劉啟岳
(淮南聯(lián)合大學(xué),安徽 淮南 232038)
計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[1]。2006年3月,著名的計(jì)算機(jī)科學(xué)家周以真教授提出計(jì)算思維這一概念,2010年10月,我國(guó)計(jì)算機(jī)專(zhuān)家陳國(guó)良院士率先把計(jì)算思維納入大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)范疇。在陳國(guó)良院士的帶領(lǐng)下,計(jì)算思維的培養(yǎng)成為國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育界的一個(gè)重要研究課題,研究熱潮持續(xù)至今,研究成果持續(xù)創(chuàng)新。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,計(jì)算思維已進(jìn)入了2.0時(shí)代,大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新應(yīng)用對(duì)社會(huì)的影響越來(lái)越明顯。當(dāng)前新時(shí)代背景下,大學(xué)生應(yīng)具備的計(jì)算機(jī)能力不僅僅是會(huì)使用操作系統(tǒng)和常用的辦公軟件,還應(yīng)充分認(rèn)識(shí)大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的分析、統(tǒng)計(jì)和應(yīng)用。下面本文以計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向?qū)Υ髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革進(jìn)行探討。
廣義上理解,計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念來(lái)分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及理解人類(lèi)行為等事務(wù)的思維活動(dòng)。狹義上理解,計(jì)算思維是用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的遞歸、并行等簡(jiǎn)單的方法對(duì)困難的問(wèn)題進(jìn)行建模、分解的意識(shí)行為。計(jì)算思維的定義概括為三個(gè)層次的內(nèi)容,分別是計(jì)算思維意識(shí)、計(jì)算思維方法和計(jì)算思維能力,簡(jiǎn)單地闡述如下。
從古至今,計(jì)算思維一直伴隨著人類(lèi)社會(huì)文明不斷發(fā)展。古代的算盤(pán)、現(xiàn)代的云計(jì)算等,都是人類(lèi)運(yùn)用計(jì)算思維的成果。在傳統(tǒng)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)過(guò)程中,計(jì)算思維的內(nèi)容其實(shí)已經(jīng)存在于課程教學(xué)內(nèi)容之中,只是沒(méi)有作為一個(gè)專(zhuān)題概念來(lái)設(shè)計(jì),沒(méi)有列為大學(xué)生思維訓(xùn)練定制的方向。
計(jì)算思維的核心內(nèi)容是計(jì)算思維方法。按照周以真教授的理念,計(jì)算思維方法分成兩大類(lèi),一是來(lái)自數(shù)學(xué)和工程領(lǐng)域的計(jì)算思維方法,二是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域獨(dú)有的方法[2]。例如,數(shù)學(xué)中的計(jì)算積分,人類(lèi)思維方法是利用函數(shù)變換來(lái)求解積分,而計(jì)算機(jī)思維方法是:將指定計(jì)算的積分區(qū)間按照一定的方法進(jìn)行分解,把一個(gè)大的區(qū)間分解成若干很小的區(qū)間,然后計(jì)算這些小區(qū)間的面積,最后將這些小區(qū)間的面積累加,就得到了所求區(qū)間的總面積,即該區(qū)間的積分。
在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容中,各章節(jié)的概念、知識(shí)點(diǎn)其實(shí)都與一種計(jì)算思維方法相對(duì)應(yīng)。例如,程序設(shè)計(jì)課程中迭代法、遞歸法等各種常用算法都是運(yùn)用計(jì)算思維方法解決問(wèn)題的具體實(shí)踐。
訓(xùn)練計(jì)算思維的目的是要運(yùn)用計(jì)算思維能力來(lái)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō),就是用計(jì)算思維方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述,用文字、數(shù)字、字母和符號(hào)等元素構(gòu)建問(wèn)題模型,運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一些功能,達(dá)到一定的預(yù)期效果。比如創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)站、設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)一個(gè)軟件等,都是計(jì)算思維能力在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的表現(xiàn)。
