基于计算思维的大学信息技术基础教学改革研究

韩法旺 毛素龙

摘要：本文总结了当下信息技术基础教学中存在的问题，研究了计算思维的概念、特征以及在教学中的作用。最后试图构建一个基于计算思维的任务驱动式教学模型，以此来解决信息技术基础教学改革中存在的问题。

关键词：计算思维;信息技术基础教学;任务驱动

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）19-0250-03

一、我国大学信息技术基础教学中存在的不足之处

大学信息技术基础课程通常都是大一新生进入大学后第一学期就会学习的课程。在目前的高等教育中，还有很多的高校信息技术基础就是讲解Windows操作系统的使用、Microsoft Office办公软件的操作。在软件使用的过程中也很少会涉及思维的教育，更别提计算思维的培养，主要就是软件菜单栏各种功能的掌握，考试也就是依照一篇范文来排版，几乎不用学生动脑子。

（一）工具论思潮居首

经过笔者参与各种计算机基础教学会议，和多个学校的讲授信息技术基础的老师多方面沟通所了解到的信息。现在各高校对于入学以来学习计算机的首门课程都在想法设法地进行改革，但大多乏力。主流的课程体系还是讲述Windows操作系统的操作，比如开始菜单、任务栏、桌面个性化、文件及文件夹的复制、移动粘贴等;Microsoft Office软件的使用，包括Word、Excel、PPT软件的使用，且所占学时比例并不低，大都强调多练、多做，很少有强调多思考的。美国卡内基梅隆大学计算机系主任周以真教授提出的计算思维的概念已经有十多年了，但到目前为止还很少有信息技术基础的教师能够将其运用到教学中去。信息技术基础课程教学主要还是让学生学会几种常用办公软件的操作以及简单编程，这显然不利于学生对计算科学的思想和方法的理解和掌握，也不利于为国家培养具有创新精神的高素质人才队伍[1]。

目前高校中的学生绝大多数都是独生子女，习惯了衣来伸手饭来张口的生活态度。到大学中的学习也习惯于老师讲什么我就学什么，并且从师兄师姐那里也会了解到一些诸如“计算机课程就是程序设计”“计算机会用即可”或“信息技术基础课程就是讲解工具使用”等一些片面观点。他们还未意识到工具什么时候都可以学，但培养自己独立解决问题的思维能力才应该是大学里最应该学会的东西。

（二）教学内容相对于技术的发展相对滞后

今年是2018年了，Microsoft Office软件也已经出到了Office 2019，但观察大多数的高校里还在讲解Office 2010，甚至还有的高校上课还是以Office 2003为版本。国家在很多年前就已经在中小学普及信息技术教育，很多的学生在高中，甚至是初中就已经学习了Office软件的使用方法，到了大学之后发现第一门学习的信息技术基础课程居然还是同样的内容。这就导致学生的学习热情下降，学习不上心也就在情理之中了。很多高校教师都会吐槽说，我们天天在免费推广微软公司的产品，人家还不要出一分钱推广费。就是这种相对滞后的教学内容，使学生提不起兴趣，也使学生忽视了计算思维对分析问题和解决问题的重要作用，更不会使学生意识到计算思维对创新行为的支撑作用。

高等学校为学生开设的信息技术基础课程包括计算机科学的基本概念和技术。它强调学科的广泛性，但实际上是分散的和“拼盘式”的。这就导致学生对其积极性不高，学习热情低下，出现逃课、上课注意力不集中的问题。

（三）考核机制没有体现计算思维能力

由于自动阅卷软件的出现，很多的客观题，比如选择、填空、判断等已经可以实现自动阅卷、自动出分数。还有很多公司和微软合作，可以对Office软件的排版进行自动阅卷。很多高校引进了这样的考试系统，于是皆大欢喜。学生可以考完就看到自己的分数，老师也不要花大力气改卷子，甚至有的考试系统考完之后就可以告诉学生什么地方错了、怎么改正。于是高等教育又回到了以前的題海战术，信息技术基础的教学就成了大量的练、练、练，学生也高兴，不要动脑筋。

然而，这种简单的考核方式却阻碍着以“计算思维”为基础的高校信息技术基础教学改革的深入，测试学生思维能力的问题不能简单地用这种自动阅卷的方式来考核。另外，只是这种机械的评价方法也不能真实、全面地反映学生的学习效果。

二、计算思维研究

周以真教授认为，“计算思维是利用计算机科学的基本概念来解决问题、设计系统和理解人类行为的科学方法。计算思维本质上是一种方法论思维，它通过约简、变换、嵌入和模拟以适当的方式陈述问题，对问题的相关方面进行建模，并将看似困难的问题解释为我们知道如何解决的问题。采用最有效的方法，依照方法解决问题。计算思维应该真正融入整个人类活动，这样每个人都可以掌握和在任何地方使用[2]。”

