張欣 贠永剛 王希

摘 要：本文闡述了計(jì)算思維素質(zhì)培養(yǎng)的背景，通過分析大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)面臨的問題，提出了從“計(jì)算思維意識”、“計(jì)算思維方法”和“計(jì)算思維能力”三個層次培養(yǎng)學(xué)員計(jì)算思維能力的教學(xué)改革思路。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；課程改革；大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

1計(jì)算思維概念

第一次系統(tǒng)明確提出計(jì)算思維概念的是美國卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)的周以真教授。周以真教授提出，計(jì)算思維的本質(zhì)是自動化和抽象化，它是運(yùn)用計(jì)算的基礎(chǔ)概念去設(shè)計(jì)系統(tǒng)、理解人類行為和求解問題的一種方式方法，它是大多數(shù)人必須具備的思維能力。但是，該定義體系沒有明顯的結(jié)構(gòu)，沒有完整的方法體系和思想基礎(chǔ)，而且沒有實(shí)際操作性。

計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會和國際教育技術(shù)協(xié)會給計(jì)算思維下了一個操作性較強(qiáng)的定義：它是一個問題求解的過程，該過程包括以下要素：①提出問題，該問題能利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決；②要能夠邏輯地分析和組織實(shí)施相關(guān)數(shù)據(jù)；③能通過抽象的方法，比如模擬仿真等得出相關(guān)數(shù)據(jù)；④問題具有一定的算法，支持用程序?qū)崿F(xiàn)自動化解決；⑤能應(yīng)用各種可能的辦法，從中找到最合理的解決方案，并且能綜合這些方案內(nèi)容；⑥問題的求解過程能進(jìn)行推理判斷。

2大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)面臨的問題與挑戰(zhàn)

目前，在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)中出現(xiàn)了一些問題，主要是“狹義工具論”的問題。“狹義工具論”就是認(rèn)為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)就是教學(xué)員怎么將計(jì)算機(jī)作為工具使用。應(yīng)該說這種認(rèn)識對計(jì)算機(jī)的教育非常有害，這樣會使學(xué)員對計(jì)算學(xué)科的認(rèn)識淡化，無助于計(jì)算技術(shù)中最重要的核心思想與方法的掌握。作為“狹義工具論”顯然不好，但在過去一段時間里，在高校中的確某種程度上存在這種傾向。

再來看教程，我們大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的教程名稱很多，諸如入門、文化等等，都被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課的教材。內(nèi)容基本上是有關(guān)領(lǐng)域的濃縮版，把它壓縮在一起。好像網(wǎng)絡(luò)也講一點(diǎn)，人工智能、數(shù)據(jù)庫也講一點(diǎn)，都很濃縮。這會產(chǎn)生怎樣的后果？那就是：學(xué)員進(jìn)入大學(xué)后，對第一門計(jì)算機(jī)課程的期望值普遍較高，但實(shí)施效果與學(xué)員的期望值差距較大，其根本原因是該門課程的定位及設(shè)計(jì)出現(xiàn)了偏差。有限的課堂時間無法滿足在“狹義工具論”的認(rèn)識下，對于熟練使用各種計(jì)算機(jī)工具的目標(biāo)要求。而計(jì)算思維的培育正是克服“狹義工具論”的有效途徑，及解決其他信息科技難題的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識的教學(xué)忽視了計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，帶來了諸多問題，必須進(jìn)行相應(yīng)的改革。

3課程改革的主要內(nèi)容和思路方法

3.1強(qiáng)化計(jì)算思維意識的學(xué)習(xí)途徑

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)領(lǐng)域的一系列思維活動。計(jì)算思維并不是一種新的發(fā)明，而是早已存在的思維活動，是每一個人都具有的一種技能，與理論思維、實(shí)驗(yàn)思維一起構(gòu)成了人類的三大思維。計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)問題求解的操作過程和機(jī)器實(shí)現(xiàn)，形式規(guī)整、問題求解和人機(jī)共存是其本質(zhì)特征。