隨著中等教育信息技術(shù)課程的普及和社會(huì)信息化水平不斷提升,大學(xué)生在進(jìn)入大學(xué)校園時(shí),對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)已經(jīng)有了一定的了解,對(duì)信息技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)有了一定的掌握。單純講授計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)已經(jīng)不能滿足當(dāng)代大學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)學(xué)習(xí)的需求。近十幾年來(lái),隨著對(duì)于計(jì)算思維理論的深入研究,以及實(shí)踐應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)增長(zhǎng),人們對(duì)于計(jì)算思維的本質(zhì)內(nèi)涵也有了越來(lái)越深刻的認(rèn)識(shí)[3]。在這個(gè)時(shí)期把計(jì)算思維納入大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容中來(lái),增加了教學(xué)的內(nèi)涵,下沉了教學(xué)的深度,提高了教學(xué)目標(biāo)。通過(guò)對(duì)新的教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí),在培養(yǎng)大學(xué)生熟練掌握日常學(xué)習(xí)、生活、工作中的計(jì)算機(jī)操作技能同時(shí),激發(fā)大學(xué)生的計(jì)算思維能力,鼓勵(lì)大學(xué)生思維創(chuàng)新。
目前高校的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)主要有“1+X”和“2+X”兩種課程體系,其中的“1”“2”是指必修課的門(mén)數(shù),“1+X”就是一門(mén)必修課加若干門(mén)選修課,“2+X”則是指兩門(mén)必修課加若干門(mén)選修課。采用“1+X”模式時(shí),必修課是“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”;當(dāng)采用“2+X”模式時(shí),必修課是“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”和“程序設(shè)計(jì)”課程。注重在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維,與兩種課程體系并不矛盾,只需要將原來(lái)的教學(xué)方案做一定的改進(jìn)和優(yōu)化即可?,F(xiàn)提出探討改革方案如下:
大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)教學(xué)中最基礎(chǔ)的部分,是所有專(zhuān)業(yè)的必修課程,課程內(nèi)容主要包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、操作系統(tǒng)(以Windows 為主)、Word、Excel、PPT、數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。不同學(xué)科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生就業(yè)方向不同,專(zhuān)業(yè)崗位設(shè)置區(qū)別較大,對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)的掌握程度和操作技能有明顯的區(qū)別,因此在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中,將教學(xué)內(nèi)容按照不同專(zhuān)業(yè)學(xué)科設(shè)置不同的偏重,可以更符合專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案的需要。比如面向理工類(lèi)專(zhuān)業(yè),可以增加一些程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容,將程序設(shè)計(jì)課程中的基礎(chǔ)知識(shí)調(diào)整到第一學(xué)期;面向醫(yī)學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè),可以增加人工智能和大數(shù)據(jù)方面的內(nèi)容;面向經(jīng)濟(jì)類(lèi)專(zhuān)業(yè),可以增加辦公自動(dòng)化高級(jí)應(yīng)用方面的內(nèi)容;面向人文藝術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè),可以增加動(dòng)畫(huà)制作方面的內(nèi)容(如圖1) 。
圖1 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程根據(jù)各專(zhuān)業(yè)性質(zhì)開(kāi)設(shè)的偏重
以理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)為例,具體的教學(xué)方案可以安排如下:壓縮計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、操作系統(tǒng)和Office辦公軟件的授課時(shí)間,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)兩部分知識(shí)的教學(xué)時(shí)間不變,用計(jì)算思維和程序設(shè)計(jì)算法教學(xué)內(nèi)容來(lái)填補(bǔ)縮減的學(xué)時(shí)(約3周,共計(jì)12學(xué)時(shí))。填補(bǔ)的學(xué)時(shí)授課安排如下:
1) 在引入計(jì)算思維教學(xué)階段,用4學(xué)時(shí)講授計(jì)算思維基礎(chǔ)知識(shí)。主要內(nèi)容包括:①精講理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維三大科學(xué)思維,計(jì)算思維的概念及其作用;②精講計(jì)算理論1.0 內(nèi)容,主要包括馮·諾依曼計(jì)算模型、圖靈機(jī)模型、停機(jī)問(wèn)題、圖靈法則、計(jì)算復(fù)雜性P&NP 等問(wèn)題;③精講計(jì)算理論2.0 內(nèi)容,主要包括大數(shù)據(jù)計(jì)算、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)計(jì)算等方面。
