王梅娟,李 輝,韓敬利,鄭長友,蔣園園
(陸軍工程大學(xué) 指揮控制工程學(xué)院,江蘇 南京 210001)
現(xiàn)代教育對學(xué)生的培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)“知行合一”的能力,以學(xué)生為主體的教學(xué)模式最終是思維能力的培養(yǎng)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。計(jì)算思維被提出后,逐漸被各學(xué)科吸收并不斷深入本科生能力培養(yǎng)模式中。
在新的人才培養(yǎng)方案下,軍隊(duì)院校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是面向全校本科層次各專業(yè)開設(shè)的一門科學(xué)文化基礎(chǔ)核心課程,隨著社會高科技的發(fā)展和全國信息化教育的普及,課程建設(shè)經(jīng)歷了信息理論—技能操作—計(jì)算思維理論的不斷變革,本科教育階段加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的必要性和意義已經(jīng)得到認(rèn)可。同時(shí),計(jì)算機(jī)工具最終將面向?qū)W科交叉趨勢,依據(jù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力基礎(chǔ),遵循學(xué)員“以計(jì)算思維方式分析解決問題能力培養(yǎng)”的理念,計(jì)算思維能力訓(xùn)練導(dǎo)向在新大綱中尤為凸顯。
計(jì)算思維的概念形成很早,主要有算法思維和程序思維兩大分支[1]。
最初計(jì)算機(jī)采用“計(jì)算”這一概念的時(shí)候,就出現(xiàn)過“計(jì)算思維”這一常用名詞,同時(shí)也被稱為“算法思維”,指將問題轉(zhuǎn)換為從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換過程,此時(shí),計(jì)算機(jī)作為工具更多應(yīng)用在數(shù)值計(jì)算中。
另一角度,隨著編程的普及和幼齡化,Papert 在使用LOGO 編程語言教授學(xué)生數(shù)學(xué)概念時(shí)發(fā)現(xiàn),計(jì)算機(jī)編程可以影響學(xué)生的思維,于是很早將計(jì)算思維定義為“程序思維”[2],強(qiáng)調(diào)解決問題時(shí)像“計(jì)算機(jī)一樣思考”,主張從兒童時(shí)期就應(yīng)該開始接觸學(xué)習(xí)編程,從而將程序思維作為思維技能的基本組成部分,之后他又進(jìn)一步基于程序思維界定了計(jì)算思維[3],這一觀點(diǎn)得到了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域部分學(xué)者的認(rèn)可。
更廣泛被接納熟知的術(shù)語“計(jì)算思維(Computational Thinking)”是美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授在2006 年提出的,“計(jì)算思維是一種使用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念解決問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動”[4],而她本人給出進(jìn)一步的解釋,“計(jì)算思維是一種分析思維,在問題解決的不同階段會用到數(shù)學(xué)思維,在設(shè)計(jì)和評價(jià)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)會用到工程思維,在理解概念時(shí)會用到科學(xué)思維”[5]。這一定義比Papert 的“程序思維”更廣義,也得到更多學(xué)者的認(rèn)可,因此,計(jì)算思維可以認(rèn)為是解決問題的心智工具集[6],是一系列思維技能[7]。
在計(jì)算思維還未被教育學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的時(shí)候,傳統(tǒng)教學(xué)中常見的思維訓(xùn)練包括理論思維和實(shí)驗(yàn)思維[8]。
理論思維是以推理和演繹為特征的“邏輯思維”,用假設(shè)/預(yù)言—推理—證明等理論手段研究社會/自然現(xiàn)象及規(guī)律;而實(shí)驗(yàn)思維是以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征的“構(gòu)造思維”,以計(jì)算手段研究社會/自然現(xiàn)象及規(guī)律。
