計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)

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［摘要］文章從獨(dú)立學(xué)院現(xiàn)有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，提出將計(jì)算思維引入基礎(chǔ)教學(xué)中，目的在于培養(yǎng)學(xué)生具備以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為主要特征的思維能力。這種教學(xué)改革需要對(duì)現(xiàn)有教學(xué)從目標(biāo)、內(nèi)容、方法和考核手段等方面進(jìn)行優(yōu)化。其改革成果對(duì)于今后的獨(dú)立學(xué)院教育轉(zhuǎn)型具有重要意義。

［關(guān)鍵詞］計(jì)算思維；獨(dú)立學(xué)院；計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在大學(xué)教育中地位非常重要，它對(duì)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)、思維方式以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等有積極的作用。但近幾年在“狹義工具論”［1］的影響下，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)也暴露出一些問題。為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新趨勢，高等院校特別是獨(dú)立學(xué)院的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)更應(yīng)該積極轉(zhuǎn)變教學(xué)思路，不能簡單地將如何使用計(jì)算機(jī)作為培養(yǎng)學(xué)生的最終成果，而是應(yīng)該將具備以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為主要特征的計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為教學(xué)目標(biāo)。這不僅為獨(dú)立學(xué)院的基礎(chǔ)教育開拓了新思路，也對(duì)著力于打造應(yīng)用型本科人才的教育起到重要的作用。

一、獨(dú)立學(xué)院計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的目標(biāo)及現(xiàn)狀

以江蘇省獨(dú)立學(xué)院為例，現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的目標(biāo)是使非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生不僅掌握計(jì)算機(jī)的操作使用方法，而且還要了解計(jì)算機(jī)信息處理的知識(shí)、原理與方法。南京師范大學(xué)中北學(xué)院具體的教學(xué)實(shí)施辦法是入學(xué)第一學(xué)期安排非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生接受計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的基礎(chǔ)通識(shí)教育，第二學(xué)期在通識(shí)教育的基礎(chǔ)上，理科學(xué)生進(jìn)一步接受程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)結(jié)束后統(tǒng)一參加江蘇省高等學(xué)校計(jì)算機(jī)等級(jí)考試，其中文科和藝術(shù)類專業(yè)學(xué)生參加一級(jí)考試，理科專業(yè)學(xué)生參加二級(jí)考試。筆者從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)十幾年，深刻體會(huì)到此種教學(xué)模式在獨(dú)立學(xué)院中有其積極的一面，也不可避免地存在一些問題。

1.信息技術(shù)發(fā)展過快與教學(xué)內(nèi)容之間存在矛盾。信息技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)提出嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在有限的教學(xué)課時(shí)中過多地強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)理論知識(shí)會(huì)使學(xué)生失去學(xué)習(xí)的興趣和積極性，然而過多地講解前沿知識(shí)，又會(huì)使缺乏基礎(chǔ)知識(shí)支撐的學(xué)生產(chǎn)生無源之水、無本之木的疑惑。

2.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的作用在教學(xué)中存在誤解。長期以來計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)被社會(huì)看作高科技工具，這種狹隘的“工具論”完全忽略了計(jì)算機(jī)技術(shù)與其他學(xué)科之間的滲透融合，有些學(xué)生甚至有些教師簡單認(rèn)為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程旨在教會(huì)學(xué)生如何使用一些軟件，與專業(yè)學(xué)習(xí)無關(guān)。因此有些高校錯(cuò)誤地將計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程壓縮課時(shí)，甚至安排學(xué)生自學(xué)完成。

3.學(xué)生入學(xué)時(shí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)水平不一給統(tǒng)一課堂授課帶來困難?，F(xiàn)階段隨著計(jì)算機(jī)的大量普及，學(xué)生接觸計(jì)算機(jī)的程度明顯加強(qiáng)，但由于我國地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡以及各地區(qū)中學(xué)對(duì)計(jì)算機(jī)教育重視程度不同，導(dǎo)致高等學(xué)校入學(xué)新生的計(jì)算機(jī)知識(shí)和操作使用能力參差不齊。如何彌合零起點(diǎn)和非零起點(diǎn)學(xué)生的知識(shí)與技能的差異，是教師在教學(xué)過程中需要著力解決的問題。

