思維解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)．

1 相關(guān)理論研究

計(jì)算思維的歷史可追溯至20世紀(jì)50年代[1]．周以真第一次系統(tǒng)并全面定義了計(jì)算思維，認(rèn)為計(jì)算思維是一系列計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的思維活動(dòng)的統(tǒng)稱[2]．在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)也逐漸從模糊轉(zhuǎn)為清晰．

在國(guó)外方面，計(jì)算思維在2011年就被美國(guó)的K12標(biāo)準(zhǔn)所采納，隨后，英國(guó)、澳大利亞等國(guó)也都將計(jì)算思維培養(yǎng)作為課程改革的重要內(nèi)容[3]．進(jìn)一步地，美國(guó)國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)在2018年對(duì)計(jì)算思維做出了新的定義，即計(jì)算思維是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心原理和實(shí)踐來(lái)解決模糊、復(fù)雜和開(kāi)放式的問(wèn)題，是利用計(jì)算的力量設(shè)計(jì)解決方案[4]．目前，國(guó)外相關(guān)研究的重點(diǎn)在于如何促進(jìn)和評(píng)估計(jì)算思維的發(fā)展，但實(shí)際應(yīng)用及推廣的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少[5-6]．

在國(guó)內(nèi)方面，教育部教指委編制的《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才專業(yè)能力構(gòu)成與培養(yǎng)》明確指出計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)專業(yè)人才必須具備的能力之一，文中對(duì)計(jì)算思維給出了明確的定義：如何按照計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的方式去考慮問(wèn)題，以便構(gòu)建出相應(yīng)的算法和基本程序等[7]．李國(guó)杰[8]認(rèn)為計(jì)算思維是人的一種基本技能，是一種普適的計(jì)算，其最重要的特征是強(qiáng)調(diào)一切皆可計(jì)算．蔣宗禮[9]認(rèn)為計(jì)算思維是一種有意識(shí)的思維形式，這種思維形式和計(jì)算機(jī)專家解決問(wèn)題的方式緊密相關(guān)，包括了思想、方法、工具和環(huán)境等各種因素，同時(shí)，這種思維形式還涵蓋了更廣泛的活動(dòng)．隨著研究的不斷擴(kuò)展和深入，目前有學(xué)者認(rèn)為計(jì)算思維已形成了2.0的版本[10]，即從單一性轉(zhuǎn)為整體性，從單學(xué)科轉(zhuǎn)為跨學(xué)科等角度來(lái)尋找計(jì)算思維的價(jià)值和意義．另外，也有學(xué)者從微認(rèn)證的角度對(duì)計(jì)算思維開(kāi)展研究[11]．

新工科教育源自于中國(guó)成為國(guó)際工程聯(lián)盟《華盛頓協(xié)議》成員后，中國(guó)高等工程教育提出的一項(xiàng)新舉措，旨在通過(guò)跨學(xué)科、跨院系、跨專業(yè)的教育模式，促進(jìn)不同學(xué)科領(lǐng)域之間的交叉融合，培養(yǎng)更多的工程人才．“計(jì)算機(jī)＋各學(xué)科”是新工科教育的核心特征，其目標(biāo)不僅包括為學(xué)生提供解決專業(yè)問(wèn)題的有效方法和手段，還涉及為學(xué)生注入和培養(yǎng)創(chuàng)新的思維和方式[12]．因此，計(jì)算思維培養(yǎng)也成為新工科教育的一個(gè)重要任務(wù)．

計(jì)算思維綜合了抽象思維、邏輯思維和系統(tǒng)思維等特征，是新工科教育中學(xué)生必備的素質(zhì)，計(jì)算思維教育也變得越來(lái)越重要．新工科教育致力于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，而通過(guò)計(jì)算思維的培養(yǎng)，可以有效地鍛煉學(xué)生利用計(jì)算思維解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，拓展學(xué)生的思維方式，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)．因此，通過(guò)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)拓展其創(chuàng)造性思維和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力已成為新工科教育中計(jì)算思維培養(yǎng)的重要思路．

2 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的計(jì)算思維培養(yǎng)路徑

計(jì)算思維培養(yǎng)是新工科建設(shè)的重要內(nèi)容，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)作為入門計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)的第一門課程，在計(jì)算思維的培養(yǎng)過(guò)程中占據(jù)非常重要的地位．因此，本研究針對(duì)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程提出了一條可行的計(jì)算思維培養(yǎng)路徑，旨在幫助教師更好地將計(jì)算思維融入到程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中，提高學(xué)生利用計(jì)算思維解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力．

