呂格莉，楊長興，曹 丹，邵自然，李小蘭

（1.中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué) 本科生院，湖南 長沙 410083）

隨著21世紀(jì)全球計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，善于綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和方法進(jìn)行學(xué)習(xí)、工作、解決專業(yè)問題已經(jīng)是中高級(jí)人才必備的能力和素質(zhì)，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)能力的綜合培養(yǎng)，提高大學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力已成為當(dāng)代大學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的重要建設(shè)部分.為此，教育部2007年2號(hào)文件明確地指出了“培養(yǎng)和提高本科生通過計(jì)算機(jī)和多媒體課件學(xué)習(xí)的能力，以及利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)的能力”.非計(jì)算機(jī)專業(yè)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)作為大學(xué)通識(shí)教育的一個(gè)重要組成部分和基礎(chǔ)教育課程，在本科教育中與大學(xué)數(shù)學(xué)和外語等課程一樣，是大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中不可或缺的一部分，具有基礎(chǔ)性、普及性，同時(shí)還有實(shí)用性、不可替代性.當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入了信息化時(shí)代，不僅要培養(yǎng)大學(xué)生掌握使用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決專業(yè)問題的有效方法，更要培養(yǎng)大學(xué)生掌握一種獨(dú)特的綜合思維能力-“計(jì)算思維”，使他們能潛移默化地養(yǎng)成用計(jì)算思維方式配合計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)工具解決各類專業(yè)問題的習(xí)慣，成為21世紀(jì)國家復(fù)合型創(chuàng)新人才.

1 計(jì)算思維

計(jì)算思維作為時(shí)下重點(diǎn)研究的計(jì)算機(jī)教育課題，其概念的首次提出人是美國卡內(nèi)基．梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任周以真教授，她在2006年3月于計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志《Communication of the ACM》[1]上首次定義了計(jì)算思維的概念，從此，國內(nèi)外計(jì)算機(jī)界、社會(huì)學(xué)界以及哲學(xué)界的廣大學(xué)者對這一課題進(jìn)行了積極的研究與探討，掀起了一股計(jì)算思維的教學(xué)理論研究熱潮.根據(jù)周以真教授的定義，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類行為理解等的一系列思維活動(dòng).從教學(xué)和掌握的角度，可以更細(xì)致的解釋為以下幾點(diǎn)：

*計(jì)算思維是一種求解困難或復(fù)雜問題的思維方法，主要包括有約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法.

*計(jì)算思維是一種多維度分析推廣的類型檢查方法，它既是一種遞歸思維方法，又是一種計(jì)算機(jī)并行處理方法，在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)代碼與數(shù)據(jù)的互相轉(zhuǎn)換.

*計(jì)算思維基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法，通過采用抽象和分解的方法，實(shí)現(xiàn)對龐雜的任務(wù)或巨型復(fù)雜系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)和控制.

*計(jì)算思維是一種描述問題的思維方法，采用這種思維方法能更好地選擇合適的方式陳述某個(gè)問題，能夠更容易的對某些問題的各個(gè)方面進(jìn)行建模.

*計(jì)算思維是一種從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的思維方法，主要包括有預(yù)防、保護(hù)、冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)等方式.

*計(jì)算思維是一種在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法，主要通過啟發(fā)式地推理方法來尋求問題的解答.

*計(jì)算思維是一種在時(shí)間和空間之間、在性能效率和存儲(chǔ)空間之間進(jìn)行平衡折中的思維方法，例如：利用海量數(shù)據(jù)和適當(dāng)冗余來加快計(jì)算速度.

計(jì)算思維是一種基本技能，它能幫助人們更好的去描述問題、解決問題、控制風(fēng)險(xiǎn)、規(guī)劃調(diào)度、平衡資源和提高效率.為了更好地普及計(jì)算思維，大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)中對計(jì)算思維研究的目標(biāo)應(yīng)該定位于“培養(yǎng)基礎(chǔ)的計(jì)算思維意識(shí)，掌握基本的計(jì)算思維方法”.

