袁磊　寧彬　谷瓊

摘 要： 在計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)過(guò)程中，如何培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的問(wèn)題是當(dāng)前計(jì)算機(jī)教育中的熱點(diǎn)課題。結(jié)合培養(yǎng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才的需要，提出并踐行基于計(jì)算思維的探究式教學(xué)模式，包括課程教學(xué)改革、上機(jī)實(shí)踐、評(píng)價(jià)機(jī)制等方面的教學(xué)改革。經(jīng)過(guò)兩年多的實(shí)踐證明，該模式有助于強(qiáng)化培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維能力和專業(yè)實(shí)踐能力，為高等學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才開(kāi)展教學(xué)改革提供了新的思路。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算思維； 應(yīng)用型人才； 教學(xué)改革； 人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）04-62-02

Abstract： Problem of how to cultivate the computational thinking ability for students in the computer teaching is the current hot topic in computer education. Combined with the necessity of the computer applied talent cultivation， the exploratory teaching pattern based on computational thinking is presented and fulfilled， including teaching reforms， practice， assessment mechanism， etc. After more than two years' practice， the results show that this mode can enhance students computational thinking ability and professional practice ability， and provide a new thought on developing teaching reform for cultivating applied talent in higher education.

Key words： computational thinking； applied talent； teaching reform； talent cultivation

0 引言

計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域研究成果的不斷豐富和完善，促使計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如普適計(jì)算、商業(yè)智能、計(jì)算金融學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、計(jì)算醫(yī)學(xué)等。計(jì)算機(jī)與這些學(xué)科之間的交叉越來(lái)越深入，單單依靠具有學(xué)術(shù)教育背景的傳統(tǒng)研究型計(jì)算機(jī)人才雖然是不夠的，所以培養(yǎng)能夠快速地將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于某一領(lǐng)域，解決該領(lǐng)域具體計(jì)算問(wèn)題的計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才非常重要。有計(jì)算機(jī)專業(yè)背景的研究人員往往被視為“編程者”，但隨著計(jì)算機(jī)無(wú)處不在，使用計(jì)算機(jī)的難度越來(lái)越低，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序和復(fù)用它們的難度也不斷降低[1]。計(jì)算機(jī)技術(shù)人員正在從單純的編程實(shí)現(xiàn)脫離出來(lái)，從配角轉(zhuǎn)為主角，逐步地改變各學(xué)科研究人員對(duì)各自領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)和思考方式。這種現(xiàn)狀要求計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才不僅有扎實(shí)的編程能力和計(jì)算機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)，也應(yīng)該擅長(zhǎng)計(jì)算思維，能夠抽象和分解問(wèn)題。

雖然一些計(jì)算機(jī)教育者正在教學(xué)過(guò)程中推進(jìn)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，但是對(duì)于計(jì)算思維的總體認(rèn)識(shí)和教學(xué)把握仍然處于摸索階段，還沒(méi)有形成一套完整的方法體系。

1 計(jì)算思維

2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授在ACM雜志上提出，計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，我們應(yīng)當(dāng)使每個(gè)孩子在培養(yǎng)解析能力時(shí)不僅掌握閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)，還要學(xué)會(huì)計(jì)算思維。他指出：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。學(xué)會(huì)計(jì)算思維，是在信息社會(huì)中創(chuàng)新的需要。要培養(yǎng)出創(chuàng)造性人才，教育在思想和方法上就必須擺脫傳統(tǒng)教學(xué)的偏見(jiàn)，讓學(xué)生運(yùn)用高效的思維去思考[2]。概括的說(shuō)，計(jì)算思維與數(shù)學(xué)思維非常類似，是一種形式化描述思維，充分體現(xiàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⑿问交?、?guī)整的邏輯思維。

目前，計(jì)算思維在教學(xué)和培訓(xùn)中的應(yīng)用正逐步展開(kāi)。2008年，美國(guó)國(guó)家計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會(huì)（CSTA）在網(wǎng)上發(fā)布了得到美國(guó)微軟公司支持的 《計(jì)算思維：一個(gè)所有課堂問(wèn)題解決的工具》報(bào)告。國(guó)內(nèi)，多位專家學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了一些有益的探索。2008年10月，我國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)召開(kāi)專題學(xué)術(shù)研討會(huì)，根據(jù)“計(jì)算思維”領(lǐng)域的研究以及它在科技創(chuàng)新與教育教學(xué)中的重要作用，探討在教學(xué)過(guò)程中如何以課程為載體講授面向?qū)W科的思維方法，以共同促進(jìn)國(guó)家科學(xué)與教育事業(yè)的進(jìn)步。2009年12月，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)青年計(jì)算機(jī)科技論壇舉辦“計(jì)算思維”專題論壇。