然而,隨著社會/自然探索內(nèi)容的廣度化和深度化,“傳統(tǒng)理論+實(shí)驗(yàn)的手段”受到限制,實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的一般規(guī)律很難通過人為分析觀察獲取,不可避免地需要計(jì)算手段實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的協(xié)同創(chuàng)新,而計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展自然而然地孕育了“計(jì)算思維”的誕生,計(jì)算逐漸成為現(xiàn)代化知識學(xué)習(xí)、科學(xué)研究的必要手段和必備能力,這也是在大學(xué)入學(xué)階段就開始培養(yǎng)學(xué)員計(jì)算思維能力的重要性。何欽銘等人在教指委《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》[9]的解讀中直接指明,大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)包括初步了解抽象級的問題求解方法,掌握語言及問題的求解技術(shù),并根據(jù)專業(yè)的應(yīng)用特征了解或掌握系統(tǒng)級或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)級的問題求解方法[10]。
根據(jù)中央軍委訓(xùn)練管理部2018 年6 月頒布的軍隊(duì)院校教學(xué)大綱,大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)是軍隊(duì)院校生長軍官本科教育各專業(yè)學(xué)員通用基礎(chǔ)課程中的一門科學(xué)文化課程,同時(shí)也是一門公共工具課程[11]。課程參考學(xué)時(shí)48 學(xué)時(shí),一般安排在第1 或第2 學(xué)期。學(xué)員通過本課程的學(xué)習(xí),應(yīng)獲得計(jì)算機(jī)發(fā)展、軟硬件系統(tǒng)、算法、信息安全等方面的基本知識,掌握信息處理基本方法和多媒體技術(shù),初步具備運(yùn)用計(jì)算工具解決實(shí)際問題的能力,培養(yǎng)信息素養(yǎng)和計(jì)算思維。
新大綱知識導(dǎo)圖如圖1 所示。
圖1 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程新大綱知識導(dǎo)圖
在新的課程教學(xué)大綱要求下,在有限的課時(shí)范圍內(nèi),如果單一地以如此分散的理論知識點(diǎn)為貫穿組織教學(xué),必然存在學(xué)時(shí)不夠的問題和課程實(shí)施枯燥乏味的難題,因此,大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程應(yīng)突破過去以計(jì)算機(jī)操作為主的教學(xué)模式,取而代之的是更多地教授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識,強(qiáng)調(diào)課程的基礎(chǔ)性,突出體現(xiàn)對學(xué)員計(jì)算思維能力的培養(yǎng),以解決問題為目標(biāo),貫穿知識點(diǎn)。
BLOOM 認(rèn)知模型是布魯姆等人在1956 年提出的關(guān)于認(rèn)知學(xué)習(xí)領(lǐng)域教學(xué)目標(biāo)的6 個層次,從低級到高級依次為知識/識記(Knowledge)、理解(Comprehension)、應(yīng)用(Application)、分析(Analysis)、綜合(Synthesis)、評價(jià)(Evaluation),如圖2 所示。
圖2 基于BLOOM 認(rèn)知模型的教學(xué)理念
高中以前學(xué)習(xí)的知識更多是前3 個層次的重復(fù)訓(xùn)練,知道怎么做得到怎樣的結(jié)果,而大學(xué)培養(yǎng)的是學(xué)生后3 個層次的認(rèn)知能力。
大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程要本著借助計(jì)算機(jī)工具培養(yǎng)學(xué)員通過計(jì)算思維解決實(shí)際問題的理念,課程設(shè)計(jì)打破狹義工具論和計(jì)算機(jī)專業(yè)論,強(qiáng)調(diào)“問題”和問題的解決討論,引導(dǎo)學(xué)員學(xué)會從淺層面了解“怎么做”過渡到深層次理解“應(yīng)該怎么做(分析)”“具體怎么做(綜合)”“還能怎么做(評估)”,幫助學(xué)員建立科學(xué)的研究習(xí)慣和思維邏輯,提高結(jié)合計(jì)算方法分析解決問題的綜合能力和評估能力。
隨著全社會信息化水平的提升,大學(xué)入學(xué)新生的計(jì)算機(jī)操作技能更加成熟。根據(jù)近兩年問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì),學(xué)源學(xué)情見表1。
表1 近兩年學(xué)源學(xué)情調(diào)查
