摘要：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解和系統(tǒng)設(shè)計的一種思維方式，它對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、問題解決能力和綜合性思考能力具有重要意義。然而，在傳統(tǒng)計算機教學(xué)中，往往過于注重工具操作而忽視了計算思維的培養(yǎng)。以計算思維為切入點，分析了其特點、優(yōu)勢和處理問題時的流程，同時討論了傳統(tǒng)計算機教學(xué)中存在的問題，并提出了計算思維導(dǎo)向下的創(chuàng)新方法來提高教學(xué)效果，促進學(xué)生在問題解決和系統(tǒng)設(shè)計方面的能力發(fā)展。

關(guān)鍵詞：計算思維；計算機教學(xué)；創(chuàng)新方法

一、前言

計算思維是一種運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解和系統(tǒng)設(shè)計的思考方式。它強調(diào)抽象能力、分解能力、遞歸思考和并行處理等特點，幫助人們更好地理解和應(yīng)用計算機科學(xué)的原理和方法。在計算機教育領(lǐng)域中，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維具有重要意義。

二、計算思維的特點和優(yōu)勢

（一）抽象能力

計算思維強調(diào)抽象能力，即將復(fù)雜問題抽象成更一般化的形式。這就可以從具體情境中解脫出來，關(guān)注問題本質(zhì)，并應(yīng)用相應(yīng)的算法或方法。例如，在編程中，可以使用變量、函數(shù)和對象等抽象概念來表示現(xiàn)實世界中的事物，并對其進行操作和處理。

（二）分解能力

計算思維具備分解能力，即將大型龐雜任務(wù)或系統(tǒng)分解為更小、更可管理的部分。通過逐步解決每個子問題，最終達到整體問題的求解或系統(tǒng)設(shè)計。這種分解能力使得復(fù)雜任務(wù)變得可行，并建立清晰而有效的工作流程。

（三）遞歸思考

遞歸是計算思維中常見且重要的概念之一。它允許將一個問題分解為更小規(guī)模的相似子問題，并通過對子問題進行求解來推導(dǎo)出原始問題的答案[1]。遞歸思考能夠幫助處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，例如樹、圖和排序等。

（四）并行處理

計算思維具備并行處理能力，即同時處理多個相關(guān)任務(wù)或操作。這樣可以利用并行性提高效率，并在需要時進行任務(wù)間協(xié)作和通信。例如，在分布式系統(tǒng)中，多個計算節(jié)點可以同時執(zhí)行不同的任務(wù)，從而加快整體計算速度。

（五）數(shù)據(jù)驅(qū)動

計算思維強調(diào)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行決策和推理。它鼓勵利用數(shù)據(jù)來加快計算、進行分析和預(yù)測，并在時間和空間之間進行權(quán)衡。通過大數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)，可以從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)模式、趨勢和關(guān)聯(lián)性，并作出相應(yīng)的決策。

三、計算思維解決問題的流程

（一）理解問題

在計算思維中，理解問題是解決任何問題的第一步。這意味著我們需要深入了解待解決的問題，并梳理出其背景、目標和限制條件[2]。通過與相關(guān)人員交流或研究領(lǐng)域知識，可以獲得更全面的了解，并確保對問題有清晰而準確的認識。無論是編程中遇到的技術(shù)難題，還是現(xiàn)實生活中面臨的復(fù)雜挑戰(zhàn)，理解問題都是成功求解的關(guān)鍵。

（二）抽象問題

通過抽象，可以從具體情境中提取出通用模式和規(guī)律。例如，在編程中，可以將實際需求抽象為函數(shù)、類或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等概念，并定義它們之間的關(guān)系。這種抽象能力能夠擺脫特定情況的限制，關(guān)注問題本質(zhì)，并應(yīng)用相應(yīng)的算法或方法。無論是解決復(fù)雜技術(shù)難題還是處理現(xiàn)實生活中的挑戰(zhàn)，通過抽象問題，能夠發(fā)現(xiàn)問題的共性和普遍性，并以更高層次的視角來思考和解決問題。

（三）設(shè)計算法

在設(shè)計算法時，需要考慮多個因素，如時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度、可行性和效率等。根據(jù)已有知識和經(jīng)驗，可以選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、確定需要使用哪些操作和函數(shù)。通過良好的算法設(shè)計，能夠提高問題求解的效率，并確保結(jié)果的準確性和可靠性。