4.教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生所學(xué)專業(yè)之間無關(guān)聯(lián)使教學(xué)雙方產(chǎn)生教學(xué)困惑。在實(shí)際教學(xué)中，一方面由于教學(xué)課時(shí)有限而課程知識(shí)點(diǎn)繁多，教師在講授計(jì)算機(jī)基本知識(shí)時(shí)多半是講解復(fù)雜的概念和抽象的定義，根本無暇顧及所教學(xué)生的專業(yè)知識(shí)背景；另一方面授課教師一般是計(jì)算機(jī)專業(yè)出身，而所教的非計(jì)算機(jī)專業(yè)則涉及文、史、經(jīng)濟(jì)、生化等各個(gè)學(xué)科，如何按照專業(yè)的不同需求分類分層次組織教學(xué)，也給授課教師帶來一定的困難。

二、計(jì)算思維的提出

計(jì)算思維的提出，為今后的計(jì)算機(jī)教學(xué)工作指明了新的方向。九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)上達(dá)成一致共識(shí)：要旗幟鮮明地把“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)［2］。

（一）計(jì)算思維的概念

思維是在表象、概念（腦中所想事物）的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、綜合、判斷、推理等認(rèn)識(shí)活動(dòng)的過程。計(jì)算思維（ComputationalThinking）是2006年3月由時(shí)任美國卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)（CMU）計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任、現(xiàn)任美國基金會(huì)（MSP）計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)與工程部（CISE）主任的周以真（JeannetteMW）教授在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威刊物Com⁃municationsoftheACM上首次提出的概念。他認(rèn)為“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)”［3］。計(jì)算思維是指培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成一種“像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考”的能力，這種能力應(yīng)該如同我們?cè)诔砷L過程中學(xué)會(huì)的掌握閱讀、寫作和算術(shù)（Reading，WritingandArithmetic——3R）能力一樣，作為人類進(jìn)行問題求解的有效工具，具有普適性，即是每個(gè)人都應(yīng)該掌握并學(xué)會(huì)使用的。具備這種以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為主要特征的思維能力，才能在今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和工作中高效率地解決復(fù)雜和大規(guī)模的問題。

（二）計(jì)算思維的提出開拓了現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的新思路

計(jì)算思維是具有普適性的思維訓(xùn)練，將它引入計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)，不僅可以避免由“狹隘工具論”帶來的錯(cuò)誤思想，而且開拓了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的新思路。隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)與教育水平的不斷提高以及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)在操作友好性方面的不斷改善，學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)具體操作方面的能力越來越強(qiáng)。如果大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)還在重復(fù)簡單的操作教學(xué)，其實(shí)是在浪費(fèi)寶貴的教學(xué)資源。1.計(jì)算機(jī)不再僅僅局限于計(jì)算工具，現(xiàn)階段它的廣泛應(yīng)用不僅影響著我們的生活、思維方式和思維習(xí)慣，而且也深刻影響著我們的思維能力。培養(yǎng)學(xué)生具備計(jì)算思維能力，真正做到授人以漁，使受教育者掌握了“像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考”的能力，才是計(jì)算機(jī)教學(xué)遵循的最高目標(biāo)。2.計(jì)算思維能力是現(xiàn)階段人才培養(yǎng)不可或缺的組成部分。具備通用性的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以其飛快的發(fā)展速度推動(dòng)了各個(gè)學(xué)科的不斷進(jìn)步。同時(shí)，如同早期的數(shù)學(xué)學(xué)科一般，幾乎每個(gè)學(xué)科都會(huì)與計(jì)算機(jī)學(xué)科產(chǎn)生交集，發(fā)展交叉學(xué)科。所以，今后的人才培養(yǎng)不能僅局限于本學(xué)科的知識(shí)傳授，更需要塑造能涉及多門學(xué)科的全方面人才，其中計(jì)算思維能力是必備素質(zhì)之一。3.計(jì)算思維的培養(yǎng)提供了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的新內(nèi)容。計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展之快令人始料未及，幾乎沒有哪所高校、哪本教材能夠完全跟上它的發(fā)展節(jié)奏，學(xué)校里傳授的知識(shí)總是滯后的。所以掌握最基本的計(jì)算機(jī)原理，培養(yǎng)計(jì)算思維能力，才是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)所在。4.計(jì)算思維作為學(xué)生必須具備的素質(zhì)，為其專業(yè)學(xué)習(xí)提供了更多的學(xué)習(xí)方法。當(dāng)計(jì)算思維與學(xué)生專業(yè)知識(shí)背景有效地結(jié)合起來，可以使他們更有能力解決復(fù)雜的實(shí)際問題，進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新能力，拓展對(duì)周圍世界的理解。

