计算思维在计算机应用型人才培养中的应用探索

袁磊　宁彬　谷琼

摘 要： 在计算机专业教学过程中，如何培养学生计算思维能力的问题是当前计算机教育中的热点课题。结合培养计算机应用型人才的需要，提出并践行基于计算思维的探究式教学模式，包括课程教学改革、上机实践、评价机制等方面的教学改革。经过两年多的实践证明，该模式有助于强化培养计算机专业学生的计算思维能力和专业实践能力，为高等学校培养应用型人才开展教学改革提供了新的思路。

关键词： 计算思维； 应用型人才； 教学改革； 人才培养

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）04-62-02

Abstract： Problem of how to cultivate the computational thinking ability for students in the computer teaching is the current hot topic in computer education. Combined with the necessity of the computer applied talent cultivation， the exploratory teaching pattern based on computational thinking is presented and fulfilled， including teaching reforms， practice， assessment mechanism， etc. After more than two years' practice， the results show that this mode can enhance students computational thinking ability and professional practice ability， and provide a new thought on developing teaching reform for cultivating applied talent in higher education.

Key words： computational thinking； applied talent； teaching reform； talent cultivation

0 引言

计算机科学领域研究成果的不断丰富和完善，促使计算机技术广泛应用于其他领域，如普适计算、商业智能、计算金融学、计算生物学、计算医学等。计算机与这些学科之间的交叉越来越深入，单单依靠具有学术教育背景的传统研究型计算机人才虽然是不够的，所以培养能够快速地将计算机技术应用于某一领域，解决该领域具体计算问题的计算机应用型人才非常重要。有计算机专业背景的研究人员往往被视为“编程者”，但随着计算机无处不在，使用计算机的难度越来越低，设计数据库、编写计算机程序和复用它们的难度也不断降低[1]。计算机技术人员正在从单纯的编程实现脱离出来，从配角转为主角，逐步地改变各学科研究人员对各自领域的认识和思考方式。这种现状要求计算机应用型人才不仅有扎实的编程能力和计算机学科基础，也应该擅长计算思维，能够抽象和分解问题。

虽然一些计算机教育者正在教学过程中推进计算思维能力的培养，但是对于计算思维的总体认识和教学把握仍然处于摸索阶段，还没有形成一套完整的方法体系。

1 计算思维

2006年3月，美国卡内基·梅隆大学周以真教授在ACM杂志上提出，计算思维是每个人的基本技能，我们应当使每个孩子在培养解析能力时不仅掌握阅读、写作和算术，还要学会计算思维。他指出：计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为。学会计算思维，是在信息社会中创新的需要。要培养出创造性人才，教育在思想和方法上就必须摆脱传统教学的偏见，让学生运用高效的思维去思考[2]。概括的说，计算思维与数学思维非常类似，是一种形式化描述思维，充分体现严谨的、形式化的、规整的逻辑思维。

目前，计算思维在教学和培训中的应用正逐步展开。2008年，美国国家计算机科学技术教师协会（CSTA）在网上发布了得到美国微软公司支持的 《计算思维：一个所有课堂问题解决的工具》报告。国内，多位专家学者也对此进行了一些有益的探索。2008年10月，我国高等学校计算机教育研究会召开专题学术研讨会，根据“计算思维”领域的研究以及它在科技创新与教育教学中的重要作用，探讨在教学过程中如何以课程为载体讲授面向学科的思维方法，以共同促进国家科学与教育事业的进步。2009年12月，中国计算机学会青年计算机科技论坛举办“计算思维”专题论坛。

基于计算思维的教学核心理念是培养聪明的学习者，教师不仅要教会学生如何解决问题，也要教会学生发现值得解决的问题。通过为学生提供足够的思维空间，激励和引导学生自主学习，发现问题所在，继而解决问题。一方面，以培养计算思维能力为目的，实现学生在计算思维活动中学习；另一方面，学习计算思维本身，这两个方面相辅相成。基于计算思维的学习目的是为了创造，计算思维发展水平是学生成才的关键，计算思维教学对学生现在以及将来具有非常重要的影响。

2 基于计算思维的探究教学模式

为了在教学和实践中融入计算思维，依据计算思维的方法和教学特点，提出基于计算思维的探究教学模式：教师确定教学内容，包括教学目标、教学任务、教学流程，并以问题的形式呈现给学生；学生面对问题，寻找帮助、提出解决方案、解决问题；运用计算思维方法、过程监督与指导，注重共享交流和反思评价。

基于计算思维的探究教学模式强调以学生为中心，把教师的教学活动和学生的学习活动以待解决的问题为主线贯穿起来，并在整个教学活动中贯穿计算思维的一系列方法：递归、抽象、分解，以及在不确定性情况下的规划和利用启发式的推理来寻求解决问题等，通过解决问题来激发学生的兴趣和动机，通过教学内容的选择、教学过程的设计和教学评价体系的构建实现对计算思维能力的培养。也就是运用计算机科学的基础概念对问题进行求解、系统设计和行为理解，即建立计算思维[3]。

