计算思维与应用能力融合的IT人才培养模式研究

刘 涛，周鸣争

（安徽工程大学 计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000）

0 引 言

随着信息产业的飞速发展，信息技术及其应用不断普及，不仅各IT企业需求大量的IT人才，各行各业都需要IT人才，而且人类学习、生活以及工作的方式也随着信息技术的发展发生了革命性的变化，计算机从高科技产品逐渐演变为人们必须掌握使用的基本工具。在此背景下，2006年，Carnegie Mellon大学的Jeannette M.Wing教授提出了计算思维(Computational thinking)的概念，并概括出计算思维是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式，就像识字、做算术一样，并且提出要在2050年以前，让地球上每一个公民都具备计算思维能力。Wing倡导“一个人可以主修计算机科学并且干什么都行（类似我们过去的一句话：学会数理化，走遍天下都不怕）。一个人主修英语或者数学以后，就可以从事各种各样的职业。计算机科学也一样，一个人可以主修计算机科学，接着从事医学、法律、商业、政治以及任何类型的科学和工程，甚至艺术工作”[1]。虽然她的计算思维的观点带有一定的局限性，不是经过深入科学论证得到的结果，但可见其重要性。

计算思维的概念一经提出，立即引起了学术界及教育界的极大关注，国际和国内召开了一系列的会议，也启动了许多研究项目。2007年，微软研究院资助美国卡内基·梅隆大学建立了计算思维中心，力求寻找计算机科学与其他领域交叉研究的新方法。2008年，ACM公布的《CC2001计算机科学教学指导草案》明确提出将计算思维作为计算机科学教学的重要组成部分[2]。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》，文献[3]指出一个人若不具备计算思维的能力，将在从业竞争中处于劣势，一个国家若不使广大教育者得到计算思维能力的培养，将在激烈的国际环境中不可能引领而处于落后地位。计算思维，不仅是计算机及相关领域内专业人员应该具备的能力，而且也是所有受教育者应该具备的能力。国内外一些教育者就如何在实际教学过程中培养学生的计算思维作出了一些重要的探索[4-8]。

1 计算思维在IT人才培养中的重要性

计算思维定义为：运用计算机科学的基础概念(即思想和方法)去求解问题，设计系统和理解人类行为。它的特征可描述为：是概念化而不是程序化；是根本的而不是刻板的技能；是人的而不是计算机的思维方式；是数学和工程思维的互补与融合；是思想而不是人造物；是面向所有的人、所有的地方。计算思维的本质是抽象和自动化。抽象体现在完全使用符号系统甚至形式化语言；自动化体现在算法实现最终是机械地按步骤自动执行。计算思维是一种形式规整的、问题求解的和人机共存的思维。典型的计算思维包括一系列广泛的计算机科学的思维方法：递归、抽象和分解、保护、冗余、容错、纠错和恢复，利用启发式推理来寻求解答，在不确定情况下的规划、学习和调度等。

随着计算机科学领域研究成果的不断丰富和完善，计算机技术已经广泛地应用于多个领域，如计算物理、普适计算、计算金融学、商业智能、计算生物学、计算医学等，并且与这些学科之间的交叉越来越深入。计算思维在海量信息处理分析、复杂装置与系统设计、大型工程组织、自然现象与人类社会行为模拟等方面具有重要的意义和作用。特别是随着云计算、大数据以及物联网的发展与广泛应用，各领域更需要具有计算机应用能力与多学科集成创新的IT综合型人才。因为很多交叉学科的研究具有较强的工程性质，仅仅依靠学术教育背景的传统教学研究型的计算机类人才是行不通的，所以必须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IT应用型人才。这种需求导致高校培养的IT应用型人才不仅应该具有计算机学科基础、扎实的编程和设计能力，同时应该具有擅长抽象和分解问题的计算思维能力。全国高等学校计算机教育研究会理事长袁开榜指出：21世纪,人们应该具有计算思维能力[9]。著名学者何钦铭，陆汉权，冯博琴解读《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》时提出计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养[10]，要在计算机基础教育中面向所有大学生培养其计算思维。陈国良教授认为，当计算思维真正融入人类活动的整体时，它作为一个问题解决的有效工具，人人都应当掌握，处处都会被使用[11]。李廉教授提出了计算思维是构成现代科学大厦的最基本的思维模式之一，并指出基于计算思维培养的新的教学体系建设是计算机基础课程教育今后改革的取向和挑战[12]。文献[13]认为计算思维是三大科学思维之一。一些著名的学者对计算思维的培养提出了许多建议，认为应该从根本上改变现行的计算机教育模式，要将计算思维的培养纳入到专业人才培养方案中[2]。为了使计算思维得以推广，最终成为IT人才的一种思维习惯，有必要使学生在4年的大学学习生活中甚至更长的时间内，在计算机与信息类学科的每一个重要知识点上持续不断地加深对计算思维的教育、认识和领悟。

