曹 然 趙 潔 蘇中濱

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150030)

2010年Jan Cuny和周以真教授較為明確地給出了計算思維的定義，計算思維是與制定問題及其解決方案相關(guān)的一個思維過程，其解決問題的表示形式應(yīng)該有效地被信息處理代理執(zhí)行。

近幾年，我國各大高校從事計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的教師一直致力于研究在計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)過程中培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的計算思維能力，使學(xué)生學(xué)會用計算思維去思考問題和解決問題。2011年在杭州召開的“第七屆大學(xué)計算機(jī)課程報告論壇”中，大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海同濟(jì)大學(xué)、北京交通大學(xué)等高校的專家各自論述了對計算思維這一概念的理解以及如何將計算思維應(yīng)用于本科計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容。各大高校的做法不盡相同，各具特點(diǎn)，但多數(shù)處于摸索和嘗試階段。

那么，如何在計算機(jī)基礎(chǔ)課程中體現(xiàn)計算思維能力培養(yǎng)，如何培養(yǎng)學(xué)生計算思維的意識與能力，如何使非計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生掌握計算思維解決問題的一般步驟和方法呢?這是一個非常值得深入研究和探討的問題。

一、教學(xué)方法改革

計算機(jī)基礎(chǔ)課程能夠采用的教學(xué)方法靈活多樣。在教學(xué)過程中，教學(xué)方法因教學(xué)導(dǎo)向的不同而具有多種可能性，是一個非常靈活的因素，不是每種方法都適用于以計算思維為導(dǎo)向的計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)模式。

1.改變知識講述的方法

在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中提倡采用提煉、歸納、分析，以問題驅(qū)動、探究式教學(xué)來增加計算思維和基本功訓(xùn)練。教學(xué)方法由“提出概念—解釋概念—舉例說明”的傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤岢鰡栴}—解決問題—?dú)w納分析”。在每次傳授新知識時可采用“教師提問題，學(xué)生思考、回答”的啟發(fā)式思維方法講述課程內(nèi)容，積極引導(dǎo)學(xué)生動腦思考。例如，在計算機(jī)概述一章講對計算機(jī)發(fā)展有突出貢獻(xiàn)的幾位歷史人物時，可先提出一個同學(xué)比較感興趣的問題:開發(fā)時下最熱銷手機(jī)iphone系列的蘋果公司，它們一直沿用蘋果標(biāo)志，蘋果標(biāo)志的蘋果為什么會缺一口?有的學(xué)生可能會說蘋果上的缺口代表事物沒有完美的，有的同學(xué)又說是為了紀(jì)念圖靈等。由這個小問題不僅帶出了偉大的人工智能領(lǐng)域的先驅(qū)者圖靈、蘋果公司CEO史蒂夫·喬布斯，而且在不斷提出問題、分析問題、解決問題的過程中，引發(fā)學(xué)生主動思考，帶動了學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的積極性，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力。

2.項目分類教學(xué)法

在程序設(shè)計課程中建議使用項目分類教學(xué)法。從事計算機(jī)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用的教師團(tuán)隊?wèi)?yīng)建立若干項目，請教不同專業(yè)的教師，吸收由不同專業(yè)背景，根據(jù)不同專業(yè)的特點(diǎn)對確立的項目進(jìn)行分類，在教學(xué)過程中對不同專業(yè)的學(xué)生引入不同類別的項目。教師充當(dāng)指導(dǎo)者，將一個相對獨(dú)立的、與學(xué)生專業(yè)密切相關(guān)的項目交由學(xué)生自己處理。信息的搜集，方案的設(shè)計，項目的實施及最終評價，都由學(xué)生自己負(fù)責(zé)。學(xué)生在動手實踐體驗、思考內(nèi)化吸收、綜合探索創(chuàng)新中，獲得較為完整而具體的知識。在學(xué)生項目實施的過程中，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、思維能力，也可以培養(yǎng)學(xué)生之間的協(xié)作能力、溝通能力等。項目是以學(xué)生專業(yè)背景建立的，因此學(xué)生在做項目的過程中有一種學(xué)以致用的感覺，這樣，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和能動性被就能充分地調(diào)動起來。考核方式也要相應(yīng)改變，可采取平時學(xué)習(xí)態(tài)度和表現(xiàn)占20%，平時作業(yè)占20%，項目測評占20%，期末考試占40%的比例進(jìn)行。該考核方式注重過程考核，是以提高思維能力和應(yīng)用能力為主的綜合考核評價體系。

3.漸變式教學(xué)法

從2006年計算思維這一概念的提出至今為止只有短短的五年時間，雖然全國已有部分高校初步開展以計算思維為導(dǎo)向的計算機(jī)基礎(chǔ)課程，但都還處于探索和嘗試階段，沒有形成一個統(tǒng)一模式。另外，各高校學(xué)生素質(zhì)和培養(yǎng)目標(biāo)各異，在以計算思維為導(dǎo)向的計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)模式中，應(yīng)實行先小班試點(diǎn)，再根據(jù)學(xué)生的實際情況逐步推廣漸變式教學(xué)方法。

二、教學(xué)內(nèi)容改革

傳統(tǒng)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容主要注重計算機(jī)基本技能的應(yīng)用，而以計算思維為導(dǎo)向的計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)模式則著重培養(yǎng)學(xué)生利用計算思維解決問題的能力。因此，將計算機(jī)思維引入計算機(jī)基礎(chǔ)課程勢必要改變原有的課程內(nèi)容，下面以多數(shù)高校開設(shè)的計算機(jī)基礎(chǔ)課程，即大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)和程序設(shè)計兩門課程來進(jìn)行具體論述。