（四）實現(xiàn)代碼

實現(xiàn)代碼是將設(shè)計好的算法轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的程序的重要步驟。通過選擇合適的編程語言、工具和庫，并根據(jù)算法規(guī)范進行編寫，可以將抽象的解決方案轉(zhuǎn)化為具體可操作的代碼。在實現(xiàn)代碼過程中，需要注意代碼的正確性、效率和可讀性。確保所編寫的代碼能夠按照預(yù)期工作，并滿足問題求解或系統(tǒng)設(shè)計的要求。

（五）調(diào)試測試

調(diào)試測試是將已實現(xiàn)的代碼運行并進行驗證和修復(fù)的重要步驟。通過檢查程序是否存在錯誤或異常情況，并使用測試樣例驗證程序是否按照預(yù)期工作，可以確保代碼的正確性和可靠性[3]。在調(diào)試過程中，需要定位并修復(fù)可能出現(xiàn)的問題，包括邏輯錯誤、語法錯誤或邊界條件處理等。

（六）優(yōu)化改進

對代碼和解決方案進行分析，可以在提高程序性能、增加用戶體驗或擴展系統(tǒng)功能等方面進行優(yōu)化。這可能涉及重新設(shè)計算法、調(diào)整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、改善代碼邏輯或引入新的技術(shù)等。通過嘗試不同策略或技術(shù)來優(yōu)化算法或改善解決方案，能夠提高問題求解的效率，并使其更符合預(yù)期目標。

（七）分析結(jié)果

分析結(jié)果是對算法的輸出進行評估和解釋的重要步驟。通過對計算結(jié)果進行分析，我們可以驗證是否滿足問題要求，并與預(yù)期目標進行比較。這涉及對數(shù)據(jù)、圖表或其他形式的輸出進行解讀和理解。

（八）反饋迭代

反饋迭代是根據(jù)分析結(jié)果和用戶反饋不斷優(yōu)化和改進解決方案的重要步驟。通過收集用戶的意見、建議和需求，可以了解他們對解決方案的滿意度和改進點。同時，根據(jù)分析結(jié)果和實際應(yīng)用情況，可以發(fā)現(xiàn)潛在問題、改進空間或新的需求?；谶@些反饋信息，可以重新定義問題、調(diào)整算法或修改代碼等，并進行新一輪的測試和驗證。

四、計算機教學(xué)中存在的問題

（一）重視工具而忽視思維

傳統(tǒng)計算機教學(xué)往往過于注重軟件和編程語言的使用，而忽視了培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。課程內(nèi)容側(cè)重于具體技術(shù)操作，如語法規(guī)則、API調(diào)用等，而缺乏對問題求解和系統(tǒng)設(shè)計的深入理解。

（二）缺乏實踐經(jīng)驗

傳統(tǒng)計算機教學(xué)通常以理論知識為主，缺乏實際應(yīng)用和實踐經(jīng)驗。這使得學(xué)生難以將所學(xué)知識與真實世界相連接，并無法真正理解其應(yīng)用場景和意義。他們可能只停留在書本上或虛擬環(huán)境中進行編碼，而沒有接觸到真實項目開發(fā)或與行業(yè)合作的機會。

（三）缺乏創(chuàng)新性和合作性

傳統(tǒng)計算機教學(xué)往往強調(diào)個人獨立完成任務(wù)，缺少創(chuàng)新性思維和團隊合作能力的培養(yǎng)。學(xué)生被要求按照規(guī)定的步驟完成編程任務(wù)，而缺乏對問題的深入思考和創(chuàng)造性解決方案的探索。此外，缺少與同伴合作的機會也限制了學(xué)生在團隊協(xié)作和溝通能力方面的發(fā)展。

（四）缺乏學(xué)科融合

傳統(tǒng)計算機教學(xué)較為孤立地關(guān)注計算機科學(xué)本身，而忽略了與其他領(lǐng)域的交叉融合。這使得學(xué)生難以將計算思維應(yīng)用于其他領(lǐng)域，并限制了他們的綜合性思考和創(chuàng)新能力[4]。實際上，計算機科學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、藝術(shù)等多個領(lǐng)域有著緊密聯(lián)系，通過跨學(xué)科整合可以激發(fā)更廣泛的創(chuàng)意和應(yīng)用。