2 应用型IT人才融合计算思维的培养

遵循教育规律和认识规律，将三大科学思维之一的计算思维有机地融入IT人才培养方案中，将有利于培养更具竞争力的应用型人才。

2.1 建立IT人才能力结构模型

建立由应用能力、创新能力、计算思维等多维属性组成的人才能力属性空间模型。对IT人才应该具备的各种属性进行分析、归纳与抽象，建立属性之间的结构关系（依赖与约束关系），为IT专业人才培养方案的修定奠定基础。

IT领域的应用型人才除了具备良好的协作、交流和沟通能力外，还应具备以下条件[14]：善于发现问题，具有敏锐的观察力；以解决实际问题为目标的知识应用能力；以实际应用为导向的知识转化能力。另外，还要培养大学生的创新意识乃至创新能力，即要对学生进行创新精神、创新能力、创新素质的培养，引导学生在自主学习的基础上善于思考、勇于探索的精神，而不墨守成规。同时，随着信息化的全面深入，无处不在、无事不用的计算使得计算思维成为人们认识和解决问题的重要基本能力之一，它蕴含着一套解决一般问题的方法与技术，促进应用型人才的培养。

2.2 改革人才培养方案

进行广泛的需求调研，对国内外高校IT人才教育情况进行跟踪比较研究，确定应用型人才的能力结构，确定高校IT应用型人才的培养规格，围绕信息技术的应用与集成制定专业的教学计划及培养方案。在已有计算机与信息类应用型人才培养方案的基础上进行深化，研究融合了计算思维、创新及应用等能力的人才培养目标。

2.3 构建融入计算思维培养的应用型人才培养的教学内容体系

研究实现上述培养目标的课程内容体系，归纳计算思维的特征。研究计算思维的基本组成，以及如何在计算机课程中讲授这些基本的组成部分。重点改革与梳理基础课程和专业基础课程，如大学计算机基础、程序设计、数据结构、计算机组成与系统结构、编译原理、算法设计与分析、操作系统、计算机网络以及软件工程等的教学内容，支持计算思维培养，建立融合计算思维的应用型人才培养的教学内容体系。

2.4 构建计算思维与应用能力融合的实践教学体系

在原有应用型人才实践教学体系的基础上，研究融入计算思维及创新能力培养的实践教学体系。制定具体实验课程的教学大纲及内容，将假期社会实践与应用型人才培养结合起来，在实践中强化计算思维的训练。尝试在程序设计、算法分析与设计、软件开发类课程中以上机实验为重点的计算思维教学模式，增强实验内容的趣味性和综合性，提高学生的学习兴趣，培养学生创新思维。通过建设实践教学平台，以计算思维培养为基础，改革与梳理已有实验教学内容，并结合工程实践、竞赛、大学生科研项目和学生兴趣小组活动等构建计算思维与应用能力融合的实践教学体系。

2.5 改革教学方法与模式，训练学生计算思维

通过教学方法与模式的改革促进计算思维的培养。美国心理学和教育学家Robert J.Sternberg指出：思维教学的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，也要教会他们发现值得解决的问题。教师要为学生提供足够的思维空间，设法激励和引导学生自主学习，发现问题所在继而解决问题。因此要改革目前的教学方法与教学模式，将计算思维训练融合在教学的各个环节当中。

2.6 完善实习实训基地，强化应用能力与计算思维的培养

积极与IT企业公司合作，建立实习实训基地。由企业或公司搭建一座连接学生、教师和社会的桥梁，企业为高校提供社会需求广泛的技术课程，协助高校实现信息技术课程的教学改革。按照“夯实基础、培养能力、提高素质、发展创新”的培养思路，在坚实的文化素质教育基础上加强业务素质教育、提高身心素质教育、开展创新素质教育。通过学校教师和企业工程师的共同努力，使学生在实习项目中充分锻炼团队协助精神，抵抗外界的干扰与压力的能力，交流与沟通能力，社会与工作责任感以及创新精神，帮助学生在实践中掌握实用IT技能，利用计算思维思想解决实践中遇到的问题，为将来就业奠定良好基础，同时也为企业积累大量训练有素的人力资源[15]。