基于計(jì)算思維的教學(xué)核心理念是培養(yǎng)聰明的學(xué)習(xí)者，教師不僅要教會(huì)學(xué)生如何解決問(wèn)題，也要教會(huì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)值得解決的問(wèn)題。通過(guò)為學(xué)生提供足夠的思維空間，激勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，繼而解決問(wèn)題。一方面，以培養(yǎng)計(jì)算思維能力為目的，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在計(jì)算思維活動(dòng)中學(xué)習(xí)；另一方面，學(xué)習(xí)計(jì)算思維本身，這兩個(gè)方面相輔相成。基于計(jì)算思維的學(xué)習(xí)目的是為了創(chuàng)造，計(jì)算思維發(fā)展水平是學(xué)生成才的關(guān)鍵，計(jì)算思維教學(xué)對(duì)學(xué)生現(xiàn)在以及將來(lái)具有非常重要的影響。

2 基于計(jì)算思維的探究教學(xué)模式

為了在教學(xué)和實(shí)踐中融入計(jì)算思維，依據(jù)計(jì)算思維的方法和教學(xué)特點(diǎn)，提出基于計(jì)算思維的探究教學(xué)模式：教師確定教學(xué)內(nèi)容，包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)、教學(xué)流程，并以問(wèn)題的形式呈現(xiàn)給學(xué)生；學(xué)生面對(duì)問(wèn)題，尋找?guī)椭?、提出解決方案、解決問(wèn)題；運(yùn)用計(jì)算思維方法、過(guò)程監(jiān)督與指導(dǎo)，注重共享交流和反思評(píng)價(jià)。

基于計(jì)算思維的探究教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，把教師的教學(xué)活動(dòng)和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)以待解決的問(wèn)題為主線貫穿起來(lái)，并在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中貫穿計(jì)算思維的一系列方法：遞歸、抽象、分解，以及在不確定性情況下的規(guī)劃和利用啟發(fā)式的推理來(lái)尋求解決問(wèn)題等，通過(guò)解決問(wèn)題來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣和動(dòng)機(jī)，通過(guò)教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)和教學(xué)評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。也就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和行為理解，即建立計(jì)算思維[3]。

計(jì)算思維應(yīng)用到計(jì)算機(jī)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)過(guò)程的核心任務(wù)是，教會(huì)學(xué)生面對(duì)求解問(wèn)題，從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作等四個(gè)層面去分析、抽象，拿出應(yīng)用計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的思路，并以團(tuán)隊(duì)式和工程化的方法去設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維能力的目的。

3 計(jì)算思維在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的應(yīng)用實(shí)踐

在課程教學(xué)中，從講授方式、上機(jī)實(shí)踐及評(píng)價(jià)機(jī)制三大環(huán)節(jié)，注重用計(jì)算思維的方法來(lái)引導(dǎo)學(xué)生研究問(wèn)題。

3.1 以計(jì)算思維為核心，實(shí)施課程教學(xué)改革

明確將計(jì)算思維融入到課堂教學(xué)，將傳統(tǒng)的知識(shí)傳授轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥R(shí)的思維傳授，以提高學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)知識(shí)抽象和分解問(wèn)題的能力。在課堂講授中，從各種現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題出發(fā)，圍繞分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的過(guò)程，采用一種對(duì)教學(xué)有利的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，講授一些典型的實(shí)例、可能的解決方案以及在計(jì)算中一些必要的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)。啟發(fā)學(xué)生針對(duì)新問(wèn)題尋找更好的問(wèn)題解決方案。鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維求解問(wèn)題并編寫(xiě)一些簡(jiǎn)單的、可解決實(shí)際問(wèn)題的程序。

以計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程——“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”為例，從內(nèi)容上進(jìn)行改革，力求從講授一門(mén)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及其應(yīng)用，轉(zhuǎn)變?yōu)橹v授“思想和方法”。以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題→分析問(wèn)題→尋求多種解決方案→對(duì)各種解決方案比較選優(yōu)→實(shí)現(xiàn)解決方案的“問(wèn)題求解驅(qū)動(dòng)式程序設(shè)計(jì)”訓(xùn)練方法，盡可能逼近解決真實(shí)世界問(wèn)題的模式，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