2 計(jì)算思維能力培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)

2010年7月，我國發(fā)布了《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，開始了全國大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程開展計(jì)算思維教學(xué)改革的研究之路[2]，明確了用計(jì)算思維來確保學(xué)生的具備新世紀(jì)創(chuàng)新能力的改革方向.

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)應(yīng)該從“計(jì)算思維”能力培養(yǎng)的角度出發(fā)，旨在提高學(xué)生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)明和創(chuàng)新的能力及處理計(jì)算機(jī)問題時(shí)應(yīng)有的思維方式、表述方式和行為方式.在教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)4個(gè)方面的能力目標(biāo)中[3]，涉及計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)能力的是：對計(jì)算機(jī)的認(rèn)知能力和應(yīng)用計(jì)算機(jī)的問題求解能力，這與計(jì)算思維的兩個(gè)核心要素：計(jì)算環(huán)境和問題求解是高度契合的，因此我們在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論教學(xué)的過程中不僅要培養(yǎng)學(xué)生對計(jì)算環(huán)境的認(rèn)識(shí)，也就是首先將計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育建立在傳授計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論和實(shí)用工具使用的基礎(chǔ)上，更重要的是應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生掌握問題的計(jì)算求解方法.

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育作為大學(xué)生通識(shí)教育的一個(gè)重要組成部分，應(yīng)該始終圍繞提高學(xué)生使用計(jì)算機(jī)認(rèn)知問題和解決問題的能力，結(jié)合基礎(chǔ)理論教學(xué)與工具使用培訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，逐步擺脫計(jì)算機(jī)大學(xué)基礎(chǔ)教育中日益嚴(yán)重的計(jì)算機(jī)工具操作培訓(xùn)“危機(jī)”，更好地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)課程基礎(chǔ)教學(xué)的基本目標(biāo)和特征.

3 構(gòu)建基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系

轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，強(qiáng)化計(jì)算思維訓(xùn)練，構(gòu)建基于“計(jì)算思維”的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程體系應(yīng)從以下三個(gè)方面開展具體工作：

開展計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論教學(xué)中的計(jì)算思維理論研究，即如何克服“狹義工具論”的教學(xué)思路，通過分析比較、歸納抽象，建立計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論與計(jì)算思維方式的關(guān)聯(lián)，解決“如何像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思維”、“如何從計(jì)算思維的角度理解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論”、“如何對獲取的信息用計(jì)算思維進(jìn)行深層次的加工和處理”等問題.因此，本課程改革的研究重點(diǎn)在現(xiàn)有“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”、“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”兩門計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)核心課程的基礎(chǔ)上，如何通過知識(shí)點(diǎn)的編排和改造，將計(jì)算思維融入到這兩門課程中，在教學(xué)過程中體現(xiàn)“計(jì)算思維方式”思想，即回答“如何用計(jì)算思維的方式理解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”的問題.按照“思維方式-抽象研究-基礎(chǔ)理論”為主線的教學(xué)目標(biāo)層次，以培養(yǎng)學(xué)生掌握以“合理抽象、高效實(shí)現(xiàn)”為特征的構(gòu)造性過程的能力，在理論基礎(chǔ)教學(xué)中通過在基礎(chǔ)知識(shí)的概念講解中融入通俗易懂的問題，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行常規(guī)問題求解和引入模型設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和問題求解，通過理論學(xué)習(xí)與問題求解訓(xùn)練，改變長期以來的基礎(chǔ)理論宣講的教學(xué)方式，讓學(xué)生初步了解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)與抽象級(jí)的問題求解方法之間的關(guān)系，掌握計(jì)算機(jī)高級(jí)語言進(jìn)行的常見問題的求解方法.例如，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程中，可以從普通郵遞信函在各地郵局之間的傳遞方式，引出多個(gè)計(jì)算機(jī)終端如何進(jìn)行連接的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考如何實(shí)現(xiàn)多臺(tái)計(jì)算機(jī)或電子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)集成，尤其是需要建立連接的多個(gè)設(shè)備之間距離較遠(yuǎn)甚至跨省市或國家時(shí)應(yīng)該如何解決？然后用計(jì)算思維的方式引導(dǎo)學(xué)生對這些問題進(jìn)行思考、抽象與研究，最后通過對這些問題的解決，逐步引出計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)中的網(wǎng)絡(luò)概念、網(wǎng)絡(luò)分類、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等基礎(chǔ)概念，通過這種自然且易理解的教學(xué)，從介紹傳統(tǒng)思維方式與計(jì)算思維方式的差異，引出計(jì)算方法與程序設(shè)計(jì)語言的相關(guān)內(nèi)容，從而以思維方式看算法和程序設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究計(jì)算思維如何在計(jì)算方法和程序設(shè)計(jì)課程中的體現(xiàn)以及如何通過計(jì)算思維實(shí)現(xiàn)計(jì)算方法與程序設(shè)計(jì)解決專業(yè)學(xué)科問題.