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的對象是全體一年級學(xué)員，無論是基本概念還是進(jìn)一步原理闡述，對于大多數(shù)大一新生而言都可能顯得晦澀難懂，教學(xué)可操作性不強(qiáng)，需要進(jìn)行進(jìn)一步探索研究。在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中，計(jì)算思維的案例也是處處存在。在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中，幾乎每一個概念都可以對應(yīng)一種或多種計(jì)算思維方法。例如，Cache是預(yù)置和緩存方法，多核處理器是并行處理方法；在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中，各種常用算法以及各類問題的求解方法，如迭代法、遞歸法等，都是沒有爭議的計(jì)算思維方法。而計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程中，每一門課程、每一個項(xiàng)目都是多種計(jì)算思維方法的集合。在實(shí)踐課的教學(xué)上，可通過開展以上機(jī)實(shí)驗(yàn)為重點(diǎn)的計(jì)算思維訓(xùn)練，以及通過求解問題多樣化訓(xùn)練計(jì)算思維等學(xué)習(xí)模式，以達(dá)到大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的終極目標(biāo)，即培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力，提高學(xué)員的信息素養(yǎng)。

3.2豐富計(jì)算思維方法的教學(xué)內(nèi)容

如何恰當(dāng)、明確地將計(jì)算思維融入大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，以提高學(xué)員運(yùn)用計(jì)算機(jī)知識描述問題、抽象問題和解決問題的能力，對新形勢下計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)而言是一個必須面對的課題。

3.2.1以思維為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐的授課內(nèi)容。學(xué)員具備思維意識到思維方法再到思維能力，是一步步實(shí)踐的過程。以計(jì)算思維為導(dǎo)向，采用面向能力培養(yǎng)的教學(xué)方法，圍繞計(jì)算核心原理的內(nèi)容梳理與組織教學(xué)內(nèi)容，明確什么是學(xué)員需要的，什么是學(xué)員不需要的，是教學(xué)改革的總體思路。針對不同基礎(chǔ)的學(xué)員，在案例和實(shí)踐項(xiàng)目中融入計(jì)算思維，分層次設(shè)計(jì)，以體現(xiàn)計(jì)算的原理和核心方法，激發(fā)學(xué)員興趣。同時，采用啟發(fā)式、探索式等多種方式授課，結(jié)合課內(nèi)外知識，強(qiáng)化學(xué)員理解，推動學(xué)員自主運(yùn)用所學(xué)內(nèi)容。

3.2.2以案例做牽引，引入計(jì)算思維的講述方法。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的課程教學(xué)在完成課程目標(biāo)的同時，引入計(jì)算思維的講述方法。事實(shí)上，課程中很多內(nèi)容都為計(jì)算思維能力的鍛煉提供了很好的詮釋和翔實(shí)的案例。如在講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成時，介紹圖靈機(jī)模型思想；在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)抽象化、自動化和流水線等計(jì)算思維思想；在介紹操作系統(tǒng)、進(jìn)程控制、存儲管理等內(nèi)容體現(xiàn)著抽象、并發(fā)、共享等計(jì)算思維的概念；講授計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時，介紹協(xié)議、約定等內(nèi)容引出的抽象、分層、共享等計(jì)算思維思想等。因此，在教學(xué)過程中教員必須以教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和實(shí)施為出發(fā)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)員對問題進(jìn)行抽象、分析，掌握所涉及的計(jì)算思維原理，使學(xué)員形成利用計(jì)算思維求解問題的思路。

3.3培養(yǎng)計(jì)算思維能力的教學(xué)措施

3.3.1為學(xué)員提供計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)環(huán)境。能力的培養(yǎng)離不開實(shí)踐的環(huán)節(jié)，為了培養(yǎng)學(xué)員的計(jì)算思維，要形成良好的氛圍，尤其是良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。計(jì)算機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室，不僅要建立滿足需求的軟硬件環(huán)境，而且在開放時間上也要滿足學(xué)員需要。

3.3.2建設(shè)可持續(xù)的計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)形式。計(jì)算機(jī)必修課和選修課都是以某方面的知識講授為目的的階段性課程，而且集中在一、二年級，容易形成斷層，不利于培養(yǎng)計(jì)算思維。因此，在擴(kuò)大計(jì)算機(jī)課程范圍的同時，更需要建立多種形式的計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)方式，例如定期講座、科研項(xiàng)目、學(xué)員實(shí)踐項(xiàng)目等。

4結(jié)束語

計(jì)算思維是人類三大科學(xué)思維方式之一，它作為一個問題解決的有效工具，正在改變著大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的教學(xué)模式。本文在課程教學(xué)中以計(jì)算思維為牽引，從課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)探析了在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維的思路和方法，能夠讓學(xué)員深入領(lǐng)會計(jì)算思維，應(yīng)用計(jì)算思維理念解決問題，可提升學(xué)員信息素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

（作者單位：空軍勤務(wù)學(xué)院）