计算思维在大学生创新能力培养中的作用研究及实证

黄仁祥

（四川文理学院 招生就业处，四川 达州635000）

1 引言

“创新”一词在十九大报告中频繁出现，超过50余次，习近平总书记在十九大上，再次强调“创新是引领发展的第一动力”.高校无疑是创新的主要战场，培养大学生的创新能力是我国实施科教兴国、人才强国战略的必然要求.高校担负着培养创新人才的重要任务，充分认识创新能力的本质特征，探索其培养的方式和途径，加强对大学生创新能力的培养，让他们成为新时代全面发展的高素质创新型人才，是教育的系统工程和长期任务.［1］

2 大学生创新能力培养现状及对策

2.1 大学生创新能力培养现状

长期以来，由于传统教育思想的影响，人们普遍认为高校只是教授知识的地方.在教育过程中，它们表现为：强调知识的讲授，忽略知识的应用、知识的能力和创造的能量；强调知识的数量，忽视知识的创新.这培养了一种学习风格：学生习惯于接受，不习惯思考和论证，影响学生的思维活动，抑制学生的创新精神.因此，笔者认为以下因素阻碍了大学生创新思维的发展：［2－3］

2.1.1 在培养目标上：首先，由于学生较早地进入的专业课学习，知识限于非常狭窄的领域.由于狭窄的专业教育，导致学生的学术思维和视野严重不足，因此没有扎实的知识基础来培养创新思维.其次，高校也乐于培养应试尖子生，使得这些学生死记硬背，照书本行事，按常规走路，生搬硬套.缺乏不合逻辑思维的直觉，联想和缺乏想象力，因此很难培养出创新思维.

2.1.2 在传授内容上：由于长期的应试教育，高校传授了大量的无活力化的知识，这些知识有的比较陈旧，有的已经过时，它很少或基本不能在实践中加以运用，这类教学内容本质上只是让学生填鸭式吸收知识.理论课程上的知识通常“一题一解”“一问一答”，考试通常有标准化答案，导致学生思维固化，学生产生思维惰性，考的内容就学，不考的内容就不学.实践课程也只注重工具的操作，缺乏思维层面的训练.

2.1.3 在课程设置上：首先，教学内容已经过时，不能跟上科学技术的发展，特别是缺乏培养学生创新思维的课程.其次，专业分工太精细，这使得文学艺术与科学工程分离，导致学生基础知识结构不广博.第三，教学内容理论部分较多，超出实际应用，相关课程没有进行科学设置.

2.1.4 在教学方式上：首先，教学方法单一，以“教师，教材，课堂”为中心的教学模式占主导地位.学生在教学中扮演着配合教师完成教学计划的角色.其次，教学方法已经过时，现代教学方法还没有真正进入课堂.第三是教师是基于教科书，学生是死记硬背，很少讨论的机会以及发言机会导致创新思维训练的缺乏.四是形成了大学生的权威定势，少有挑战权威的意识.

2.1.5 在教学评价上：首先，教学评估目标单一.它只注重对学生所学知识掌握程度的评价，只关注对结果的评价，不注重对学习过程的评价，阻碍了学生的想象力和多层次的思维能力的形成.其次，只注重书面测试，知识重现的题目众多，操作考试很少使用，导致学生只满足于的死记硬背知识点，阻碍了他们创新欲望的形成.

2.2 大学生创新能力培养的对策和方法

针对上述影响大学生创新能力培养的现状，可以从三方面应对：

2.2.1 在培养目标上，要尊重学生个性，克服学生的思维定势，激发学生自主精神，塑造学生的批判精神.

2.2.2 在教学方法上，要活化教学过程，强化探索精神.要突破教师、教材、课堂为中心的局面.多采用下列教学法：

a）案例教学法，以问题为导向的教学方法.

b）活动教学法，让学生以做活动的方式动手实践.

c）讨论教学法，教会学生不迷信权威，乐于发表自己的意见.

d）游戏教学法，喻教于乐.

