以计算思维培养为导向的大学计算机基础教学研究

尹建新++黄美丽

摘要：计算思维是现代计算时代的产物，是每一个人都应具备的一种基本能力，如何在计算机基础教学中培养计算思维能力是当下基础教学中最核心的问题。该文分析了计算思维培养与计算机基础教学的相互关系，指出计算思维对大学计算机基础教育的重要意义，探讨了以计算思维为导向的计算机基础课程体系设置，以案例为组织、计算思维培养与技能掌握相融合的教学内容设计及教学方法的改革探讨。

关键词：计算思维；大学计算机；教学改革

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）29-0091-02

1 引言

早在1972年，图灵奖得主EdsgerDii.kstra就曾提出“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也深刻地影响着我们的思维能力”。2006年3月，周以真教授在美国计算机权威刊物上，首次提出了“计算思维”的概念[1]，并且得到了教育界的认可。2010年7月，“九校联盟会议”在计算机课程报告论坛中明确提出：计算机思维培养是大学计算机基础课程教学的“核心任务”[2]；2010年11月，陈国良院士第一次正式提出了将“计算思维能力培养”作为引领计算机基础课程教学改革的方向标[3]。2013年浙江省计算机“教支委”在学术年会上着重提出了在大学计算机基础教学中“计算思维”培养的重要性。因此，把计算思维能力培养是计算机基础教学的一项教学要求，更是大学通识教育的一个重要组成部分，我校自2014年开设“计算思维引导”课程作为全校的通识核心课程。

2 计算思维和计算机基础教学

计算思维是运用计算科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动，即是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释为如何利用计算机求解的思维方法。其本质是抽象和自动化，如同所有人都具备“读、写、算”能力一样，计算思维是必须具备的思维能力。计算思维能力指的是问题及问题求解过程的符号表示、逻辑思维与抽象思维、形式化证明、建立模型、实现类计算和模型计算、利用计算机技术的能力。

大学计算机教育不同于小学、中学这种电脑的接触、感性认识，而是理论高度、原理透析的深层次学习，是培养大学生综合素质、学科交叉和创新能力的有效途径。如何在计算机基础课程中向学生渗透这种思维能力的培养，在以后的教学中如何向学生传输这种思维，如何把计算思维渗透在课堂的知识点中呢，这是我们每一个从事大学计算机基础教育者首要思考的问题。在教学过程中实践思维的培养，让学生更加深刻地理解计算的本质和计算机求解问题的核心思想，改变仅限于单纯培养操作技能的“狭义工具论”思想，改变只会“套用、搬用”却不懂“应用、创新”现状；更好地改变不同学科的同学对各自领域的认识和思考方式，学科交叉，以完成创造、创新式的工作。

3 以计算思维为导向的大学计算机基础教学改革

3.1构建课程体系

我校2012级学生始，逐步建立了以计算思维为导向，以计算思维和技能学习相融合的非计算机专业计算机基础教育课程体系，按不同学科专业、分层次进行。第一层次——计算思维与信息技术基础，以计算思维培养为目标，学习计算机基础知识，培养应用计算机的基本技能，使学生建立计算思维意识；第二层次——高级语言程序设计、办公自动化高级应用、平面与动漫设计基础，培养学生运用计算机科学的基础概念和思维，理解、求解专业问题和专业行为。第二层次教学结合专业特色和学生特点，工学开设C程序设计，理学、管理学及经济学开设VB程序设计等，文学、法学及艺术类开设办公自动化高级应用，设计类开设平面与动漫设计课程，不同专业根据自身专业背景与需求，在四门课程中任选一门作为必修课；第三层次——计算机通识教育选修课，面向所有学生，学生自由选择其中的若干课程学习，使学生熟练掌握现代化的计算机设计工具的使用技巧，适应社会要求，开设了计算思维导论、电脑维修、高级语言程序设计、Flash动画设计、Photoshop平面设计等课程，如图1所示。

这是一个必修课程与选修课程相互补，让学生大学四年计算机学习不断层的方案设计，同时除了课程的学习，还建立了多种形式的计算机学习方式，如讲座、开放实验、学员实践项目等。

图1 计算机基础教育课程体系

3.2计算思维及信息技术基础课程内容优化

计算思维与信息技术基础课程内容繁多，且各模块之间逻辑联系并不那么紧密，同时，由于受限于学时计划，课程内容的设计与章节安排是非常重要的。笔者认为，计算思维的培养与技能掌握两者并不冲突，计算机技能的掌握也是必需的，而且，计算思维培养与技巧及能力培养是一种相互促进作用，计算思维的培养是通过能力培养来实现的。本校经过多年的案例教学实践，得出优化教学内容，案例教学是综合凝练共性思维和快速技能掌握的有效的方法之一。因此，笔者设计了以计算思维培养与技能学习相融合的课程内容，如表2所示。

教学内容由计算思维培养和技能学习及掌握两部分内容，设计16个案例来组织，涵盖了计算思维相关的计算环境搭建以及问题求解模型的描述，初步认识了算法及数据库技术，可以为第二学期将学习程序设计课程的专业学生打下一个良好的基础。

表2 计算思维与信息技术基础教学内容案例设计

[课程内容＼&案例设计＼&计算思维培养＼&案例一：0和1思维＼&案例二：图灵机与冯·诺依曼计算机＼&案例三：现代计算机（硬件）＼&案例四：计算机语言与编译（软件）＼&案例五：计算机网络＼&案例六：问题求解构造＼&案例七：算法认识＼&案例八：数据抽象、设计与挖掘＼&技能学习与掌握＼&案例九：Word文稿编辑＼&案例十：Word图文混排＼&案例十一：Word长文档排版＼&案例十二：Excel数据输入与编辑＼&案例十三：Excel公式与函数应用＼&案例十四：Excel数据管理与分析＼&案例十五：幻灯片设计与制作＼&案例十六：幻灯片演示与放映＼&]

3.3 基于案例的计算思维引导教学

教学内容的组织与教学方法的选择是教学效果好环的两大决定因素，基于案例的计算思维引导教学法是以问题引入、分析问题、解决问题、扩展问题为教学思路，启迪性和探路性是教学过程是根本特征。

例如，在设计与讲授“0和1思维”案例中，首先引入问题：

（1）现实世界任何事物，是否可用0和1表达？

（2）如何表达？

（3）如果问题成立并能解决，则世界任何事物都可以通过计算机计算获得。

其次，分析问题：

（1）可以以《易经》中六十四卦的各种组合及其语义示意为实例，引论出语义符号化概念

（2）数值信息和非数值信息均可用0和1表示，即符号化数字化，能被计算。

（3）0和1可以是两种状态，如高电位、低电位，可以用电子技术实现→0和1可以是逻辑真、逻辑假，可以进行逻辑运算→可以用三极管、二极管等实现基本门电路→组合逻辑电路实现→复杂组合逻辑电路的芯片。

最后，得出0和1的思维：

物理世界/语义信息→符号化（进位制与编码）→数字计算（算术运算、逻辑运算）→硬件与软件实现。任何事物只要能表示成信息，也就能表示成0和1，也就能被计算，能被计算机处理。

4 结束语

计算思维是随着计算机的普及和计算机技术的发展而演化，以计算思维的培养为导向的大学计算机教育涉及教学内容、教学方法及教学手段等多方面，也不是依托于某一二门课程就能实现计算思维能力的培养，而是要潜移默化在我们教与学的实践行为中。

参考文献：

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

[2] 九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010（9）.

[3] 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）：9-13.