2) 第二階段,用8學(xué)時(shí)講授程序設(shè)計(jì)基本知識(shí)和基本算法。讓學(xué)生掌握基本編程的能力,可以進(jìn)行基礎(chǔ)的計(jì)算,明白程序自動(dòng)執(zhí)行的原理。運(yùn)用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式,讓學(xué)生在課前對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)習(xí),在課堂上結(jié)合實(shí)例表述個(gè)人對(duì)計(jì)算思維的理解,激發(fā)學(xué)生的思維能力,還可以通過(guò)拓展第二課堂的學(xué)習(xí)渠道,開(kāi)展專(zhuān)題研學(xué)活動(dòng),強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果(如圖2) 。
圖2 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)融入計(jì)算思維學(xué)時(shí)調(diào)整
在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中,注重以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)方式引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算思維的角度去思考、分析和解決問(wèn)題,鍛煉學(xué)生的計(jì)算思維能力。例如,讓學(xué)生思考計(jì)算科學(xué)的兩個(gè)基本問(wèn)題:在哪方面計(jì)算機(jī)比人有優(yōu)勢(shì),在哪些方面計(jì)算機(jī)又不如人?講授操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)時(shí),可以將“如果公交車(chē)長(zhǎng)時(shí)間不到站,該由誰(shuí)來(lái)承擔(dān)責(zé)任?”類(lèi)似的問(wèn)題作為授課主線,發(fā)散學(xué)生的思維。這樣不僅可以讓學(xué)生牢牢掌握知識(shí)點(diǎn),還可以讓學(xué)生的計(jì)算思維能力得到充分鍛煉。
作為一種表達(dá)思維的方式,計(jì)算機(jī)程序中采用了各種技術(shù)和手段,不僅為編寫(xiě)程序所采用,而且已經(jīng)廣泛應(yīng)用到其他領(lǐng)域,只要是需要精確描述一種工程組織或者工藝過(guò)程,都采取了類(lèi)似于計(jì)算機(jī)程序的表達(dá)方法[4]。在以計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中,計(jì)算機(jī)程序中各種技術(shù)和手段的運(yùn)用是程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的重點(diǎn)。程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容主要包括三大塊,分別是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、算法和編程,其中算法部分是用來(lái)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的,屬于計(jì)算思維的內(nèi)容。在傳統(tǒng)教學(xué)中,程序設(shè)計(jì)課程安排在第二學(xué)期授課,學(xué)生入學(xué)時(shí)的學(xué)習(xí)熱情消減,授課學(xué)時(shí)也有限,而授課內(nèi)容較多且學(xué)習(xí)難度更高,因此學(xué)習(xí)效率低,知識(shí)點(diǎn)難以充分理解和消化?,F(xiàn)提出以下教學(xué)改革方案:
1) 將程序設(shè)計(jì)課程的基礎(chǔ)知識(shí)部分調(diào)整到大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中講授,具體包括程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言基礎(chǔ)、計(jì)算理論概論、數(shù)據(jù)的描述、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)、算法的基本概念等,共計(jì)8學(xué)時(shí)。
2) 根據(jù)計(jì)算思維培養(yǎng)的要求,對(duì)教材中的案例進(jìn)行重新篩選和排序,教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生從計(jì)算思維的角度去尋求解決問(wèn)題的方法。運(yùn)用計(jì)算思維求解問(wèn)題的一般步驟包括以下幾點(diǎn):①對(duì)需要解決的問(wèn)題進(jìn)行抽象化的描述,并建立模型;②根據(jù)建立的問(wèn)題模型,設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)乃惴?,使?wèn)題得到解決;③根據(jù)設(shè)計(jì)的算法,進(jìn)行計(jì)算機(jī)編碼、運(yùn)行、調(diào)試,實(shí)現(xiàn)問(wèn)題求解;④對(duì)問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)延伸與擴(kuò)展,得到解決同類(lèi)問(wèn)題的方法。
運(yùn)用PDCA 管理機(jī)制,讓學(xué)生重復(fù)計(jì)劃、執(zhí)行、檢查和處理四個(gè)環(huán)節(jié),在實(shí)踐中鍛煉運(yùn)用計(jì)算思維分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,也可以體會(huì)計(jì)算思維抽象和自動(dòng)化的本質(zhì)(如圖3) 。
圖3 PDCA管理機(jī)制鍛煉計(jì)算思維能力