1.大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中應(yīng)將原來的計算機(jī)概述部分變?yōu)樗姆矫鎯?nèi)容:圖靈機(jī)的計算思維、馮·諾依曼計算機(jī)模型、存儲程序計算機(jī)和驗證碼的計算思維。計算機(jī)基本組成原理的計算思維主要包括:進(jìn)制轉(zhuǎn)換的計算思維和計算機(jī)的組成。操作系統(tǒng)基礎(chǔ)中計算思維能力教學(xué)主要包括以下內(nèi)容，從裸機(jī)到虛擬機(jī):一個用計算思維思想解決自身問題的典型例子;操作系統(tǒng)分類，如分時操作系統(tǒng)所體現(xiàn)的計算思維是CPU時間片輪轉(zhuǎn)思想，一種最簡單、最公平的思想，解決了計算機(jī)自身的問題;操作系統(tǒng)的功能，如處理機(jī)管理所體現(xiàn)的計算思維是CPU宏觀上并行，微觀上串行。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中主要在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備(網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、路由器、交換機(jī)等)和網(wǎng)絡(luò)的二級尋址、三級尋址幾個方面體現(xiàn)出計算思維的思想，如網(wǎng)絡(luò)二級尋址體現(xiàn)的計算思維思想是通過網(wǎng)絡(luò)號宏觀上尋找計算機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)，通過主機(jī)號進(jìn)一步微觀尋找聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)所在位置。

2.程序設(shè)計

算法設(shè)計中的每一種策略作為問題求解方法，可應(yīng)用于多個領(lǐng)域，具有明顯的計算思維特征。因此，在程序設(shè)計課程中應(yīng)重點(diǎn)講授算法設(shè)計(分治法、枚舉法、遞歸法、排序法、回溯法、貪心算法等)，如分治法的基本思想是把一個問題分解為若干與原問題同結(jié)構(gòu)的但規(guī)模較小的子問題，然后以遞歸的方式求解這些子問題并通過合并子問題的解得到原問題的解。分治法提供了如下通用的思維方法:在實踐中，我們通常會掌握一些簡單或者規(guī)模較小問題的求解方法，或者這些小規(guī)模問題的解是直觀的、易知的。這時可以采用分治法重用這些已有的知識，求解復(fù)雜的大規(guī)模的問題。從計算思維的角度，貪心算法為我們提供了如下方法指導(dǎo):以當(dāng)前和局部利益最大化為導(dǎo)向的問題求解策略簡單易行，具有廣泛的適用性。

3.基于學(xué)科差異分類教學(xué)內(nèi)容

農(nóng)科院校學(xué)科涵蓋了農(nóng)、工、理、經(jīng)、管、文、法等眾多專業(yè)，而每門學(xué)科對學(xué)生應(yīng)掌握的計算機(jī)知識的要求是不完全一樣的。因此，基于對農(nóng)科院校的學(xué)科設(shè)置和以計算思維為導(dǎo)向的計算機(jī)基礎(chǔ)課程具體教學(xué)內(nèi)容的考慮，將計算機(jī)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容分為四類:理工類學(xué)習(xí)算法和程序設(shè)計;文科類學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫設(shè)計與應(yīng)用;商科類學(xué)習(xí)多媒體設(shè)計與應(yīng)用;農(nóng)科類學(xué)習(xí)數(shù)字農(nóng)業(yè)。雖然不同學(xué)科學(xué)生學(xué)習(xí)的計算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容不同，但殊途同歸，培養(yǎng)的目標(biāo)一致，即致力于將學(xué)生培養(yǎng)為具有計算思維能力、創(chuàng)新能力、綜合應(yīng)用能力和計算機(jī)基本技能的人才。

三、結(jié)束語

思維學(xué)習(xí)的目的是為了創(chuàng)造，思維發(fā)展水平是學(xué)生成才的關(guān)鍵，思維教學(xué)對學(xué)生現(xiàn)在及將來具有重要影響。教師在教學(xué)時，要為學(xué)生提供思維的空間和情境。本文主要探索了以計算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的變革，在計算機(jī)基礎(chǔ)課程的講授中，通過采用問題驅(qū)動和項目分類的思維訓(xùn)練方法，學(xué)生分析問題和解決問題的能力必然會明顯提高。當(dāng)然，作為一種教學(xué)改革和教學(xué)嘗試，該教學(xué)模式還需要進(jìn)一步完善，隨著對“計算思維”理論與實踐認(rèn)識的深化，將會更好地指導(dǎo)教學(xué)實踐，真正培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和計算素養(yǎng)，提高他們的計算能力。

［1］ 蘇中濱，趙潔，楊宇姝.農(nóng)科院校大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教育改革與實踐［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2007，5(4):53-54.

［2］ 趙潔，蘇中濱，宋一弘.農(nóng)科性大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教育課程體系的改革與實踐［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2006，4(4):64-65.

［3］ 沈維政，孫紅敏，張喜海.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式在計算機(jī)專業(yè)課教學(xué)中的探索與實踐［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2007，5(1):89-90.

［4］ 趙嶺忠，錢俊彥，蔡國永.算法設(shè)計策略與計算思維［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2010，(8):43-45.

［5］ 栗寧.高校計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革探析［J］.科技信息，2010，9(1):223.