（一）计算思维体系框架

关于计算思维研究什么内容、如何在信息技术基础中引入计算思维的概念、计算思维的体系框架，如表1所示。

周以真教授给出计算思维具有以下几个方面的特征[2]，如表2所示。

计算思维的标志和本质是自动化和抽象，它是以可行和构造为特征的构造思维，是以程序化、层次化（形式化）、结构化（机械化）为根本的思维[3]。

（二）计算思维在教学中的影响及其应用

计算思维的研究无处不在，在美国，计算机科学技术教育协会已经和Microsoft公司合作，依据上述的计算思维系统框架进行计算机教学，并积极提倡计算机基础教育中要把计算思维和计算机导论紧密结合起来。

在中国，人们深刻剖析计算机基础教育的各种课程中所蕴含的计算思维思想，力争在教学中可以把计算思维的精髓融入到教学中去，已经有部分高校进行了可贵的尝试。比如走在了计算机基础教育前列的九校联盟就都在实验性地开展基于计算思维的教学改革。如计算机的产生和发展是计算思维不断拓展的过程;计算机中数据的表示是计算思维的表示;计算机的组成和工作原理是抽象和分解的运用;数据结构是研究数据表示方法及其关系的一种抽象等。

计算思维也在其他学科中进行培养，并产生了一定的影响。“如在生物学科中，Shotgun algorithm（霰弹枪算法）大大提高了人类基因组测序的速度，蛋白质的动力学可以用计算的过程去模拟[4];在化学学科中，原子计算能探索化学的一些现象，优化和搜索算法能找寻优化化学反应条件和提高产量的物质;在脑科学中，人工智能就一直以人脑思维的方式发明创新机器来帮助我们完成更现代化的技术;在数学学科中应用甚广，因为计算的本质缘于对数学的研究，四色定理等都受到了计算思维很大的影响;在经济学科中，电子商务等都受到了计算思维的影响;在地质学领域，对地壳、地球、复杂大气层等的模拟都需要用到计算思维的理念;在电子、土木、机械、航空航天等工程领域计算方式的进行能够提高器械等的高精度高密度等;在医疗领域，机器人手术、可视化技术等;在社会科学中，社交网络等也被人们所喜爱和接收;在法学领域，斯坦福大学的CL方法涵盖了时序逻辑、状态机、进程代数、人工智能、Petri网等方面的内容;娱乐中的游戏，电影和艺术中的喷绘机器人、戏剧等都有受到的影响[5]。”

三、基于計算思维的任务驱动式教学模型的构建

任务驱动式教学是“任务、教师和学习者之间交互作用的结果”。整个教学过程是以任务为基础的，将教师与学习者联系起来。在传统的任务型教学中，教师只对学习者完成的任务进行评估，而学习者采用任何方法来解决则不做要求。基于计算思维的任务驱动教学以任务确定为核心，以培养学生运用思维方法完成任务为标准。因此，任务驱动教学模式的构建应从任务的确定、任务的过程和解决方法三个方面进行。

笔者参照任务驱动的教学模型，结合计算思维的体系框架，参考了前人的研究成果，尝试构建的教学模型中，教学者依据任务开展五个步骤的活动，学习者则需要六个步骤来学习。教学者的任务是课前的准备、任务的设计、任务的呈现、指导学习者实施任务、对学习者上交的作品进行总结评价;学习者的工作是课前预习相应课程、形成相应良好的学习心理、明确目标任务、完成任务、得到结果相互交流，对结果进行反思评价[6]。基于任务驱动式教学模型如图1所示。

由图1可知，基于计算思维的任务驱动式教学模型，其特点是将计算思维的方法贯穿于教学者和学习者对“任务”进行操作时的所有步骤，系列任务的设置和实施都围绕计算思维的方法展开，就是将计算思维方法应用于教学者的教学五步骤和学习者的学习六步骤之中。

四、结语

计算思维融入信息技术基础的课程教学是一个刚刚兴起的研究问题，相关的理论成果和实践经验还比较少，加上研究者的研究视野、能力水平等限制，本文提出的基于计算思维的任务驱动教学模型存在如下不足，一是依照模型构建的教学案例有待丰富;二是未经过大量对比教学进行检验，以验证其是否科学合理。

参考文献：

[1]教育部国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）[EB/OL].

http：//www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm

[2]周以真.计算思维[J].中国计算机学会通讯，2007，3（11）.

[3]孙家广.计算机科学的变革[J].中国计算机学会通讯，2009，5（2）.

[4]王飞跃.从计算思维到计算文化[J].中国计算机学会通讯，2007，3（11）.

[5]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）.

[6]牟琴，谭良，周雄峻.基于计算思维的任务驱动式教学模式的研究[J].现代教育技术，2011，（6）：44-49.