五、計算思維導(dǎo)向下的計算機教學(xué)的創(chuàng)新方法

（一）項目驅(qū)動學(xué)習(xí)

項目驅(qū)動學(xué)習(xí)是一種以實際項目為核心的教學(xué)方法，旨在通過讓學(xué)生參與到真實的項目中來激發(fā)他們的興趣和動力。這種教學(xué)方法強調(diào)將理論知識與實踐應(yīng)用相結(jié)合，幫助學(xué)生將所學(xué)知識與現(xiàn)實場景相連接，并培養(yǎng)他們解決問題和進行系統(tǒng)設(shè)計的能力。

在項目驅(qū)動學(xué)習(xí)中，教師可以選擇具有挑戰(zhàn)性和切實可行性的項目，并引導(dǎo)學(xué)生從問題定義、需求分析、解決方案設(shè)計到最終實施等全過程參與其中。例如，一個計算機科學(xué)班級可以組成小組，在指導(dǎo)下開展一個網(wǎng)站設(shè)計或應(yīng)用程序開發(fā)項目。每個小組負責(zé)不同的任務(wù)，如前端設(shè)計、后端開發(fā)、數(shù)據(jù)庫管理等。通過這樣的團隊協(xié)作方式，學(xué)生可以互相合作、交流經(jīng)驗，并共同完成整個項目[5]。

在項目驅(qū)動學(xué)習(xí)中，重點不僅僅是結(jié)果本身，更重要的是過程中所涉及的思考和決策過程。通過面對真實問題并尋找解決方案，在整個過程中培養(yǎng)了解決問題和系統(tǒng)設(shè)計所需要的技能和能力。

首先，在項目驅(qū)動學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要進行問題定義和需求分析。他們需要了解項目的背景、目標和限制條件，并與團隊成員一起討論并確定項目的具體要求。在這個過程中，學(xué)生需要運用計算思維來理清問題的本質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化為可行的解決方案。

接下來，學(xué)生開始設(shè)計解決方案。他們需要考慮系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊劃分以及數(shù)據(jù)流程等方面。在這個階段，學(xué)生可以運用抽象能力和分解能力，將整個系統(tǒng)拆分為更小、更可管理的部分，并確定每個部分所需實現(xiàn)的功能。

然后，學(xué)生開始實施所設(shè)計的解決方案。根據(jù)各自任務(wù)的不同，他們可能會使用編程語言、開發(fā)工具或其他技術(shù)來完成相應(yīng)的工作。在實施過程中，學(xué)生會遇到各種挑戰(zhàn)和問題，需要靈活調(diào)整并尋找合適的解決方法。

最后，在項目驅(qū)動學(xué)習(xí)中，評估和反饋是一個重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過測試、演示或用戶反饋等方式對已實施功能進行評估，并根據(jù)結(jié)果進行改進和優(yōu)化。這樣可以幫助他們理解如何從錯誤中吸取教訓(xùn)，并不斷提高自己在問題解決和系統(tǒng)設(shè)計方面的能力。

通過項目驅(qū)動學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅可以將所學(xué)知識應(yīng)用于實際情境中，還能夠培養(yǎng)團隊合作、創(chuàng)造性思維和解決復(fù)雜問題的能力。此外，他們還可以在整個過程中體驗到真實項目開發(fā)的挑戰(zhàn)和樂趣，并為未來的職業(yè)發(fā)展做好準備。

（二）翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，將傳統(tǒng)的課堂授課環(huán)節(jié)放到課外自主完成，課堂時間則被用于深入討論、互動和實踐。在翻轉(zhuǎn)課堂中，學(xué)生通過預(yù)先提供的資料或視頻講解，在課前自主學(xué)習(xí)，并在課堂上與教師和同學(xué)進行深入的討論和實踐活動。

翻轉(zhuǎn)課堂的核心理念是將傳統(tǒng)教室內(nèi)外的角色顛倒過來。傳統(tǒng)上，教師在課堂上扮演著知識傳授者的角色，而學(xué)生則被動地接受知識。然而，在翻轉(zhuǎn)課堂中，學(xué)生成為主導(dǎo)者和積極參與者，他們通過預(yù)習(xí)材料來獲取基礎(chǔ)知識，并在面對面的交流中更好地理解和應(yīng)用這些知識。

