基于计算思维的高校计算机基础教学研究

陈立军，黄 威

(1.吉林大学网络中心，吉林长春130022;2.长春一汽通信科技有限公司，吉林长春130012)

1 研究背景

美国Carnegie Mellon University的Jeannette M.Wing教授提出，计算思维运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及理解人类行为等，涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看似困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的方法。计算思维正在影响经济学、化学、物理等多门学科，是数学思维和工程思维的结合。计算思维包含两个A:Abstraction(抽象)——在多个抽象层次上同时进行;Automation(自动化)——使抽象层次及其关系机械化。2008年，美国国家计算机科学技术教师协会(CSTA)发布了题为Computational Thinking:A Problem Solving Tool for Every Classroom的报告[2]，得到美国微软公司的支持，两者将建立长期合作关系。很多学者也在进行这方面的研究，例如文献[3]将计算思维的关注点分离方法引入到软件工程课程中，文献[4]探讨了如何引导学生利用计算思维解决离散数学中的相关问题。2010年7月，教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会发布了《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》，并多次提出过计算机基础课程的教学改革意见，确定了以计算思维为核心的计算机基础课程的教学改革目标[5]。中国科学院院士陈国良教授对计算思维的教学也给出了一些具体建议，其中包括课程的构建、地位、性质、任务、基本要求以及教学内容、教学原则等[6]，为计算思维教学指出了一条可探索的路径和方向。

2 基于计算思维的教学模式

传统的大学计算机基础课程的教学模式是基于计算机科学中的学科来划分课程或课程教学单元的，其显著特点是强调一个教学单元讲授一个知识，忽略了不同课程之间或课程单元之间的相互联系。至于一门课程和另一门课程之间的关联，则往往需要学生在学习新课程的过程中基于已掌握的知识自行去体会和理解。这主要是由于大多数讲授计算机基础课程的教师在讲课过程中更倾向于传授专业知识、强调理论与细节。要求非计算机专业的学生仅凭两三门课程就掌握计算机专业学生几年才能掌握的专业知识是不可能的。显然，传统的教学模式是不适应培养学生计算思维能力的要求的。因此，我们试图采用一种新的教学模式——计算思维教学模式来代替原教学模式。

传统的教学模式主要针对教学内容中的知识点，引导学生进行自主学习、深入研究。这种教学方式的教学目标涉及对相关知识、概念、原理的理解与掌握，因此应将科学问题作为探索过程来讲授，可以让学生在探究过程中发现科学规律，掌握科学方法，以此培养学生的学习能力和探究精神。将计算思维融入探究式教学中，可以让学生在学习过程中学会运用计算思维方法，更好地发挥二者的效力。

计算思维教学模式的目标并不是要求学生掌握更多的专业知识，而是培养学生的计算思维能力。在教学中应融入计算思维的理念，利用启发式推理来寻求解答，在不确定的情况下进行规划、学习和调度，让学生运用计算思维的方法进行学习。例如，教师在课堂上不试图去重点讲解某一具体实现技术或各种名词、概念，而是利用该知识点作为切入点，着重介绍方法和技术演变进步过程中的思维方法，即计算思维的方法。采用模块化教学方法，将传统的课程结构分解为各教学模块，使知识本身不再是教材、教学或考试的重点，而是将知识包装在模块中，通过建立耦合的方法或将耦合联系本身作为教材或教学的重点，来培养学生的计算思维能力。

计算思维教学模式由引导教学模式和主动教学模式构成。在引导教学模式中，教师讲授必需的方法、技能，但要同时设立问题，启发学生运用计算思维解决问题，并为学生提供学习策略上的引导。在主动教学模式中，学生根据教师提出的问题自主思考解决问题的方法，教师适时地为学生提供帮助。两者相辅相承，同时引领学生进行学习。引导教学模式主要适用于课堂环节，而主动教学模式主要应用在课下及实验教学环节。

2.1 引导教学模式

引导教学模式中含多个教学模块。计算思维并不是由一门课程就能够培养出来的，一般学校都开设多门计算机基础课程。传统教学模式的教学内容以理论知识为主。计算机教材中充满了各种概念、名词、术语和定义，学生往往知其然而不知其所以然。采用引导教学模式，在教材中应尽量少地罗列叙述范畴内的名词术语。计算思维教学模式要求尽量不去强调这些名词术语，而是将这些名词术语归类后作为作业要求学生去了解，并不要求学生完全理解和掌握。传统教学模式中，为了使学生加深对理论知识的理解，通常采用作业作为补充，多以填空、选择等形式出现，主要目的掌握概念或名词、术语，这种作业无论从形式还是从内容上均无法满足培养学生计算思维能力的要求。因此，合理地选取知识点十分重要。分解传统的课程结构，改革传统的教学模式，清晰地划分和定义其边界，重新构造教学模块，去除不必要的扩充和延展。

模块之间的联系是教学的重点，这种联系能够体现模块间的逻辑关系，描述出知识之间的联系，让学生能够知其所以然。例如，把多门课程的不同知识点整合为一个模块，在作业中要求学生了解相关的构成方式及其技术变迁过程。需要特别指出的是，知识或技术的发展轨迹及其发展过程中所运用的计算思维方法是关键部分所在。学生在完成作业的过程中需要利用网络查阅资料和参考书，在认识或理解技术逐步发展的过程中，需要找到其中所运用的方法，这是计算思维逐步深入的过程。

2.2 主动教学模式

主动教学模式中保留了为课堂教学服务的功能，增加了适应计算思维教学的功能。通过学生主动思考、主动探究解决方法，进一步深化计算思维的应用。主动教学模式通过由浅入深、逐步深入的方式引领学生进行学习。先在小的范围内让学生掌握所需的方法和技术，然后对问题进行优化，引导学生进行多知识点、多学科融合，以达到培养计算思维能力的目的。组成思路如下:首先，由初步的操作型引进问题，例如可以通过文档操作、数据处理等基础操作来了解现在应用状况。学生在操作过程中，可以对问题进行分解;然后，针对困难所在，利用计算方法、数据采集及处理等对基础操作进行优化，也可以对设想问题进行验证。在验证过程中，学生能够站在更高的层次上来看待问题;最后，针对近似于面向解决实际问题的创新型模块，学生可以独立提出完整的机制，利用现有的实现方案、实验技术、实验手段，完成从底层到应用的全方位思考，让学生能够在解决实际问题的过程中找到高效率、高准确率的实验方法。

3 结语

利用计算思维解决问题将是未来社会每个人都需具备的基本技能。计算机技术的发展将使计算思维得以普及，计算思维不仅适用于科学家，也适用于每一个普通人。学习和思维是紧密联系在一起的，不是彼此独立的。对计算思维的掌握会让学生的学识不再局限于专业技术，能够让学生学会创造，而不仅仅是简单应用所学知识。

[1]Jeannette M.，Wing.Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006，49(3):18 －22.

[2]Pat Philips.Computational Thinking:A problem －solving tool for every class room[EB/OL].(2009－10－01)[2015－03－03].http://www.csta.acre.org/Resources/sub/ResourceFiles/ComputationalThinking.pdf.

[3]牟琴，谭良.计算思维的研究及其进展[J].计算机科学，2011(3):10 －15，50.

[4]李廉.计算思维——概念与挑战[J].中国大学教学，2012(1):7 －12.

[5]董荣胜.计算思维与计算机导论[J].计算机科学，2009(4):50－52.

[6]陈国良，董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教育，2011(1):7－11.