從數(shù)據(jù)結(jié)果可以很明顯地認(rèn)識到,大學(xué)計(jì)算機(jī)課程基本操作訓(xùn)練的必要性逐漸減弱;而計(jì)算思維對學(xué)科研究和任職崗位培養(yǎng)的重要性不斷增加。面對不同專業(yè)、不同類型的學(xué)員,他們將來的任職崗位或?qū)W科科學(xué)研究對學(xué)員計(jì)算機(jī)能力的需求在發(fā)生變化,不僅僅是會用計(jì)算機(jī),還要會用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際相關(guān)問題。
同時(shí),學(xué)源組成復(fù)雜。學(xué)員來自全國各地,分布廣泛,而各地教育水平和對信息課程的重視程度差異非常大。面對同一教學(xué)班可能出現(xiàn)嚴(yán)重兩極分化的情況,分層教學(xué)、因材施教是必須考慮的課堂實(shí)施,而如何分層,最根本的解決方法是從思維訓(xùn)練入手,授人以魚不如授人以漁。
結(jié)合新大綱要求和實(shí)際學(xué)情分析,大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容在教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上,充分考慮我校各專業(yè)的特點(diǎn)和要求,內(nèi)容涵蓋大綱要求的九大主題,既包括計(jì)算模型原理,又包括計(jì)算實(shí)現(xiàn)功能,為學(xué)員提高抽象、應(yīng)用能力提供了基礎(chǔ)。內(nèi)容及課時(shí)分配見表2。
表2 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容組織及課時(shí)分配
3.1.1 理論教學(xué)知識體系
理論教學(xué)內(nèi)容的目的是使學(xué)生在對計(jì)算系統(tǒng)及環(huán)境有所了解的同時(shí),初步體會計(jì)算機(jī)問題求解的基本方式。
理論教學(xué)內(nèi)容按其知識體系劃分為4 個知識領(lǐng)域,如圖3 所示。
圖3 理論知識體系
其中,系統(tǒng)平臺與計(jì)算環(huán)境知識是計(jì)算思維所依賴的計(jì)算環(huán)境基礎(chǔ);算法基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)知識涉及語言級的問題求解;數(shù)據(jù)管理與信息處理知識是系統(tǒng)級問題求解的基礎(chǔ),也往往成為語言級問題求解的目標(biāo);系統(tǒng)開發(fā)與行業(yè)應(yīng)用知識則直接涉及面向應(yīng)用的系統(tǒng)級問題求解技術(shù)與方法。
3.1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊
課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體以Python 實(shí)現(xiàn)問題求解為貫穿,如圖4 所示。
圖4 實(shí)驗(yàn)?zāi)K劃分
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊扣計(jì)算機(jī)基本原理與實(shí)現(xiàn)(模擬圖靈機(jī))、程序?qū)崿F(xiàn)與算法優(yōu)化(水仙花數(shù)、最小公倍數(shù)、素?cái)?shù)、排序等)、操作系統(tǒng)功能與作用(進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理、CPU 調(diào)度等)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用(數(shù)據(jù)庫管理、結(jié)構(gòu)化查詢操作等)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(socket 通信、郵件傳輸、網(wǎng)頁爬蟲)、多媒體技術(shù)(聲音數(shù)字化、圖像Huffman編碼等),通過計(jì)算問題的訓(xùn)練,培養(yǎng)學(xué)員解決社會自然問題乃至各專業(yè)問題的計(jì)算思維模式。
3.1.3 課程改革建設(shè)對比
以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為例,課程教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容設(shè)置在改革前后對比見表3。
改革后的內(nèi)容設(shè)置從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面均加大和突出計(jì)算思維訓(xùn)練有關(guān)的知識模塊,由靜態(tài)的知識概念向理解過程和應(yīng)用過程轉(zhuǎn)變,通過Python 灌輸計(jì)算機(jī)解決問題的一般方法,形成并不斷提高通過計(jì)算思維的方式分析、解決問題的能力,以計(jì)算算法為輔助,提高計(jì)算機(jī)在各專業(yè)的應(yīng)用工具能力。