教師在教學(xué)過(guò)程中要精心組織教學(xué)素材，不但要講授課程的相關(guān)知識(shí)，而且要介紹一些與問(wèn)題有關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)，注重由應(yīng)用導(dǎo)入知識(shí)點(diǎn)。

3.2 基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的本質(zhì)需要，加強(qiáng)上機(jī)實(shí)踐

在知識(shí)體系構(gòu)建過(guò)程中，注重學(xué)生計(jì)算思維和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在應(yīng)用過(guò)程中尋找解決問(wèn)題的多種方法、掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

在上機(jī)實(shí)踐環(huán)節(jié)，采用個(gè)人作業(yè)和小組集體作業(yè)的組織方法。學(xué)生完成個(gè)人作業(yè)是可以運(yùn)用所學(xué)課程的知識(shí)獨(dú)立分析實(shí)際問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題，并在實(shí)踐環(huán)節(jié)中不斷加深對(duì)計(jì)算思維的理解和運(yùn)用，提高個(gè)人獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

小組集體作業(yè)，由3-5名學(xué)生完成一個(gè)作業(yè)。教師可以給定選題，學(xué)生也可結(jié)合自己的專長(zhǎng)和興趣進(jìn)行選題。小組集體作業(yè)可以針對(duì)某個(gè)問(wèn)題采用不同的方法，開(kāi)發(fā)一個(gè)程序。通過(guò)這樣的團(tuán)隊(duì)合作使學(xué)生了解和體會(huì)團(tuán)隊(duì)合作在解決大型、復(fù)雜科學(xué)問(wèn)題中的重要性。

在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，以及學(xué)生之間相互交流的重要性。創(chuàng)造機(jī)會(huì)讓學(xué)生展示個(gè)人的成果。這樣通過(guò)合理的思維碰撞、討論，加強(qiáng)計(jì)算思維的滲透，可以更好地調(diào)動(dòng)起處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)、思維活躍度不高的學(xué)生。

3.3 遵循思維的多樣化，建立多維的評(píng)價(jià)機(jī)制

計(jì)算思維是一種思維方式，不是一個(gè)具體的技能或事物。因此在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生是計(jì)算思維能力培養(yǎng)的思維主體，具有主觀能動(dòng)性，可呈現(xiàn)出計(jì)算思維的多樣性。對(duì)計(jì)算思維的多樣性，教師應(yīng)持有一定的寬容態(tài)度，并適當(dāng)?shù)卦趯W(xué)生之間加以評(píng)價(jià)和引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生對(duì)同一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行多視角分析，提升思維的靈活性和創(chuàng)造性[4]。由此可見(jiàn)，建立多維的評(píng)價(jià)機(jī)制也十分重要。

為了客觀評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的結(jié)果，建立面向過(guò)程和結(jié)果的雙重性評(píng)價(jià)機(jī)制，包括個(gè)人自評(píng)、學(xué)生互評(píng)、教師評(píng)價(jià)等方面，開(kāi)展過(guò)程性評(píng)價(jià)，及時(shí)改進(jìn)教學(xué)過(guò)程，并以學(xué)生演示、答辯的形式作為最終評(píng)價(jià)，以檢驗(yàn)學(xué)生綜合應(yīng)用能力。這種多維評(píng)價(jià)機(jī)制有利于促使學(xué)生注重計(jì)算思維和自主學(xué)習(xí)，從而更有利于教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

自2011年9月開(kāi)始在我院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程專業(yè)的教學(xué)過(guò)程中，融入計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，開(kāi)展了相應(yīng)的教學(xué)改革。通過(guò)在教學(xué)和實(shí)踐中融入計(jì)算思維，讓學(xué)生在思考中面對(duì)問(wèn)題并解決問(wèn)題，不斷促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的提高，從而達(dá)到讓學(xué)生成為問(wèn)題的解決者而不僅是軟件技術(shù)員的目的。通過(guò)兩年多的摸索和實(shí)踐，我院計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和計(jì)算思維能力得到了很大提高，綜合素質(zhì)明顯增強(qiáng)，個(gè)人能力得到全面提升，對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專業(yè)人才起到了示范作用。

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