三、計(jì)算思維的培養(yǎng)需要對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育多個(gè)方面進(jìn)行革新

計(jì)算思維概念的提出，使得計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育摒棄了以往簡單地針對(duì)計(jì)算機(jī)理論和操作的教學(xué)思路，將培養(yǎng)學(xué)生形成持續(xù)地利用計(jì)算機(jī)學(xué)科中約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，來解決今后工作學(xué)習(xí)中專業(yè)問題的思維習(xí)慣作為主要目標(biāo)［4］。這需要在教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、方法和考核方式等多個(gè)方面進(jìn)行革新。

（一）轉(zhuǎn)變思想轉(zhuǎn)變思想，將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為長期的教學(xué)目標(biāo)

計(jì)算機(jī)技術(shù)教育的學(xué)科價(jià)值不僅是讓學(xué)生掌握必要的計(jì)算機(jī)知識(shí)和技能，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用這些知識(shí)和技能解決實(shí)際問題的能力。思維的培養(yǎng)是個(gè)長期漸進(jìn)的過程，不能局限于在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)一門課程中?！熬判Ｂ?lián)盟聲明”中指出：“將計(jì)算思維能力培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的核心任務(wù)，是一個(gè)較為長期的過程，也是需要我們不斷探索、努力實(shí)踐的過程。”這充分說明“培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力”這個(gè)任務(wù)的長期性和艱巨性。多年以來，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課作為本科教學(xué)的入門公共基礎(chǔ)課程被安排在高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)的低年級(jí)科目中，課程結(jié)束后就鮮有與計(jì)算機(jī)相關(guān)的后續(xù)課程。但事實(shí)上培養(yǎng)學(xué)生形成一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念來求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的能力不是一學(xué)期一門課可以形成的，因此計(jì)算思維的培養(yǎng)應(yīng)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上發(fā)展衍生課程，縱向貫穿于各個(gè)專業(yè)的通識(shí)教學(xué)階段。

（二）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，引入計(jì)算思維的訓(xùn)練

計(jì)算思維的培養(yǎng)具體來說可以分為學(xué)生的邏輯推理、算法思維、問題解決的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)等方面能力的培養(yǎng)。筆者根據(jù)自身多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及計(jì)算思維的指導(dǎo)思想，試探性地提出將計(jì)算思維的一般方法融入教學(xué)內(nèi)容中，摒棄以往的概念理論式的說教，針對(duì)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的具體情況采用不同的教學(xué)側(cè)重點(diǎn)，將課程內(nèi)容做相應(yīng)的調(diào)整。獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生入學(xué)時(shí)的分?jǐn)?shù)線屬于本科招錄的第二批次，相對(duì)來說成績中等偏下。這部分學(xué)生往往基礎(chǔ)相對(duì)較弱，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和自主性不強(qiáng)，因此在教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)上應(yīng)適當(dāng)減弱對(duì)理論知識(shí)的研究，多重視學(xué)生解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。第一門課強(qiáng)調(diào)的是思維訓(xùn)練而不是具體實(shí)現(xiàn)［5］。針對(duì)大部分非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，在現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容上適當(dāng)壓縮刪減計(jì)算機(jī)復(fù)雜的理論知識(shí)和簡單的計(jì)算機(jī)操作練習(xí)，將整個(gè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)分為兩個(gè)階段。第一學(xué)習(xí)階段保留最基本的計(jì)算機(jī)相關(guān)原理，引入計(jì)算思維培養(yǎng)與訓(xùn)練；第二學(xué)習(xí)階段涉及少量的高級(jí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，如編程、開發(fā)信息系統(tǒng)等，旨在提高計(jì)算思維的應(yīng)用能力。由此大致分配教學(xué)側(cè)重點(diǎn)，以“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程為例介紹具體教學(xué)內(nèi)容和方法。

