李志圣，苑伯達，郝 琨，唐國峰

（天津城建大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，天津 300072）

0 引 言

2006年，計算思維能力概念被正式提出。2010年，清華大學(xué)等高校明確提出將“計算思維能力的培養(yǎng)”列為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。此后，多所高校積極參與計算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)改革與實踐[1]。

然而總體上看，教育界對計算思維的認識以及如何進行計算思維能力的培養(yǎng)還處于相對初始的階段，很多問題還有待進一步地研究和實踐。目前主要研究成果集中在基礎(chǔ)編程教學(xué)過程中的計算思維能力培養(yǎng)上[2]，同時也有少量研究在基礎(chǔ)編程之外。文獻[3]提出在編譯原理的課程教學(xué)中，強化計算思維所要求的抽象化、形式化和自動化的特點。文獻[4]針對高校數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)提出合并整理教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)計算思維培養(yǎng)特點，并采用生動具體實例教學(xué)方法。文獻[5]提出在計算機類課程中貫穿以“提出問題—分析問題—構(gòu)造方法—解決問題—引發(fā)思考”的問題驅(qū)動式教學(xué)。文獻[6]針對案例教學(xué)進行分析，提出應(yīng)該精選案例、引導(dǎo)分析、建立模型、教學(xué)評價和反饋，進行學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。

總的來說，研究者在計算機基礎(chǔ)編程之外的研究點主要有兩大類：一是探討如何改革具體核心課程教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)計算機思維能力培養(yǎng)；二是研究探討對案例教學(xué)和任務(wù)驅(qū)動教學(xué)具體過程的改進，以突出計算思維能力培養(yǎng)的抽象化、自動化和形式化等能力。目前尚無文獻從整個本科階段進行全周期、一體化的計算機思維能力培養(yǎng)探討和研究。

1 從學(xué)科對比角度審視計算機類專業(yè)教學(xué)體系特點

傳統(tǒng)工科專業(yè)，例如土木工程、環(huán)境工程等，具有理論知識與工程實踐嚴密結(jié)合的特點，各門課程的教學(xué)都立足于提出實際問題，引導(dǎo)學(xué)生形成理論認識，進而獲得解決該領(lǐng)域問題的完備能力，從上述教學(xué)過程來看，形成了一個“問題提出—形成理論—實踐檢驗”的完整閉環(huán)。與此相對比，計算機專業(yè)的教學(xué)體系則存在特殊性。

基礎(chǔ)編程類課程的主要教學(xué)內(nèi)容是語法和例題，教學(xué)目的是通過編程實例使學(xué)生熟悉編程語言語法和一些基本問題的程序編寫方法；專業(yè)類課程（如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析與設(shè)計和編譯原理等）則是關(guān)于特定類型問題的解決方案的設(shè)計與實現(xiàn)；職業(yè)技能類課程（如JSP技術(shù)、JavaEE技術(shù)等）和相關(guān)實習(xí)實踐，都是源自具體工程實踐的解決方案。

綜合以上分析，傳統(tǒng)工科教學(xué)中“問題提出—形成理論—實踐檢驗”的教學(xué)閉環(huán)，在以往計算機類專業(yè)教學(xué)體系中應(yīng)替換為“問題提出—形成解決方案—編程實踐”。

圖1 傳統(tǒng)工科課程體系與計算機類專業(yè)課程體系對比

也許有學(xué)者會以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計課程中也含有較多的圖論基礎(chǔ)加以反駁，但實際上圖論等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)并不是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程的主要授課內(nèi)容，這些課程的重點是提升學(xué)生對某類問題解決方案的編程實現(xiàn)能力。

傳統(tǒng)工科的理論所起的作用，絕不止是“解決方案”的作用，其更重要的作用是在不同課程之間將理論內(nèi)容構(gòu)成一個嚴密的體系。以此為基礎(chǔ)，遵循由淺入深的原則，再適當(dāng)?shù)卦鲈O(shè)實踐實習(xí)內(nèi)容，構(gòu)建出合理的課程實踐體系。