2.2.3 在教学评估上，创新课的教学评估应反对应试教育，突破传统教学教什么就考核什么的陋习，而要大力倡导学生参与课程的考核，调动他们的自主性和参与性，提高学生的学习热情和创新精神.打破笔试为主的考核方式，多以调研报告，项目或案例分析，图解图示等方式来考查学生学业水平.［1－3］

3 计算思维和创新能力的关联

3.1 什么是计算思维

2006年3月美国卡内基·梅隆大学的计算机科学系主任周以真教授在美国计算机权威期刊Communications of the ACM 上对计算思维进行如下定义：计算思维是指运用计算机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.［4］该定义的提出，使计算思维在国际上得到了广泛的关注，以美国的代表的国际社会纷纷加入到研究计算思维的行列中来，并逐步将计算思维引入到STEM课堂教育教学中去.

3.2 培养计算思维影响创新能力

人类使用的工具会影响人们的思维，计算机的出现产生了计算思维.著名计算机科学家、图灵奖得艾兹格·迪科斯彻（Edsger Dijkstra）说过：“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力.”电动机的出现产生了了自动化思维，计算机的出现也将催生并发展计算思维.

创新的基础就是思维，在计算机应用普及和信息技术快速发展的情况下，利用计算机来辅助解决问题是实现创新的主要手段.计算思维和其它各行各业思维的融合，形成跨界思维、交叉思维以及颠覆思维，进而行成一股极其重要的力量推动创新.对计算思维的内涵和外延的研究和探索，以及对计算思维的特点和规律的整理和挖掘，将有助于产生新的思想和方法.

3.3 计算思维是创新能力培养的载体

2010年7月20日，九校联盟（C9）发表的《九校联盟计算机基础教学发展战略联合声明》（以下简称《联合声明》）指出，建立计算思维是培养复合型创新人才的一个重要内容.任何学科，具有较好的计算思维能力都将成为新时代拔尖创新人才不可或缺的素质.高校应该旗帜鲜明地把培养具有计算思维能力的高级人才的作为一项重要的长期任务.［5］在高等教育中通过课程教学和实践教学，有意识、有目的、有针对性地培养学生的计算思维能力，将极大的帮助学生发展创新思维，提高创新能力.将计算思维的培养作为创新能力培养的载体，可以有效的避免创新教育只停留在创新思想、创新方法的层面的研究，可以让创新教育顺利实施.

3.4 计算思维是大学生计算机基础教育的核心任务

九校联盟（C9）2010年在在西安发表的《联合声明》，针对计算思维和大学生计算机基础教育的关系提出了四点共识.共识指出了计算机基础教学对于培养大学生综合素质和创新能力的重要作用，确立了计算机基础教学的基础地位，指出了计算基础教育的核心任务是培养计算思维能力.共识还要求加强以计算思维能力培养为核心的计算机基础教学课程体系和教学内容的研究，加强计算机基础教育的队伍和机制建设.［5］

4 App Inventor课程在计算思维培养方面的优势

App Inventor是一个直观的可视化编程环境，允许每个人，包括K－12的儿童创建功能齐全的移动设备应用程序.App Inventor的新手可以在不到30分钟的时间内启动并运行简单的第一个应用程序.而且，基于可视化块的编程界面可以比传统编程环境在更短的时间内创建复杂，高可用性的应用程序.相比基于文本的编程语言（例如JAVA），App Inventor基于可视化拖动块的编程方式在培养学生计算思维方面更具有优势.从MIT App Inventor官网上可以了解到，［6］以麻省理工学院、剑桥等国际顶尖大学正在使用App Inventor开发相关课程来培养学生的计算思维.学界、业界普通认为，使用基于块的可视化编程环境，App Inventor降低所有人的编程入门门槛来实现技术的民主化.教师可以借助App Inventor提高学生的学习编程兴趣，帮助学生计算思维的形成，让学生从技术的消费者转变为创造者.

