新工科视域下程序设计基础课程计算思维培养路径

朱文龙，杨双双，魏连锁，李长荣，潘海珠

新工科视域下程序设计基础课程计算思维培养路径

朱文龙1，杨双双2，魏连锁3，李长荣1，潘海珠1

（齐齐哈尔大学 1. 计算机与控制工程学院，2. 教师教育学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；3. 宿迁学院 信息工程学院，江苏 宿迁 223800）

在新工科的背景下，计算思维已成为计算机相关行业毕业生的必备技能，特别是在工程技术领域．然而，传统的编程教学主要侧重于语言和语法本身的特征，忽略了对学生计算思维能力的培养．以程序设计基础课程为例，探索了在新工科视域下计算思维培养路径，提出了课程的教学目标、教学内容、教学方法、教学评价等方面的实施方法．通过该路径的实施，拓宽了计算思维培养的策略，可以有效地帮助学生提高计算思维能力．

程序设计基础；新工科；计算思维；培养路径

在当今的数字化时代，计算思维已成为人们解决复杂工程问题的必备技能，对于大中专院校来说，计算思维在新工科人才培养体系中占据重要的地位．计算思维的重要性在于它能够培养创造性思维和问题解决的能力．然而，传统的编程教学主要侧重于语法和语言特性，忽视培养计算思维技能．新工科强调任务驱动、协作和创新，为计算思维能力的培养提供了新的视角．因此，本文在新工科视域下，以程序设计基础课程为例，探索计算思维培养路径，最终的目标是培养学生利用计算思维解决复杂工程问题的能力，提高学生的综合素质．

1 相关理论研究

计算思维的历史可追溯至20世纪50年代[1]．周以真第一次系统并全面定义了计算思维，认为计算思维是一系列计算机科学相关领域的思维活动的统称[2]．在此基础上，国内外学者对计算思维进行了较系统的研究，对计算思维的认识也逐渐从模糊转为清晰．

在国外方面，计算思维在2011年就被美国的K12标准所采纳，随后，英国、澳大利亚等国也都将计算思维培养作为课程改革的重要内容[3]．进一步地，美国国际教育技术协会在2018年对计算思维做出了新的定义，即计算思维是利用计算机科学的核心原理和实践来解决模糊、复杂和开放式的问题，是利用计算的力量设计解决方案[4]．目前，国外相关研究的重点在于如何促进和评估计算思维的发展，但实际应用及推广的实践经验较少[5-6]．

在国内方面，教育部教指委编制的《高等学校计算机科学与技术专业人才专业能力构成与培养》明确指出计算思维是计算机专业人才必须具备的能力之一，文中对计算思维给出了明确的定义：如何按照计算机求解问题的方式去考虑问题，以便构建出相应的算法和基本程序等[7]．李国杰[8]认为计算思维是人的一种基本技能，是一种普适的计算，其最重要的特征是强调一切皆可计算．蒋宗礼[9]认为计算思维是一种有意识的思维形式，这种思维形式和计算机专家解决问题的方式紧密相关，包括了思想、方法、工具和环境等各种因素，同时，这种思维形式还涵盖了更广泛的活动．随着研究的不断扩展和深入，目前有学者认为计算思维已形成了2.0的版本[10]，即从单一性转为整体性，从单学科转为跨学科等角度来寻找计算思维的价值和意义．另外，也有学者从微认证的角度对计算思维开展研究[11]．

新工科教育源自于中国成为国际工程联盟《华盛顿协议》成员后，中国高等工程教育提出的一项新举措，旨在通过跨学科、跨院系、跨专业的教育模式，促进不同学科领域之间的交叉融合，培养更多的工程人才．“计算机＋各学科”是新工科教育的核心特征，其目标不仅包括为学生提供解决专业问题的有效方法和手段，还涉及为学生注入和培养创新的思维和方式[12]．因此，计算思维培养也成为新工科教育的一个重要任务．

计算思维综合了抽象思维、逻辑思维和系统思维等特征，是新工科教育中学生必备的素质，计算思维教育也变得越来越重要．新工科教育致力于培养学生的计算思维能力，而通过计算思维的培养，可以有效地锻炼学生利用计算思维解决复杂工程问题的能力，拓展学生的思维方式，提高学生的综合素质．因此，通过学生计算思维的培养拓展其创造性思维和解决复杂工程问题的能力已成为新工科教育中计算思维培养的重要思路．

