張宇昕 顏雁 丁巖 王睿

摘要：針對大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)，該文提出了一種基于計算思維創(chuàng)新型教學(xué)模式。該模式把計算思維的培養(yǎng)融合在理論教學(xué)中，并結(jié)合多種教學(xué)模式，為建設(shè)立體化混合式學(xué)習(xí)環(huán)境和資源提供相應(yīng)的理論依據(jù)，為培養(yǎng)大學(xué)生計算思維能力提供有效支撐。

關(guān)鍵詞：計算思維;大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ);創(chuàng)新型教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）06-0167-03

1淺談計算思維

計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維是以它的獨(dú)特的思維模式以及系統(tǒng)的設(shè)計理念，在實際問題解決過程中的價值日益凸顯，因此國內(nèi)外學(xué)者們越來越關(guān)注。計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，體現(xiàn)了計算思維的作用，也促使了計算思維的發(fā)展。計算思維必將成為人們生活中的一種重要的思維。因此，計算機(jī)科學(xué)教學(xué)為了讓大一新生能更快地進(jìn)入計算機(jī)的世界，應(yīng)當(dāng)開設(shè)一門新課“如何像程序員一樣思維”的課程。此課程應(yīng)該面向大學(xué)中所有理工科專業(yè)，而不僅僅是計算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生。在學(xué)生剛剛進(jìn)入大學(xué)時，讓學(xué)生更多地接觸和了解計算的方法以及數(shù)學(xué)模型。對于大一新生來說，興趣什么都重要。如何激發(fā)學(xué)生對計算機(jī)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣成為我們的首要任務(wù)。我們更多地工作中心是讓更多非計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生也學(xué)會用“抽象”的思維方式來解決問題，才能更好了理解和讀懂未來的信息社會。

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程是高等院校計算機(jī)基礎(chǔ)課程中重要的基礎(chǔ)課。也是大學(xué)通識教育的重要組成部分。該課程以培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)和計算思維為主線進(jìn)行課程內(nèi)容設(shè)置，其教學(xué)目標(biāo)是：全面培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生良好的計算思維能力，傳授計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)知識，為各學(xué)科學(xué)生未來計算機(jī)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，從而培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)求解實際問題的能力和計算機(jī)應(yīng)用水平。

2如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維意識

針對剛剛走人大學(xué)的新生來說，他們的邏輯思維能力在十幾年的學(xué)習(xí)過程中得到了系統(tǒng)而全面的培養(yǎng)，但是計算思維對于他們來說還是嶄新的開始。眾所周知計算思維是伴隨人類計算工具的出現(xiàn)自然而然形成的，是自古有之的一種思維方法，也是每一個人都具有的一種技能。計算思維的培養(yǎng)是無意識的、自發(fā)的，對于大學(xué)生計算思維意識的培養(yǎng)應(yīng)因勢利導(dǎo)，把大學(xué)生計算思維由無意識形態(tài)激活為有意識且自發(fā)的自覺意識中來。那么，對于應(yīng)用型本科大學(xué)生來說，如何應(yīng)用所學(xué)計算機(jī)知識來解決實際問題才是培養(yǎng)計算思維意識的最佳途徑。

3如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力

3.1教學(xué)方式上的變化

互聯(lián)網(wǎng)時代背景下，學(xué)生可以從不同的互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)平臺獲取知識。另一個方面，教師通過網(wǎng)絡(luò)同樣可以完成教學(xué)的多樣化。例如，組建QQ群、微信群、利用雨課堂、慕課等方式，通過這些方式教師和學(xué)生間的實時通信，使教學(xué)過程更有趣、信息量更大、教學(xué)素材更豐富，師生的連接更緊密通暢。在這樣的教學(xué)過程中，學(xué)生的主動性大大提高，更積極主動的參與案例的討論和分析，更積極思考問題，也拓寬了視野。在一定程度上可以提高學(xué)生內(nèi)在動力、使學(xué)習(xí)成為由內(nèi)心出發(fā)為自己而努力的一件有趣的事情。同時可以促進(jìn)學(xué)生間的共同學(xué)習(xí)，也可以提高學(xué)生流動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的能力。

3.2教學(xué)目標(biāo)的變化

對于非計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來講，掌握一定的計算機(jī)技術(shù)是必要的，但不是重要的。重要的是讓他們了解計算機(jī)的背景，對老師所講例題的理解，編程方法的簡單應(yīng)用。這里包括計算機(jī)應(yīng)用有什么規(guī)律，計算機(jī)應(yīng)用如何被創(chuàng)造，對本專業(yè)有什么價值。非計算機(jī)專業(yè)如何培養(yǎng)計算思維成了核心任務(wù)，這個任務(wù)要求學(xué)生掌握如何利用計算機(jī)來分析和解決問題。找到計算機(jī)解決問題的入口和思路。并且找到計算機(jī)技術(shù)與學(xué)生所學(xué)專業(yè)的結(jié)合點(diǎn)，進(jìn)而使學(xué)生在自己的學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)有所成就和創(chuàng)新。

3.3教材內(nèi)容的變化

我們學(xué)校目前教材的內(nèi)容不再按照計算機(jī)學(xué)科的內(nèi)部順序進(jìn)行，某種意義上顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)順序。例如我們不介紹計算機(jī)組成、工作原理，學(xué)生直接接觸到的是計算機(jī)算法、程序、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。利用這樣的模式，我們不再拘泥于技術(shù)細(xì)節(jié)，更著眼于整體上把握計算機(jī)科學(xué)中各分支之間的特點(diǎn)，各個知識點(diǎn)的聯(lián)系，更著力探討綜合應(yīng)用知識來解決實際問題。在程序的引入和講解中，從最簡單的生活中例子著手。例如，在C語言中由華氏溫度轉(zhuǎn)換對應(yīng)的攝氏溫度問題。首先，在順序結(jié)構(gòu)章節(jié)給定華氏溫度的值f=100°F。通過下面