计算思维应用到计算机专业应用型人才培养过程的核心任务是，教会学生面对求解问题，从构思、设计、实现、运作等四个层面去分析、抽象，拿出应用计算机求解问题的思路，并以团队式和工程化的方法去设计、实现和运作，以达到培养学生的综合应用能力和创新思维能力的目的。

3 计算思维在应用型人才培养的应用实践

在课程教学中，从讲授方式、上机实践及评价机制三大环节，注重用计算思维的方法来引导学生研究问题。

3.1 以计算思维为核心，实施课程教学改革

明确将计算思维融入到课堂教学，将传统的知识传授转变为基于知识的思维传授，以提高学生运用计算机知识抽象和分解问题的能力。在课堂讲授中，从各种现实世界问题出发，围绕分析问题和解决问题的过程，采用一种对教学有利的程序设计语言，讲授一些典型的实例、可能的解决方案以及在计算中一些必要的计算机基础知识。启发学生针对新问题寻找更好的问题解决方案。鼓励学生运用计算思维求解问题并编写一些简单的、可解决实际问题的程序。

以计算机相关专业基础课程——“程序设计基础”为例，从内容上进行改革，力求从讲授一门程序设计语言及其应用，转变为讲授“思想和方法”。以发现问题→分析问题→寻求多种解决方案→对各种解决方案比较选优→实现解决方案的“问题求解驱动式程序设计”训练方法，尽可能逼近解决真实世界问题的模式，从而提高学生的学习兴趣和学习主动性。

教师在教学过程中要精心组织教学素材，不但要讲授课程的相关知识，而且要介绍一些与问题有关的领域知识，注重由应用导入知识点。

3.2 基于应用型人才培养的本质需要，加强上机实践

在知识体系构建过程中，注重学生计算思维和实践能力的培养，合理设置实验课程的教学内容，使学生在应用过程中寻找解决问题的多种方法、掌握计算机应用技术。

在上机实践环节，采用个人作业和小组集体作业的组织方法。学生完成个人作业是可以运用所学课程的知识独立分析实际问题和解决实际问题，并在实践环节中不断加深对计算思维的理解和运用，提高个人独立分析问题、解决问题的能力。

小组集体作业，由3-5名学生完成一个作业。教师可以给定选题，学生也可结合自己的专长和兴趣进行选题。小组集体作业可以针对某个问题采用不同的方法，开发一个程序。通过这样的团队合作使学生了解和体会团队合作在解决大型、复杂科学问题中的重要性。

在实践教学过程中，强调学生的主体地位，以及学生之间相互交流的重要性。创造机会让学生展示个人的成果。这样通过合理的思维碰撞、讨论，加强计算思维的渗透，可以更好地调动起处于被动学习状态、思维活跃度不高的学生。

3.3 遵循思维的多样化，建立多维的评价机制

计算思维是一种思维方式，不是一个具体的技能或事物。因此在教学过程中，学生是计算思维能力培养的思维主体，具有主观能动性，可呈现出计算思维的多样性。对计算思维的多样性，教师应持有一定的宽容态度，并适当地在学生之间加以评价和引导，启发学生对同一个问题进行多视角分析，提升思维的灵活性和创造性[4]。由此可见，建立多维的评价机制也十分重要。

为了客观评价学生的学习效果和学生计算思维能力培养的结果，建立面向过程和结果的双重性评价机制，包括个人自评、学生互评、教师评价等方面，开展过程性评价，及时改进教学过程，并以学生演示、答辩的形式作为最终评价，以检验学生综合应用能力。这种多维评价机制有利于促使学生注重计算思维和自主学习，从而更有利于教学目标的实现。

4 结束语

自2011年9月开始在我院计算机科学与技术、软件工程专业的教学过程中，融入计算思维能力的培养，开展了相应的教学改革。通过在教学和实践中融入计算思维，让学生在思考中面对问题并解决问题，不断促进学生计算思维能力的提高，从而达到让学生成为问题的解决者而不仅是软件技术员的目的。通过两年多的摸索和实践，我院计算机相关专业学生的自我学习能力和计算思维能力得到了很大提高，综合素质明显增强，个人能力得到全面提升，对于培养应用型计算机专业人才起到了示范作用。

参考文献：

[1] 谷琼，袁磊，龚雄兴等.地方高校“211”人才培养模式的探索与实践[J].现代计算机，2011.8：34-37

[2] 张雪伍，常晋义，袁磊.计算思维在C++程序设计教学中的应用[J].计算机教育，2013.13：52-56

[3] 路美秀，王玉山，巫小蓉.“离散数学"教学中计算思维能力的培养[J].计算机教育，2013.5：47-50

[4] 卢俊岭，王小明，吴三斌.基于计算思维的算法设计与分析课程改革[J].计算机教育.2011.22：35-38