本課程改革的目標(biāo)是構(gòu)建全方位立體的課程教學(xué)體系.首先是課堂講授，以教師對教材內(nèi)容的講授為主，采用主題或課題貫穿、循序漸進(jìn)及多視角的教學(xué)及思維引導(dǎo)方法，結(jié)合多媒體教學(xué)課件實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳播與思維方式的初步建立，并初步掌握計(jì)算機(jī)理論與計(jì)算思維之間的關(guān)系；其次是結(jié)合課堂與習(xí)題練習(xí)，以學(xué)生獨(dú)立和小組為單位的課堂和習(xí)題練習(xí)相結(jié)合，以小組為單位，討論和分析專業(yè)問題點(diǎn)，用傳統(tǒng)思維和計(jì)算思維的方式得到不同的解決方案，從而鞏固和形成計(jì)算思維方式理解和解決問題的習(xí)慣；再次是課程實(shí)踐，通過實(shí)際或?qū)I(yè)課題或項(xiàng)目的課程實(shí)踐設(shè)計(jì)，鍛煉和提高學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維思考和解決問題的綜合能力.最后通過評價(jià)考核，運(yùn)用筆試、口試、小論文、實(shí)驗(yàn)等多種考核手段，綜合評價(jià)和考核學(xué)生對計(jì)算思維方式的理解、對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論的了解、對計(jì)算方法和程序設(shè)計(jì)的掌握和應(yīng)用學(xué)習(xí)的情況.

構(gòu)建計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)平臺(tái)，首先是計(jì)算機(jī)硬件演示教學(xué)環(huán)境，包括單機(jī)、主機(jī)和多機(jī)環(huán)境；然后是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，包括無線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙技術(shù)、云服務(wù)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)等；其次是構(gòu)建多元化的計(jì)算機(jī)軟件演示教學(xué)平臺(tái)，提供豐富的學(xué)習(xí)軟件資源，通過課程網(wǎng)站進(jìn)行發(fā)布與共享，建立個(gè)性化、實(shí)時(shí)性和交互性教學(xué)互動(dòng)，建立師生之間的教學(xué)與交流平臺(tái).

4 小結(jié)

計(jì)算思維在各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，計(jì)算思維的教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，可以為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)和解決專業(yè)問題提供一種全新的思維方式，因此培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維方式僅僅是大學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的基本目標(biāo)，未來的發(fā)展方向是研究計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育與專業(yè)教育基于計(jì)算思維的結(jié)合，這需要各方面教研人員和學(xué)生共同的探索、研究、實(shí)踐，才能最終實(shí)現(xiàn)為我國培養(yǎng)創(chuàng)新性世紀(jì)人才的目標(biāo).

〔1〕Ieannette M.W ing.Computational Thinking[J].Communications of ACM,2006,49(3):33-35.

〔2〕何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)——《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》解讀[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010（9）.

〔3〕教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].北京：高等教育出版社，2009.