（三）教學(xué)方法需要轉(zhuǎn)變成為知識(shí)傳授加思維訓(xùn)練的模式

將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為教學(xué)的核心任務(wù)，需要一套適合思維訓(xùn)練的教學(xué)模式，其中關(guān)鍵點(diǎn)是要激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極地參與思考和創(chuàng)新。就具體的課堂組織教學(xué)模式而言，教師可以采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)課堂等方法，即在學(xué)生課前充分預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，教師先拋出案例或者與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的問題，然后歸納、描述問題，接下來組織學(xué)生討論或者實(shí)踐來尋找解決問題的方法，討論完之后再由教師系統(tǒng)地介紹解決問題的方法和知識(shí)，最后進(jìn)行方法和知識(shí)的推廣并滲透到其他知識(shí)領(lǐng)域中去。在教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生采用邏輯推理、算法設(shè)計(jì)等方法解決問題的能力。下面以第三章“計(jì)算機(jī)軟件”中操作系統(tǒng)的部分知識(shí)點(diǎn)為例說明引入計(jì)算思維培養(yǎng)的課程授課方法。1.教師在課堂授課環(huán)節(jié)中首先介紹操作系統(tǒng)的主要任務(wù)是“對(duì)計(jì)算機(jī)的軟硬件資源進(jìn)行管理和調(diào)度”。2.拋出生活中的問題供學(xué)生思考討論，如“在超市排隊(duì)結(jié)賬過程中，如何安排顧客的先后順序比較高效？在強(qiáng)調(diào)效率的前提下如何兼顧公平？”“兩只山羊要從兩個(gè)方向過橋，如何才能讓它們不在橋上僵持？”等。3.由生活中的例子引申到操作系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)中的作業(yè)管理、死鎖等知識(shí)點(diǎn)。4.學(xué)習(xí)作業(yè)調(diào)度算法、避免死鎖的銀行家算法等，并鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)問題設(shè)計(jì)自己的相關(guān)算法。5.教師歸納總結(jié)，針對(duì)不同學(xué)生的專業(yè)背景進(jìn)行知識(shí)推廣和滲透。教師在授課過程中，由于不同專業(yè)學(xué)生有不同的學(xué)科背景，因此對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)側(cè)重點(diǎn)也應(yīng)有所不同。對(duì)于文科、經(jīng)濟(jì)類學(xué)生，計(jì)算思維的培養(yǎng)可以傾向于數(shù)據(jù)的收集與挖掘，使其更多地掌握從數(shù)據(jù)中獲得知識(shí)和規(guī)律的方法；對(duì)于理科專業(yè)學(xué)生，可重點(diǎn)培養(yǎng)算法的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，使其在今后研究問題和解決問題時(shí)可以利用計(jì)算思維創(chuàng)建模型和進(jìn)行模擬仿真。

（四）改革考核方式改革考核方式，將是否具備計(jì)算思維能力作為考核的重點(diǎn)

將計(jì)算思維的培養(yǎng)引入計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)，就不能僅僅考查學(xué)生使用計(jì)算機(jī)的能力，而要考查學(xué)生是否具備了計(jì)算思維的能力?？疾閮?nèi)容建議可以分為以下三個(gè)部分：第一部分為計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)考核，分值比例可以為20%-30%，考試形式可以為閉卷筆試或上機(jī)實(shí)踐。第二部分重點(diǎn)考查學(xué)生利用遞歸思維、抽象與分解、啟發(fā)式推理等方法具體解決實(shí)際問題的能力，分值比例可以為60%-70%，考試形式可以是論文闡述、課程設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)報(bào)告等形式。第三部分可以將每次課堂的討論與學(xué)生的算法設(shè)計(jì)作為考核的補(bǔ)充部分，分值比例可為10%-20%，用于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力與創(chuàng)新能力。多種考核形式相結(jié)合，重點(diǎn)突出，難易相輔，既考查學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度，又加入計(jì)算思維能力的評(píng)估，體現(xiàn)重視能力培養(yǎng)的多元化教學(xué)方針。

四、結(jié)語

擺脫以操作技能培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)能力的狹隘觀點(diǎn)，將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)信息技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)核心，使學(xué)生掌握采用抽象和分解來解決龐雜的任務(wù)的方法，從而提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。這對(duì)獨(dú)立學(xué)院的教師、學(xué)生都提出了更高的要求，而從長遠(yuǎn)角度看，這對(duì)于信息時(shí)代背景下的獨(dú)立學(xué)院轉(zhuǎn)型、人才培養(yǎng)以及教育改革都具有十分重大的意義。

［參考文獻(xiàn)］

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作者：張潔 單位：南京師范大學(xué)中北學(xué)院