2 程序设计基础课程中的计算思维培养路径

计算思维培养是新工科建设的重要内容，程序设计基础作为入门计算机专业知识的第一门课程，在计算思维的培养过程中占据非常重要的地位．因此，本研究针对程序设计基础课程提出了一条可行的计算思维培养路径，旨在帮助教师更好地将计算思维融入到程序设计基础课程中，提高学生利用计算思维解决复杂工程问题的能力．

2.1 明确教学目标

当前高校课程的教学目标一般从知识、能力和价值三个维度设计，而现有的课程教学目标往往忽略了计算思维培养的重要作用．因此，在程序设计基础课程中应特别注重明确计算思维能力培养方面的教学目标，该课程从知识、能力、价值三个维度对计算思维进行了融入（见表1）．

在知识目标方面，通过融入计算思维，可以帮助学生更好地了解课程内容的基本概念和原理，如算法、数据结构等．在能力目标方面，计算思维通过帮助学生强化编程思维训练，能够提高抽象思维和问题解决能力、创新和实践能力．在新工科视域下，计算思维培养也具有特殊的价值目标．一方面，计算思维可以提高学生的竞争力，为其职业发展打下坚实的基础；另一方面，计算思维可以促进学生对信息化社会的深入理解，使其更好地适应和参与信息时代的发展．这些价值目标的实现将有助于学生树立正确的人生观、价值观，推动新工科建设，促进社会的持续发展．

表1 计算思维融入教学目标的三个维度

2.2 优化教学内容

教学内容是将计算思维融入课程设计的关键．在设计教学内容时应考虑如何运用计算思维解决问题，并将计算思维作为教学内容的一部分．在程序设计基础课程中，可以设计一些计算思维的案例或者问题，让学生通过编程实践来提高自己的计算思维能力．程序设计基础课程的教学内容及计算思维融入见表2．

表2 程序设计基础课程教学内容及计算思维融入点

另外，在相关内容的设计上，应强调学生的问题解决能力，包括分析问题、确定解决方案、实现方案等步骤．这些步骤是计算思维的核心内容，通过强调这些能力的培养，可以让学生更好地理解计算思维的重要性．同时，在确定解决方案的过程中，应该注重算法设计，帮助学生理解和使用算法思维来解决问题．对于同一问题采用不同的算法解决，可以帮助学生培养和发展多样化的计算思维模式．例如：在实现1到100的整数求和的问题上，既可以使用循环结构从1累加到100的方式实现，也可以通过利用等差数列求和公式的方式实现，要使学生理解这2种方式在实现上的差异，体会算法在解决问题时的重要性．

2.3 改进教学方法

传统的教学方法对计算思维的融入并不充分，为了有效地提高学生的计算思维能力，可根据不同的教学内容采用有针对性的教学方法．例如：将计算思维与启发式教学法、问题驱动教学法、案例教学法等多种教学方法相结合．在启发式教学法中，教师可以通过引导学生提出开放性问题或与实际应用相结合的问题，学生通过个人探究、小组讨论等方式探索问题解决的方法，并通过编程实践验证提出方法的正确性.教师在整个教学过程中对学生进行引导和技术支持，通过这种启发的方式使学生更好地利用计算思维解决实际问题．对于问题驱动教学法，重点是将计算思维融入到问题解决的流程中．在教学过程中，教师应该引导学生如何分析问题、制定计划、实施方案以及评估结果．通过对问题解决过程的引导，学生可以逐步地发展计算思维技能．在案例教学法中，教师应精心设置更多与实际问题相关的案例，使学生更容易理解和接受计算思维的概念．另外，教师可以向学生推荐一些优秀的在线资源和工具，如编程学习网站、在线编程工具等，让学生在学习过程中能够更加高效地应用计算思维．

2.4 改革教学评价

教学评价可以有效评估计算思维的培养效果，帮助教师更好地了解学生的计算思维发展情况，并有针对性地调整教学内容和方法．然而传统的程序设计课程考核主要以期末考试为主，并不能有效反映学生整个学习过程中计算思维的发展情况．因此，可采用多元化的考核评价方式，如课前预习、课堂互动、项目展示、单元测试、章节测试、期中测试、期末测试等．同时，在考核内容的设置上，应加入需要学生运用计算思维解决问题的题目，提高程序分析及设计题目分值的比重，以此评估学生对计算思维的掌握程度，采用的评价体系见图1．