5 App Inventor课程在培养学生计算思维和创新能力的实证

5.1 2012年在兰州大学举办的CS4HS培训班上，兰州大学郭守超等研究者对参训教师的调查结果显示：根据对中小学生对App Inventor的相应块和功能组件掌握程度和在日常生活中运用计算思维思想分析问题解决问题的情况判断，基于App Inventor的中小学信息技术课程对培养学习者的计算思维能力有显著影响.［7］笔者对该研究进行梳理后发现：现有App Inventor示范课程，综合运用了案例教学法、游戏教学法进行教学；在教学评价上，推进基于课堂教学的过程性评价、课后报告评价等以学生为本的评价方式，印证了本文1.2所述观点，可以很好地解决学生的创新能力培养问题.

5.2 陕西师范大学2015年的一项研究表明，利用App Inventor开展高中信息技术教学，对培养学生的创造性思维有促进作用，这种促进作用主要表现在创造性思维独创性方面.App Inventor作为培养学生创造性思维的一种工具，对创造性思维技能的流畅性、变通性并无显著促进作用，而作为一种软件作品创作工具，对学生的独创性思维方面有较明显的促进作用.［8］

5.3 麻省理工学院2016级硕士Natalie Lao为App Inventor开发了功能模块——CloudDB，该模块允许用户存储，检索，并在Redis服务器上为其移动应用程序共享各种类型的数据.同时他还开设了基于CloudDB的中学和高中课程以及评估工具来评估学生理解和利用共享数据概念的程度，然后对10名年龄在12至15岁之间的学生，进行了为期7周，总课时为5小时的教学.课程内容主要是让学生们了解了MIT App Inventor工具，讲授了有关云计算、数据共享等计算思维，学习了如何在 MIT App Inventor中使用CloudDB组件，并创建了独立的最终项目.研究结果表明，将共享数据作为核心计算思维概念的教学对于中学生来说是完全可行的.学生还能够推断云计算、数据共享的潜在问题，例如存储限制和安全问题.该研究成果已发表在Natalie Lao的硕士论文中.［6］

5.4 笔者曾在四川文理学院对非计算机类专业“现代教育技术”专业《教育软件设计》课程和计算机类专业“物联网工程”专业的《Android基础》课程中引入App Inventor，使用案例教学法、游戏教学法和项目设计考核评价.在教学效果上，学生明显表现了积极的创造欲望.在现代教育技术专业的教学过程中，22名学生，其中11人为文科生，女生18人，经过两周的课程，均可设计出功能完整的Android教育App.在“物联网工程”的期末考核项目中，所有学生都提交了原创的具备完整功能的App，这些App以游戏居多，还有一些工具应用.

6 结论及展望

当前，我国高校从培养目标、传授内容、课程设置、教学方式和教学评价等五方面阻碍了大学生创新思维形成，影响了大学生创新能力的培养.要改变这些现状，需要从课程设置、教学方式和教学评价上进行改革.在信息技术快速发展和计算机应用普及的情况下，利用计算机解决问题是实现创新的主要手段.高校应该加强计算机基础教学课程体系建设，将App Inventor课程纳入计算机基础教学内容，以培养“计算思维能力”为核心开展教学，让大学计算机基础课程成为大学创新能力培养的载体.本研究认为，使用App Inventor课程作为大学生计算机基础课程的一部分，以树立“计算思维”为载体的计算机基础教学来实现培养大学生创新能力的目标，具有科学性可行性，可以使创新教育顺利进行.

尽管国内外较多大学中学已经开展App Inventor课程与计算思维培养的研究，已经得出很多实证，基于App Inventor的课程教学对中学生计算思维的形成显示出了较好的促进作用，但是由计算思维尚未形成学科体系，以及App Inventor教学也没有形成完整的课程体系，所以将以App Inventor课程培养大学生计算思维为载体，培养大学生创新能力的具体实施方案还需要国家、省市和高校各方面共同努力，不断纠正和改进教学实践，形成一定的规模和体系，这正是大学计算机基础教育研究者未来继续努力的方向.