在此程序講解過程中，從實際問題需要出發(fā)，由淺人深，逐步求精。

與學(xué)生專業(yè)角度的契合點(diǎn)：我們不再使用傳統(tǒng)計算機(jī)類課程的授課思路，而是從專業(yè)角度出發(fā)選取經(jīng)典案例。通過這類案例的講述，可以更清晰的解讀計算思維在這些領(lǐng)域中應(yīng)用的方法。幫助學(xué)生在本專業(yè)領(lǐng)域中更好地應(yīng)用計算思維來理解專業(yè)知識。這樣的模式在我校開展過程中得到廣泛的認(rèn)可。

3.4基于計算思維的多種教學(xué)方式的結(jié)合

教學(xué)中教師講授實際的計算思維方法，例如遞歸方法：在遞歸函數(shù)的講解中我們更重視學(xué)生對于遞歸調(diào)用的過程的理解和掌握。同時，借助多種學(xué)習(xí)環(huán)境以及各種層次、各種類型的學(xué)習(xí)資源輔助教學(xué)。例如，“雨課堂”以及校內(nèi)BlackBoard學(xué)習(xí)平臺等。在平臺上學(xué)生間可以相互交流，可以及時高效發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，并達(dá)到拓展遷移、內(nèi)化知識。例如，在講解程序設(shè)計中的排序問題時，教師從比較和交換講起，比較和交換是排序算法中的關(guān)鍵技術(shù)。然后使用計算思維中遞歸思想，以及關(guān)注點(diǎn)分離的方法，把十個不同隨機(jī)自然數(shù)的排序問題進(jìn)行分解。這樣，就可以只考慮兩個不同隨機(jī)自然數(shù)的大小比較和排序問題。問題難度很顯然降低了。如圖1所示：

進(jìn)而再繼續(xù)擴(kuò)展，從小到大排序十個不同隨機(jī)自然數(shù)，完成一趟排序。使十個自然數(shù)中最大的一個排到最后一個位置。如圖2所示：

在解決排序問題的過程，學(xué)生們充分發(fā)揮想象，深入學(xué)習(xí)研究，最終想到多種不同的排序方法。實現(xiàn)了例如簡單選擇排序、冒泡排序、歸并排序等等。其他方法的設(shè)計和擴(kuò)展都是在BlackBoard學(xué)習(xí)平臺實現(xiàn)的。通過鞏固練習(xí)和相互交流，學(xué)生很快掌握自己發(fā)現(xiàn)的解決排序問題的方法，同時也可以了解其他有效解決排序問題的策略和方法，拓展了思維空間，為學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)起到了推動作用。學(xué)生們的交流協(xié)作，這也使學(xué)生反思自己的學(xué)習(xí)過程，進(jìn)而重新整理知識點(diǎn)，構(gòu)建出適合自己的一套學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)模式。通過這個過程解決問題能力、計算思維能力與創(chuàng)新能力都得以提升。

教學(xué)中教師可以通過BlackBoard學(xué)習(xí)平臺監(jiān)控到學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中的每個環(huán)節(jié)的評價如圖3和圖4所示：

學(xué)生也可以了解自己在各個環(huán)節(jié)掌握情況。每章節(jié)作業(yè)情況和學(xué)生交流情況，教師端可以一目了然。課堂上教師們通過“雨課堂”實時掌握學(xué)生參與度、各班級答題情況、答題易錯點(diǎn)，對于出錯率較高的題目可以重點(diǎn)講解。在這樣的過程中，所有的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)都是在計算思維理念的指導(dǎo)下進(jìn)行的。通過計算思維方法的不斷應(yīng)用，最終達(dá)到有效培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的目的。

4基于計算思維的創(chuàng)新型教學(xué)模式效果分析

以大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，我們進(jìn)行了基于計算思維的創(chuàng)新型教學(xué)模式的教學(xué)效果的評價分析。按照新版教學(xué)大綱的要求，我們從四個角度進(jìn)行分析該教學(xué)模式對學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)和滿意程度等方面的效果。這四個角度分別是：解決問題問題能力提升、學(xué)習(xí)興趣擴(kuò)大化和學(xué)習(xí)態(tài)度的嚴(yán)謹(jǐn)程度、學(xué)習(xí)計算機(jī)自覺性與興趣和源自學(xué)習(xí)過程的考核方式。分析效果的方法采用問卷調(diào)查來進(jìn)行，共發(fā)問卷230份，回收215份，有效回收率超過98%。通過對所有問卷的整理、分析和總結(jié)，評價結(jié)果如圖5所示：

5結(jié)束語

我們所提出來的基于計算思維的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程創(chuàng)新模型教學(xué)模式已經(jīng)應(yīng)用于實際教學(xué)中一年之久，它在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，提高了學(xué)生的實際編程能力。教會學(xué)生在解決具體實際問題時，運(yùn)用計算思維的方式來著手解決問題。面對編程新手不再那么困難。為學(xué)生的初步的計算思維方式的形成奠定的基礎(chǔ)。為提高學(xué)生們的綜合能力提供了保障。