《大学计算机基础》课程计算思维构建过程教学实践研究

陈菁 安利 范青刚

摘要：本文以八皇后问题求解为案例牵引，着力从计算思维构建过程的角度阐述教学过程的组织与实施手段，将思维构建这一教学难题具象化、系统化。文中提出了基于《大学计算机基础》课程的基础计算思维架构，并对基础计算思维架构的增量延展和自主构建过程的基本教学方法及模式进行了探讨。

关键词：计算思维;增量延展;自主构建;大学计算机基础

1 引言

在不同的时代，人们运用符合这个时代发展的工具及其适用的思维技巧去解决问题。比如：古代人解决算术问题会用结绳法，基本无需思维技巧;而现代人就会使用计算机、网络、移动设备等信息化处理工具，而越复杂的工具其使用的思维技巧也就会越综合、复杂。

计算思维的提出正是顺应时代的发展，以帮助人们更好的运用计算机等电子化设备有效解决复杂问题为目的的多种思维的综合凝练。它基于归纳、逻辑、递进、逆向、分解等基础思维，但又高于这些基础思维。其确立的关键在于融合与界定，而如何在《大学计算机基础》这门课程中体现虚无缥缈的计算思维的构建过程即是本文讨论的核心。

2 从课程角度理解思维、计算、计算思维

思维是人类所具有的高级认知活动。按照信息论的观点，思维是对新输入信息与脑内储存知识经验进行一系列复杂的心智操作过程。

思维方式包括：分析与综合、比较与分类、抽象和概括。

思维种类多样，比如：

●形式性思维（感性具象思维、抽象逻辑思维、理性具象思维）

●目的性思维（上升性思维、求解性思维、决断性思维）

●智力品质性思维（再现思维、创造思维）

思维技巧有：归纳思维、演绎思维、批判思维、集中思维、侧向思维、求异思维、求证思维、逆向思维、横向思维、递进思维、想象思维、分解思维、推理思维、对比思维、交叉思维、转化思维、跳跃思维、直觉思维、渗透思维、统摄思维、幻想思维、灵感思维、平行思维、组合思维、辩证思维、综合思维、核心思维、虚拟思维。

在面对具体的复杂问题时，为了能够高效、合理的解决问题，必然会综合运用多种思维，每一种思维不是且不可能单独存在，只有将多种思维交叉融合才能真正发挥其效能。

计算在汉语词典中的释义如下：

1）核算数目，根据已知量算出未知量;運算和;

2）考虑：谋虑;

计算思维中的“计算”应该且必须涵盖以上两个内容，它不能仅仅局限于对数字的核算，更应该包括“核算数目”之前的数据抽象及表示过程，并且这种抽象过程应该具有很强的靶向性，即基于某种特定计算装置的效能进行考量。

因此，想要建立计算思维就必须首先明确“界限”，即哪类问题适合且能够运用计算机解决，哪类问题不能运用计算机解决。而为了精确确立该界限，就必须深入了解计算机这个复杂工具的内部构造，熟悉现用软件的各项功能。并且随着时代的发展、技术的进步，这个界限是在不断变化的。这就要求学习者在具备基本计算思维架构的基础上，还必须具备增量延展、自我构建的能力。

3《大学计算机基础》课程计算思维构建过程

从《大学计算机基础》课程的开设目标来看，首要目标就是帮助学生建立最基本的计算思维架构。在学习者均构建好自身的基本计算思维架构的基础上，运用多个或综合或复杂或新颖的教学案例使学习者体会、进而学会增量延展与自主构建。

本节在给出基本计算思维架构的基础上以实际案例为载体具体论述计算思维构建、增量延展、自主构建过程的教学实施方法。

3.1基本计算思维架构

基本计算思维是逻辑思维、抽象思维、归纳思维、分解思维、算法思维的有机融合，在具体问题的求解过程中，学习者将在不同的问题求解阶段运用不同的思维，最终形成求解方案并采用某种工具实现。

《大学计算机基础》课程基本计算思维架构如图1所示：

图1 基本计算思维架构

教学中，为了培养学生的基本计算思维，需要设计较为复杂的案例综合运用上述基础思维，让学生在用中学，在作中学，最终掌握自我思维训练的方法。本小节以穷举法解决八皇后问题为案例，培养学生计算思维的上述5个方面，具体实施方案如图2所示：

图2 基本思维构建过程案例设计

3.2增量延展

基于上述八皇后问题的核心代码，进一步引导学生考虑相似问题，比如：4皇后、7皇后、10皇后……，引导学生对基本案例代码进行扩展，将其扩展为可设定难度等级的闯关小游戏。

这部分内容建议以分组讨论、集中答辩的形式组织，这样既能充分发挥学生潜能，又能使课堂产生有效碰撞，使学生在自主学习的过程中促成知识内化，在不断地碰撞思考中完成计算思维增量延展的构建过程。

从计算思维的角度理解，在对八皇后问题求解的课程基础案例进行扩展的过程中，着重对基本计算思维架构中的归纳思维进行延展，进一步引导学生完成模式归纳及建模的思维构建过程。增量延展示意图如图3所示。

图3 基本计算思维架构增量延展

在此过程中重点引导学生总结发现思维增量延展的契机、方法，關键点在于将增量延展的结果与自身已有的计算思维架构进行关联，这样才能形成一个可持续发展的、不断完善的计算思维体系。

3.3 自主构建

随着实际问题复杂性的提高，用以解决问题的计算思维必然会出现图1中基础计算思维架构中未曾描述的新的分支，这时就要求学习者能够完成自主构建过程。

比如：需要给3.2中完成的案例进行可视化表达，此时设计者必须考虑使用人员的习惯、可操作性等，需要在众多第三方库中进行选择，综合考量其功能及效率问题。

这部分内容建议采取大作业或课程设计的形式，由学生在课下规定时间段内自主完成，可综合运用网络下载、论坛求助、类比仿写等手段实现。

从计算思维的角度理解，在对八皇后问题求解的课程基础案例进行可视化改写的过程中，着重完成系统思维的构建过程，引导学生完成工程和评估的思维构建过程。自主构建示意图如图4所示。

图4 基本计算思维架构自主构建

4结束语

思维构建虽然是教学中的难点问题，但它却是每名教学工作者追求的终极目标。面对这样一个抽象、发散的思维构建课题，作者以八皇后问题实现为课程教学案例贯穿整个教学过程，使抽象问题具象化，发散问题关联化，较好地完成了一个较为完整的计算思维构建过程。当然，思维的建立不是单次案例实现过程能够驯化成功的，需要不断地在新的教学案例中反复训练，但基本的构建过程模式是相似的，本文在具体的教学实施过程方面给出了具有可操作性的借鉴建议。

参考文献：

[1] 陈国良.计算思维导论.高等教育出版社，2012.

[2] 冯祥胜，朱华生.大学计算机基础[M].北京：航空航天出版社，2016.

[3] Wing J M.Computational thinking and thinking about computing[J].Philosophi- cal Transactions，2008（7）：3717-3725.

[4] Wing J M.Computational thinking[J].Communications of ACM，2007，49（3）：33-35.

[5] 唐培和，徐奕奕.计算思维：计算科学导论[M].北京：电子工业出版社，2015.

作者简介：

陈菁，女，副教授，大数据分析，

（作者单位：1 火箭军工程大学基础部;2 空军工程大学装备管理与无人机工程学院）