具體來說，在翻轉(zhuǎn)課堂中，教師會提供相關(guān)資料或視頻講解給學(xué)生，學(xué)生在家或其他場所自主進行預(yù)習(xí)。這樣可以使每個學(xué)生根據(jù)自己的進度和需求進行學(xué)習(xí)，并有更多時間思考問題、整理思路。同時，教師還可以利用在線平臺或工具收集并分析學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，以便更好地了解學(xué)生的掌握程度和需求。

在課堂上，教師可以利用寶貴的面對面時間進行深入討論、互動和實踐活動。這包括小組討論、問題解答、案例分析、實驗或項目等。通過與同學(xué)和教師的交流，學(xué)生可以進一步加深對知識的理解，并將其應(yīng)用于實際場景中。此外，教師還可以提供即時反饋和指導(dǎo)，幫助學(xué)生克服困難并提高學(xué)習(xí)效果。

翻轉(zhuǎn)課堂模式具有多重優(yōu)勢。首先，它能夠激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性和自主性。通過自主預(yù)習(xí)和參與課堂互動，學(xué)生更加投入并積極參與到知識建構(gòu)過程中[6]。其次，翻轉(zhuǎn)課堂強調(diào)合作與交流，在小組討論或項目合作中培養(yǎng)了團隊合作精神和溝通能力。此外，由于每個人都有機會在自己的節(jié)奏下進行預(yù)習(xí)，并在課堂上得到及時指導(dǎo)，因此適應(yīng)不同層次和需求的學(xué)生也變得更容易。

然而，翻轉(zhuǎn)課堂也面臨一些挑戰(zhàn)。首先，它需要教師在設(shè)計和準備課程時投入更多的時間和精力。教師需要選擇合適的預(yù)習(xí)材料、制作講解視頻，并設(shè)計富有互動性的課堂活動。其次，學(xué)生可能需要適應(yīng)這種新的學(xué)習(xí)方式，并養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)和時間管理的能力。

（三）游戲化教學(xué)

游戲化教學(xué)是一種將游戲元素和機制應(yīng)用于教育活動中的創(chuàng)新方法。通過引入競爭性、獎勵機制以及即時反饋等游戲元素，可以增加學(xué)生的參與度和積極性。在計算思維導(dǎo)向下的計算機教學(xué)中，游戲化教學(xué)被廣泛應(yīng)用，以激發(fā)學(xué)生對計算機科學(xué)的興趣，并提高他們解決問題和系統(tǒng)設(shè)計能力。

首先，游戲化教學(xué)為學(xué)生提供了一個有趣而具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。通過設(shè)計編程挑戰(zhàn)賽、開展虛擬現(xiàn)實實驗室或使用在線編程平臺等方式，可以讓學(xué)生在競爭中體驗到樂趣并感受到成就感。這樣的環(huán)境能夠吸引他們主動參與，并激發(fā)他們探索和嘗試新知識的欲望。

其次，游戲化教學(xué)強調(diào)獎勵機制和即時反饋。當學(xué)生完成任務(wù)或達到特定目標時，他們會獲得獎勵，如積分、徽章或升級等。這些獎勵不僅增加了參與者之間的競爭性，還鼓勵個人不斷進步和超越自我。同時，即時反饋也是游戲化教學(xué)的重要組成部分。通過即時給予學(xué)生關(guān)于他們表現(xiàn)的反饋，無論是正面還是負面的，可以幫助他們更好地理解自己的優(yōu)點和不足，并調(diào)整策略以提高表現(xiàn)。

此外，游戲化教學(xué)還能夠培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神和合作能力。許多游戲都鼓勵玩家之間進行協(xié)作與競爭，在團隊中共同解決問題或達到共同目標。在計算機教學(xué)中，可以設(shè)計多人編程挑戰(zhàn)賽或團隊項目來促進學(xué)生之間的合作與交流。這樣的活動不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生良好的溝通和協(xié)作技巧，還能夠加強他們在實際工作環(huán)境中的團隊合作能力。

最后，游戲化教學(xué)為個性化學(xué)習(xí)提供了可能性。由于每個人對游戲元素和挑戰(zhàn)感受不同，因此可以根據(jù)每個學(xué)生的興趣、水平和需求來定制任務(wù)和難度級別。這種個性化設(shè)置使得每位學(xué)生都能夠在適合自己發(fā)展水平的環(huán)境中學(xué)習(xí)，并根據(jù)自己的進展進行調(diào)整和提升。