2.7 开展丰富多彩的创新活动，促进学生创新能力与计算思维的培养

创新意识培养的是一个长期的过程，而且创新能力仅仅依靠课堂教学是很难培养的，必需要在课外开展丰富多彩的科技与竞赛活动。一个有效的做法是成立信息技术协会，由协会再负责成立与管理多个科技兴趣小组，如机器人兴趣小组、程序设计兴趣小组、网站与数据库设计小组、计算机维护兴趣小组等。教师按自己的特长加入兴趣小组，学生从大学一年级或大学二年级开始按自己的兴趣参加某一个或两个小组。小组活动以学生为主体、以竞赛为动力。小组收集组内成员的科研兴趣课题，在师生共同参与下，讨论课题的可行性，对于可行的课题将深入开展下去，实行组内传帮带，培养学生创新意识。学生会积极组织学生参加国家级、省级和校级各项大赛，提高学生的自主学习与强化学习能力。学院每年组织由教师命题的学生科研立项，让学生参加教师的科研活动。通过科研活动，掌握科研的一般过程，了解学科前沿知识与技术，培养学生逻辑思维能力，促进创新能力的培养。成立由学生管理的创新实验室为学生创新活动提供实验支持。不论是学生自主选题还是教师命题的科研创新活动，其研究与实现方法都离不开计算思维的支持，同时创新活动又加强了对计算思维的训练。因此创新能力与计算思维的培养相辅相成，相互促进。

2.8 培养教师计算思维、创新与应用能力

要培养学生的计算思维、创新与应用能力，教师首先要制定适合同学们知识结构和心理特点的课程内容、实验内容及教学方法。因此需要培养教师计算思维、创新与应用能力，积极利用校内外多种资源，完善IT人才培养基地，为教师培训创新IT技术提供各种便利，支持专业教师实践能力的提高；为教师提供交流、访问、培训、参加学术会议等深造的机会，提高教师的综合素质，能以自己的实践体验去指导学生计算思维、创新与应用能力的形成。

3 结束语

计算思维的提出对于计算机教育是一个挑战。如何把计算思维的一些特征和方法作为计算思维的基本内容，经过梳理和组织，成为培养学生计算思维能力的教材，这给计算机教育提出了新的课题，同时也从新的角度提出了计算机教学改革的目标。本文在多年研究与实践的基础上，围绕计算思维进行课程建设，以现有IT人才培养的主干课程的教学培养目标和内容为基础，结合计算思维能力培养，重新组织和梳理教学内容、课程体系及教学方法，突出体现思维能力的培养。设计一套以计算思维培养为基础，以创新与应用能力培养为目标的计算机科学与技术专业人才培养方案，通过实践，培养了学生的计算思维、创新与应用能力，提高了学生的综合素质。

[1]Wing J M.Computational Thinking[J].Communications of the ACM,2006,49(3)：33-35.

[2]任化敏,陈明.计算机应用型人才的计算思维培养研究[J].计算机教育,2010，(5)：61-63.

[3]李晓明，蒋宗礼，王志英，等.积极研究和推进计算思维能力的培养[J].计算机教育，2012,(5)：1.

[4]Perkovic L,Settle A,Hwang S,et al.A framework for computational thinking across the curriculum[C].Proceedings of the fifteenth aunual conference on Innovation and technology in computer scieuce education.ACM,2010：123-127.

[5]Astrachan,O,Hambrusch S,Peckham J,et al.The present and future of computational thinking[C].ACM SIGCSE Bulletin.ACM,2009,4(1)：549-550.

[6]Qualls J A，Sherrell L B.Why computational thinking should be intergrated into the curriculum[J].Journal of Computing Sciences in Colleges,2010,25(5)：66-70.

[7]陈杰华,戴丽娟.以培养计算思维为核心的程序设计实验教学[J].实验技术与管理,2011,28(1)：125-127.

[8]姚天昉.在程序设计课程中引入“计算思维”的实践[J].中国大学教学,2012，(2)：61-64.

[9]袁开榜.二十一世纪,人们应该具有计算思维能力[J].计算机教育,2011，(3)：30-33.

[10]何钦铭,陆汉权,冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养——《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》解读[J].中国大学教学,2010，(9)：5-9.

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

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

[13]朱亚宗.论计算思维——计算思维的科学定位、基本原理及创新路径[J].计算机科学,2009,36(4)：53-55,93.

[14]龚声蓉，朱艳琴，杨季文.地方综合性大学IT应用型创新人才培养的思考[J].计算机教育,2011，20：1-4.

[15]黄川林，张明会，田惠怡.面向IT应用型人才培养的校企合作模式[J].计算机教育,2012,13：84-86.