2.1 明確教學(xué)目標(biāo)

當(dāng)前高校課程的教學(xué)目標(biāo)一般從知識(shí)、能力和價(jià)值三個(gè)維度設(shè)計(jì)，而現(xiàn)有的課程教學(xué)目標(biāo)往往忽略了計(jì)算思維培養(yǎng)的重要作用．因此，在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中應(yīng)特別注重明確計(jì)算思維能力培養(yǎng)方面的教學(xué)目標(biāo)，該課程從知識(shí)、能力、價(jià)值三個(gè)維度對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行了融入（見(jiàn)表1）．

在知識(shí)目標(biāo)方面，通過(guò)融入計(jì)算思維，可以幫助學(xué)生更好地了解課程內(nèi)容的基本概念和原理，如算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等．在能力目標(biāo)方面，計(jì)算思維通過(guò)幫助學(xué)生強(qiáng)化編程思維訓(xùn)練，能夠提高抽象思維和問(wèn)題解決能力、創(chuàng)新和實(shí)踐能力．在新工科視域下，計(jì)算思維培養(yǎng)也具有特殊的價(jià)值目標(biāo)．一方面，計(jì)算思維可以提高學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)力，為其職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；另一方面，計(jì)算思維可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)信息化社會(huì)的深入理解，使其更好地適應(yīng)和參與信息時(shí)代的發(fā)展．這些價(jià)值目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將有助于學(xué)生樹(shù)立正確的人生觀、價(jià)值觀，推動(dòng)新工科建設(shè)，促進(jìn)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展．

表1 計(jì)算思維融入教學(xué)目標(biāo)的三個(gè)維度

2.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容是將計(jì)算思維融入課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵．在設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)考慮如何運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題，并將計(jì)算思維作為教學(xué)內(nèi)容的一部分．在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中，可以設(shè)計(jì)一些計(jì)算思維的案例或者問(wèn)題，讓學(xué)生通過(guò)編程實(shí)踐來(lái)提高自己的計(jì)算思維能力．程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容及計(jì)算思維融入見(jiàn)表2．

表2 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容及計(jì)算思維融入點(diǎn)

另外，在相關(guān)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的問(wèn)題解決能力，包括分析問(wèn)題、確定解決方案、實(shí)現(xiàn)方案等步驟．這些步驟是計(jì)算思維的核心內(nèi)容，通過(guò)強(qiáng)調(diào)這些能力的培養(yǎng)，可以讓學(xué)生更好地理解計(jì)算思維的重要性．同時(shí)，在確定解決方案的過(guò)程中，應(yīng)該注重算法設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生理解和使用算法思維來(lái)解決問(wèn)題．對(duì)于同一問(wèn)題采用不同的算法解決，可以幫助學(xué)生培養(yǎng)和發(fā)展多樣化的計(jì)算思維模式．例如：在實(shí)現(xiàn)1到100的整數(shù)求和的問(wèn)題上，既可以使用循環(huán)結(jié)構(gòu)從1累加到100的方式實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)利用等差數(shù)列求和公式的方式實(shí)現(xiàn)，要使學(xué)生理解這2種方式在實(shí)現(xiàn)上的差異，體會(huì)算法在解決問(wèn)題時(shí)的重要性．

2.3 改進(jìn)教學(xué)方法

傳統(tǒng)的教學(xué)方法對(duì)計(jì)算思維的融入并不充分，為了有效地提高學(xué)生的計(jì)算思維能力，可根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容采用有針對(duì)性的教學(xué)方法．例如：將計(jì)算思維與啟發(fā)式教學(xué)法、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法、案例教學(xué)法等多種教學(xué)方法相結(jié)合．在啟發(fā)式教學(xué)法中，教師可以通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生提出開(kāi)放性問(wèn)題或與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)個(gè)人探究、小組討論等方式探索問(wèn)題解決的方法，并通過(guò)編程實(shí)踐驗(yàn)證提出方法的正確性.教師在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)和技術(shù)支持，通過(guò)這種啟發(fā)的方式使學(xué)生更好地利用計(jì)算思維解決實(shí)際問(wèn)題．對(duì)于問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，重點(diǎn)是將計(jì)算思維融入到問(wèn)題解決的流程中．在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生如何分析問(wèn)題、制定計(jì)劃、實(shí)施方案以及評(píng)估結(jié)果．通過(guò)對(duì)問(wèn)題解決過(guò)程的引導(dǎo)，學(xué)生可以逐步地發(fā)展計(jì)算思維技能．在案例教學(xué)法中，教師應(yīng)精心設(shè)置更多與實(shí)際問(wèn)題相關(guān)的案例，使學(xué)生更容易理解和接受計(jì)算思維的概念．另外，教師可以向?qū)W生推薦一些優(yōu)秀的在線資源和工具，如編程學(xué)習(xí)網(wǎng)站、在線編程工具等，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠更加高效地應(yīng)用計(jì)算思維．