（四）跨學(xué)科整合

跨學(xué)科整合是計算思維導(dǎo)向下的計算機教學(xué)中一種重要的創(chuàng)新方法。它旨在將計算機科學(xué)與其他學(xué)科進行結(jié)合，以促進學(xué)生對計算思維的理解和應(yīng)用，并培養(yǎng)他們的綜合性思考和創(chuàng)新能力。

首先，跨學(xué)科整合可以幫助學(xué)生更好地理解計算思維在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過將計算機教學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、生物、藝術(shù)等領(lǐng)域相結(jié)合，可以讓學(xué)生看到計算思維在各個領(lǐng)域中的實際運用。例如，在數(shù)學(xué)課程中引入編程思維，幫助學(xué)生更好地理解抽象概念和問題求解方法；在藝術(shù)課程中探索數(shù)字媒體設(shè)計，培養(yǎng)創(chuàng)造性表達能力。這樣的整合使得計算機教育不再孤立存在，而是與其他領(lǐng)域緊密聯(lián)系。

其次，跨學(xué)科整合提供了更豐富和全面的教學(xué)體驗。傳統(tǒng)上，各個學(xué)科往往被獨立地教授，缺乏交叉融合的視角。通過引入計算機科學(xué)的概念和方法，可以為其他學(xué)科注入新鮮血液，并激發(fā)出更多創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力。例如，在物理課程中引入計算模擬，讓學(xué)生通過編寫程序來模擬物理現(xiàn)象；在社會科學(xué)課程中使用數(shù)據(jù)分析工具，幫助學(xué)生從大量數(shù)據(jù)中提取有意義的信息。這樣的整合不僅豐富了教育內(nèi)容，還培養(yǎng)了學(xué)生的跨學(xué)科思維和解決問題的能力。

實施跨學(xué)科整合需要注意以下幾個方面：

首先，明確目標和內(nèi)容。確定想要達到的目標，并明確計算機科學(xué)在其他學(xué)科中的應(yīng)用領(lǐng)域。這可以通過與其他教師進行合作來實現(xiàn)，共同制定教學(xué)目標并設(shè)計相關(guān)課程。

其次，選擇合適的教材和資源。尋找與跨學(xué)科整合目標相符的教材、案例研究或?qū)嵺`項目等資源。這些資源應(yīng)該能夠?qū)⒂嬎銠C科學(xué)與其他學(xué)科有機地結(jié)合起來，并提供具體的實踐經(jīng)驗。

接下來，設(shè)計相關(guān)活動和任務(wù)。根據(jù)所選教材和資源，設(shè)計適當?shù)幕顒雍腿蝿?wù)來促進學(xué)生對跨學(xué)科整合內(nèi)容的理解和運用。這可能包括小組討論、實驗室實踐、項目制作等形式。

同時，鼓勵交叉合作與互動。通過組建多學(xué)科團隊或進行跨班級合作，讓不同背景的學(xué)生共同參與到跨學(xué)科整合活動中。這樣可以促進他們之間的交流與協(xié)作，并從彼此的專業(yè)知識中獲益。

最后，評估和反饋是不可忽視的一環(huán)。及時評估學(xué)生在跨學(xué)科整合活動中的表現(xiàn)，并提供具體的反饋和建議。這有助于學(xué)生了解自己的優(yōu)勢和不足，并進一步改進和發(fā)展。

六、結(jié)語

綜上所述，計算思維導(dǎo)向下的計算機教學(xué)方法創(chuàng)新對于提升學(xué)生問題解決能力和系統(tǒng)設(shè)計能力非常重要。通過培養(yǎng)抽象能力、分解能力，結(jié)合遞歸思考等特點，可以幫助學(xué)生更好地應(yīng)對復(fù)雜問題。項目驅(qū)動學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂和游戲化教學(xué)等創(chuàng)新方法為學(xué)生提供了實踐經(jīng)驗和合作機會。同時，將計算機科學(xué)與其他領(lǐng)域進行跨學(xué)科整合，豐富了教育內(nèi)容并促進綜合性思考。未來的研究應(yīng)該關(guān)注教師培訓(xùn)和資源支持，并評估這些創(chuàng)新方法對于提高學(xué)生技能和興趣的效果。

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作者單位：湖北文理學(xué)院理工學(xué)院

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