图1 面向计算思维的程序设计基础课程教学评价体系

3 结语

计算思维培养是新工科教育的重要内容，在新工科培养体系中占据重要的地位．本文提出的计算思维培养路径，旨在引导教师更加注重培养学生的计算思维能力，通过明确教学目标、优化教学内容、改进教学方法、改革教学评价等措施，提高学生计算思维能力的培养效果．以计算机科学与技术专业学生为例，通过在课程中融入计算思维，激发了学生学习编程和设计算法的兴趣，学生的平均成绩从2021年的72.3分提高到2022年的80分．另外，通过对学生的课程满意度问卷调查显示，课程满意度在98%以上．该路径的实施虽然以程序设计基础课程为例，但对其他相关课程也具有一定的参考和借鉴意义．通过该路径的实施，可以让学生在学习计算机科学课程中，不仅是了解计算机相关知识的原理和内容，更重要的是培养其计算思维能力，扩展其思维方式，最终促进学生的素质和能力的全面提升．

[1] Tedre M，Denning P J．The long quest for computational thinking[C]//Koli Calling International Conference on Computing Education Research．ACM，2016：120-129．

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

[3] 肖广德，高丹阳．计算思维的培养：高中信息技术课程的新选择[J]．现代教育技术，2015，25（7）：38-43．

[4] 李幸，张屹，黄静，等．基于设计的STEM+C教学对小学生计算思维的影响研究[J]．中国电化教育，2019（11）： 104-112．

[5] Hsu Y C，Irie N R，Ching Y H．Computational Thinking Educational Policy Initiatives（CTEPI） Across the Globe[J]．Tech Trends， 2019，63（3）：260-270．

[6] Kafai Y B，Proctor C．A revaluation of computational thinking in K12 education：Moving toward computational literacies[J]． Educational Researcher，2022，51（2）：146-151．

[7] 教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会．高等学校计算机科学与技术专业人才专业能力构成与培养[M]．北京：机械工业出版社，2010．

[8] 李国杰．信息科学技术的长期发展趋势和我国的战略取向[J]．中国科学（信息科学），2010，40（1）：128-138．

[9] 蒋宗礼．计算思维之我见[J]．中国大学教学，2013（9）：7-12．

[10] 李廉．计算思维2.0与新工科[J]．计算机教育，2020（6）：30-34．

[11] 郁晓华，王美玲，程佳敏，等．计算思维评价的新途径：微认证[J]．开放教育研究，2022，28（1）：107-120．

[12] 邓磊，战德臣，姜学锋．新工科教育中计算思维能力培养的价值探索与实践[J]．高等工程教育研究，2020（2）： 49-53．

Cultivation path of computational thinking of programming fundamentals course under the perspective of new engineering education

ZHU Wenlong1，YANG Shuangshuang2，WEI Liansuo3，LI Changrong1，PAN Haizhu1

（1. School of Computer Science and Control Engineering，2. School of Teacher Education，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China；3. School of Information Engineering，Suqian College，Suqian 223800，China）

In the context of the new engineering， computational thinking has become a necessary skill for graduates in computer-related industries，especially in the field of engineering technology．However，traditional programming education mainly focuses on the features of language and syntax itself，ignoring the cultivation of computational thinking．Takes the course of programming fundamentals as an example，explores the cultivation path of computational thinking，and proposes the implementation methods of teaching objectives，teaching contents， teaching methods，and teaching evaluation of the course．Through the implementation of this path，the cultivation strategy of computational thinking is broadened，which can effectively help students to improve their abilities in computational thinking．

programming fundamentals；new engineering；computational thinking；cultivation path

1007-9831（2023）09-0076-04

TP311.1∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.09.016

2023-03-01

黑龙江省高等教育教学改革项目（SJGY20200780）；黑龙江省教育科学规划重点课题（GJB1421344）；黑龙江省省属本科高校青年创新人才项目（135509234,145109217）；齐齐哈尔大学教育科学研究项目（GJQTYB202208,GJSKYB202001）

朱文龙（1985-），男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，博士，从事计算机网络研究．E-mail：zwl_qqhr@163.com