3) 在教學(xué)中引入應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)。根據(jù)教學(xué)計(jì)劃學(xué)時(shí)的調(diào)整,學(xué)生有充分的時(shí)間可以用于實(shí)踐。制定應(yīng)用程序項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù)書(shū),讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)的程序設(shè)計(jì)知識(shí),綜合運(yùn)用計(jì)算思維能力和程序設(shè)計(jì)能力,完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)任務(wù),掌握應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的基本技能。制定多樣化的任務(wù)書(shū),針對(duì)學(xué)習(xí)Java語(yǔ)言課程的學(xué)生,可以設(shè)計(jì)為經(jīng)典算法和圖形技術(shù)方向,實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)問(wèn)題或者生活趣味問(wèn)題的程序開(kāi)發(fā);針對(duì)學(xué)習(xí)C、C++語(yǔ)言課程的學(xué)生,可以設(shè)計(jì)綜合性較強(qiáng)的任務(wù),需要綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)、鏈表、數(shù)組、文件等相關(guān)知識(shí)。
“X”課程指選修課程,主要是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問(wèn)題的能力,特別是解決所學(xué)專(zhuān)業(yè)有關(guān)問(wèn)題的能力?!癤”課程的教學(xué)在計(jì)算思維培養(yǎng)中占有非常重要的地位,計(jì)算思維教學(xué)改革是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,計(jì)算思維的培養(yǎng)不是一門(mén)課程能夠造就的[5]?!癤”課程可以涵蓋創(chuàng)意類(lèi)、開(kāi)發(fā)類(lèi)、數(shù)據(jù)類(lèi)和應(yīng)用類(lèi),具體課程見(jiàn)下表1。
表1 “X”課程參考目錄
要確保計(jì)算思維培養(yǎng)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)過(guò)程中取得顯著的成效,在對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計(jì)的改革的前提下,教材的選定、教師教學(xué)能力的提升和教學(xué)環(huán)境的優(yōu)化需要配套進(jìn)行。
教材是教學(xué)體系中的重要因素,要保證計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容符合計(jì)算思維導(dǎo)向,首先要更新教材的內(nèi)容,滿足全新的教學(xué)改革方案的需要;其次教材設(shè)計(jì)要更加精準(zhǔn),采用碎片化的知識(shí)體系,激發(fā)大學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,確保知識(shí)傳授更加高效。
計(jì)算思維導(dǎo)向的教學(xué)模式對(duì)教師教學(xué)能力提出了新的要求。要培養(yǎng)大學(xué)生的計(jì)算思維能力,首先教師要具備善于啟發(fā)大學(xué)生思維的能力,循循善誘,讓大學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí);其次教師要從講授者轉(zhuǎn)變?yōu)閮A聽(tīng)者,不僅要能把知識(shí)很好地傳授給大學(xué)生,更要做好一個(gè)大學(xué)生學(xué)習(xí)思維、總結(jié)、講述的傾聽(tīng)者,激發(fā)大學(xué)生主動(dòng)思考。
構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放的教學(xué)環(huán)境對(duì)計(jì)算思維培養(yǎng)更有利,比如在智慧教室中授課,在多功能理實(shí)一體化環(huán)境的機(jī)房學(xué)習(xí),在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室模擬操作,能夠讓大學(xué)生切身感受到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多媒體技術(shù)帶來(lái)的技術(shù)變革。打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式,采用翻轉(zhuǎn)課堂的學(xué)習(xí)模式,開(kāi)展線下教學(xué)的同時(shí),使用云平臺(tái)建設(shè)線上數(shù)字教學(xué)資源,讓大學(xué)生可以在課后時(shí)間獲取更多的知識(shí),還能體驗(yàn)計(jì)算思維2.0 應(yīng)用所帶來(lái)學(xué)習(xí)的便捷。
時(shí)代在進(jìn)步,教育事業(yè)在不斷發(fā)展,教學(xué)改革的步伐也不會(huì)停止。在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)過(guò)程中,培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維,讓他們學(xué)會(huì)用計(jì)算思維去思考問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題,對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有巨大的意義。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,提出了一點(diǎn)拙見(jiàn),希望能為教學(xué)改革貢獻(xiàn)力量,通過(guò)不懈努力,讓大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革取得新的突破。