2.4 改革教學(xué)評(píng)價(jià)

教學(xué)評(píng)價(jià)可以有效評(píng)估計(jì)算思維的培養(yǎng)效果，幫助教師更好地了解學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展情況，并有針對(duì)性地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法．然而傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)課程考核主要以期末考試為主，并不能有效反映學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中計(jì)算思維的發(fā)展情況．因此，可采用多元化的考核評(píng)價(jià)方式，如課前預(yù)習(xí)、課堂互動(dòng)、項(xiàng)目展示、單元測(cè)試、章節(jié)測(cè)試、期中測(cè)試、期末測(cè)試等．同時(shí)，在考核內(nèi)容的設(shè)置上，應(yīng)加入需要學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決問(wèn)題的題目，提高程序分析及設(shè)計(jì)題目分值的比重，以此評(píng)估學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的掌握程度，采用的評(píng)價(jià)體系見(jiàn)圖1．

圖1 面向計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)評(píng)價(jià)體系

3 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算思維培養(yǎng)是新工科教育的重要內(nèi)容，在新工科培養(yǎng)體系中占據(jù)重要的地位．本文提出的計(jì)算思維培養(yǎng)路徑，旨在引導(dǎo)教師更加注重培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，通過(guò)明確教學(xué)目標(biāo)、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、改革教學(xué)評(píng)價(jià)等措施，提高學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)效果．以計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生為例，通過(guò)在課程中融入計(jì)算思維，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)編程和設(shè)計(jì)算法的興趣，學(xué)生的平均成績(jī)從2021年的72.3分提高到2022年的80分．另外，通過(guò)對(duì)學(xué)生的課程滿意度問(wèn)卷調(diào)查顯示，課程滿意度在98%以上．該路徑的實(shí)施雖然以程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程為例，但對(duì)其他相關(guān)課程也具有一定的參考和借鑒意義．通過(guò)該路徑的實(shí)施，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)課程中，不僅是了解計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)的原理和內(nèi)容，更重要的是培養(yǎng)其計(jì)算思維能力，擴(kuò)展其思維方式，最終促進(jìn)學(xué)生的素質(zhì)和能力的全面提升．

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[7] 教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)．高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才專業(yè)能力構(gòu)成與培養(yǎng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

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Cultivation path of computational thinking of programming fundamentals course under the perspective of new engineering education

ZHU Wenlong1，YANG Shuangshuang2，WEI Liansuo3，LI Changrong1，PAN Haizhu1

（1. School of Computer Science and Control Engineering，2. School of Teacher Education，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China；3. School of Information Engineering，Suqian College，Suqian 223800，China）

In the context of the new engineering， computational thinking has become a necessary skill for graduates in computer-related industries，especially in the field of engineering technology．However，traditional programming education mainly focuses on the features of language and syntax itself，ignoring the cultivation of computational thinking．Takes the course of programming fundamentals as an example，explores the cultivation path of computational thinking，and proposes the implementation methods of teaching objectives，teaching contents， teaching methods，and teaching evaluation of the course．Through the implementation of this path，the cultivation strategy of computational thinking is broadened，which can effectively help students to improve their abilities in computational thinking．

programming fundamentals；new engineering；computational thinking；cultivation path

1007-9831（2023）09-0076-04

TP311.1∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.09.016

2023-03-01

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（SJGY20200780）；黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃重點(diǎn)課題（GJB1421344）；黑龍江省省屬本科高校青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目（135509234,145109217）；齊齊哈爾大學(xué)教育科學(xué)研究項(xiàng)目（GJQTYB202208,GJSKYB202001）

朱文龍（1985-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究．E-mail：zwl_qqhr@163.com