在計算機類專業(yè)的教學(xué)中，各門課程依據(jù)要解決的問題，提出各自的“解決方案”，這會造成以下問題：

（1）方案本身難以精煉到理論的高度，其正確性論證也非教學(xué)重點；

（2）各門課程之間難以在相對獨立的“解決方案”基礎(chǔ)上形成嚴密的體系支撐；

（3）以“解決方案”和編程實踐為教學(xué)重點，難以產(chǎn)生貫穿于本科4年的整體著力、循序漸進的核心凝聚力。

圖1對比了傳統(tǒng)工科畢業(yè)與目前計算機類專業(yè)的教學(xué)體系特點。

2 將計算思維能力培養(yǎng)作為計算機類專業(yè)教學(xué)體系的整體目標

計算機類專業(yè)課程雖然關(guān)注不同類型問題的解決方案，以及引導(dǎo)學(xué)生進行相應(yīng)的編程實踐，其共性目標都是培養(yǎng)學(xué)生對具體問題的邏輯分析、形式化表示和程序?qū)崿F(xiàn)的能力，使學(xué)生能更好地將所理解的解決方案以計算機語言進行表達和實現(xiàn)，這顯然就是計算思維能力培養(yǎng)工作的直觀表述。

因此，計算機類專業(yè)課程的教學(xué)體系應(yīng)該明確地以計算思維能力培養(yǎng)為核心目標，各類課程（從基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程到職業(yè)技能課程）應(yīng)依據(jù)其解決問題的難度遞進關(guān)系，以各問題規(guī)模粒度，對計算思維能力的各個層面進行針對性培養(yǎng)，構(gòu)建出全周期、一體化的計算思維能力培養(yǎng)體系。

文獻[7]中提出了計算思維能力的培養(yǎng)的概要過程：建立計算的意識、了解計算的功能、掌握計算的方法、利用計算的工具和資源、具備計算（復(fù)雜問題）的能力。并提出上述過程的實現(xiàn)應(yīng)構(gòu)建恰當(dāng)?shù)恼n程體系，確定相應(yīng)的教學(xué)目標。

采納文獻[7]的觀點，同時依據(jù)“基礎(chǔ)課程—專業(yè)課程—職業(yè)技能課程”的遞進式劃分，構(gòu)建的全周期、一體化的計算思維能力培養(yǎng)體系，詳見圖2。

3 構(gòu)建以計算思維能力培養(yǎng)為核心的教學(xué)體系的具體思路

對理論課程和實踐課程實施全面覆蓋、分類規(guī)劃的一體化教學(xué)。針對各類課程特點，改革課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，圍繞計算思維能力構(gòu)筑有機課程體系，從理論到實踐進行全方位、綜合性的計算思維能力培養(yǎng)，具體思路如下：

（1）基礎(chǔ)課程。包括基礎(chǔ)編程語言和面向?qū)ο缶幊陶Z言，采用細節(jié)驅(qū)動式教學(xué)，參考現(xiàn)有豐富成果，針對入門級編程能力培養(yǎng)時所遇到的細節(jié)問題，進行細節(jié)詳盡、過程規(guī)范的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生初步的計算意識，并使其了解計算的功能。

（2）專業(yè)課程。針對各種粒度適中的經(jīng)典問題，如最短路徑問題、貪心算法等，采用問題驅(qū)動式教學(xué)，使學(xué)生掌握常用的計算方法。

（3）職業(yè)技能課程。針對企業(yè)較為關(guān)注的前沿問題和解決方案，以項目驅(qū)動的方式，引導(dǎo)學(xué)生掌握企業(yè)級開發(fā)的工具，具備解決復(fù)雜問題的計算能力。