3.2.1 教學(xué)方法
因?yàn)檎n程教學(xué)內(nèi)容由“知識傳授、實(shí)踐操作”轉(zhuǎn)變?yōu)椤八季S引導(dǎo)、自主鍛煉”,加大和突出計(jì)算思維訓(xùn)練有關(guān)的知識模塊,所以教學(xué)方法由“注入式知識傳授”轉(zhuǎn)變?yōu)椤把芯渴侥芰ε囵B(yǎng)”,通過Python 實(shí)現(xiàn)并體會問題解決的不同方式,引導(dǎo)學(xué)員體會知識背后所蘊(yùn)含的計(jì)算思維規(guī)律和特點(diǎn)。
表3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學(xué)改革對比
理論教學(xué)采用問題引導(dǎo)、深入淺出、案例分析、參與式學(xué)習(xí)、角色扮演等多種教學(xué)方式,提高學(xué)員對計(jì)算機(jī)科學(xué)的理解和認(rèn)識,引導(dǎo)學(xué)員通過計(jì)算思維的方式分析解決問題,充分運(yùn)用多媒體等教學(xué)手段輔助課堂教學(xué),提高課堂教學(xué)效率。
實(shí)踐教學(xué)通過Python 實(shí)現(xiàn)了解計(jì)算機(jī)解決問題的一般方法,形成并不斷提高通過計(jì)算思維的方式分析、解決問題的能力,以計(jì)算算法為輔助,提高計(jì)算機(jī)在各專業(yè)的應(yīng)用工具能力。
提供自主學(xué)習(xí)輔助資料,通過學(xué)員自主課外時(shí)間練習(xí)和實(shí)踐,提高學(xué)員利用計(jì)算思維分析問題的能力,提高利用Python實(shí)現(xiàn)問題求解的能力,提高借助計(jì)算機(jī)解決各專業(yè)不同問題的能力。
3.2.2 教學(xué)實(shí)施
因?yàn)榻虒W(xué)目標(biāo)由“偏重于計(jì)算機(jī)知識與操作培養(yǎng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄糜?jì)算思維解決實(shí)際問題能力培養(yǎng)”,所以教學(xué)實(shí)施過程也隨著目標(biāo)和內(nèi)容變化相應(yīng)調(diào)整與改變。
1)教學(xué)形式由“單一的課堂教學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸嘈问降幕咏涣鳌薄?/p>
建設(shè)更加豐富的試題庫,由簡到難、由淺入深,并且作業(yè)區(qū)分難易度,鼓勵學(xué)員不斷升級挑戰(zhàn);同時(shí),實(shí)驗(yàn)分組交流,相互學(xué)習(xí),既能鍛煉學(xué)員的合作協(xié)調(diào)能力,又能緩解60 人以上大班教員的輔導(dǎo)壓力。
除了課堂授課、答疑、交流外,還鼓勵學(xué)員接觸建模、仿真等概念,與計(jì)算思維結(jié)合訓(xùn)練。另外,在實(shí)驗(yàn)班次引入網(wǎng)絡(luò)在線平臺Educoder,以趣味性的方式吸引學(xué)員闖關(guān)、練級,寓教于樂,充分利用學(xué)員課后時(shí)間鞏固知識點(diǎn)。
2)考核方式由“傳統(tǒng)單一”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑^程化考核”。
建立以衡量綜合素質(zhì)為依據(jù)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),采用理論考試、課后作業(yè)、課堂表現(xiàn)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)的多種方式綜合評定課程成績,按比例劃分為平時(shí)成績40%(20%實(shí)驗(yàn)+10%作業(yè)+10%課堂表現(xiàn))+考試成績60%。
我校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程歷經(jīng)兩年開展課程教學(xué)研討與改革實(shí)踐,面對學(xué)科交叉趨勢,依據(jù)計(jì)算機(jī)理論與功能基礎(chǔ),遵循學(xué)員“以計(jì)算思維方式分析解決問題能力培養(yǎng)”的理念,以Python實(shí)現(xiàn)計(jì)算相關(guān)問題為主線,圍繞知識矩陣,構(gòu)建新的課程知識體系,同時(shí)立足教法創(chuàng)新,激發(fā)學(xué)員以不同思維解決問題,有效地將以教員為主的課程教學(xué)轉(zhuǎn)化為以學(xué)員為主的自主學(xué)習(xí),改革效果顯著。
計(jì)算思維的教學(xué)導(dǎo)入任重道遠(yuǎn),我們還將進(jìn)一步探索,為培養(yǎng)本科各專業(yè)學(xué)員的信息素養(yǎng)和工程素養(yǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。