各類課程與計算思維能力培養(yǎng)的遞進關(guān)系如圖3所示。

圖2 以計算思維能力培養(yǎng)為核心的計算機類專業(yè)課程體系

4 構(gòu)建計算思維能力培養(yǎng)的一體化教學(xué)體系的實施方案

按照3個階段遞進式的培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力，實現(xiàn)對基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程、職業(yè)技能課程等的全覆蓋。

（1）建立計算意識階段。為培養(yǎng)學(xué)生在基礎(chǔ)編程中的計算思維能力，筆者提出將基礎(chǔ)編程的引導(dǎo)教學(xué)進行形式化和標準化：圍繞“問題提出—學(xué)生嘗試—定義數(shù)據(jù)—學(xué)生完善”4個教學(xué)階段，為每個階段制定合理的教學(xué)方案，明確每階段的教學(xué)內(nèi)容和評價標準。教師依據(jù)標準化教學(xué)方案實施階段性教學(xué)行為，能夠隨時指出學(xué)生在各個階段所存在的問題，并能夠引導(dǎo)學(xué)生按照標準化方案進行下一步思考，為學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)提出切實可行的步驟方案（圖4）。

圖3 課程分類與對應(yīng)計算思維能力培養(yǎng)目標的關(guān)系

圖4 基礎(chǔ)課程教學(xué)中計算思維培養(yǎng)的細節(jié)驅(qū)動式教學(xué)方案

（2）掌握常用計算方法階段。對算法設(shè)計與分析和設(shè)計模式等課程，按照“教師提出問題—學(xué)生提出方案—學(xué)生改進方案—理論總結(jié)和提升”的問題驅(qū)動式教學(xué)方式（圖5），調(diào)整、充實課程教學(xué)內(nèi)容和教案，切實提升理論教學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，并使得學(xué)生計算思維能力在理論教學(xué)中得到充分的展示和提升。

（3）培養(yǎng)復(fù)雜計算能力階段。以案例驅(qū)動方式（圖6）的講練結(jié)合、按照“理解問題—邊講邊練—自主訓(xùn)練—總結(jié)提升”的總線，實施“教學(xué)—反饋”的項目驅(qū)動式教學(xué)，重新修訂Web前端開發(fā)、核心開發(fā)和框架開發(fā)等課程的教學(xué)大綱和教學(xué)方案，擴充和完善教學(xué)案例，同時增設(shè)實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)，并優(yōu)化開發(fā)課程與實習(xí)的前后銜接次序。

圖5 專業(yè)課程教學(xué)中計算思維培養(yǎng)的問題驅(qū)動式教學(xué)方案

圖6 案例驅(qū)動式教學(xué)方案

5 結(jié) 語

筆者圍繞計算思維能力培養(yǎng)，構(gòu)建統(tǒng)一著力、前后呼應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和體系改革方案；同時，針對“基礎(chǔ)課程—專業(yè)課程—職業(yè)技能課程”的各階段課程教學(xué)，形成步驟明確、可操作性強的教學(xué)實施方案，使所有教師都能找到學(xué)生在程序設(shè)計中所遇到問題的思維根源，進而實施有效的引導(dǎo)教學(xué)。

筆者依托于天津城建大學(xué)軟件工程專業(yè)進行了一體化教學(xué)的初步探索，目前完成了C語言、Java語言設(shè)計、設(shè)計模式和軟件開發(fā)實習(xí)的教學(xué)內(nèi)容調(diào)整，按照標準化教學(xué)方案制定了新的教學(xué)方案，并在2014—2016級軟件工程教學(xué)中進行了驗證，取得了較好的學(xué)習(xí)效果，3門理論課程的平均成績均比往屆有所提高；新的軟件開發(fā)實習(xí)方案得到了實習(xí)企業(yè)的高度肯定，企業(yè)對學(xué)生實習(xí)項目質(zhì)量的評價也高于往屆。

今后在具體實踐中，我們將針對全部課程，按照標準化方案進行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的改革，使計算思維能力培養(yǎng)在教學(xué)活動得到完整、全面的實施。