計算機基礎教學中計算思維培養
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［摘要］文章從獨立學院現有計算機基礎教學的現狀出發，提出將計算思維引入基礎教學中，目的在于培養學生具備以設計和構造為主要特征的思維能力。這種教學改革需要對現有教學從目標、內容、方法和考核手段等方面進行優化。其改革成果對于今后的獨立學院教育轉型具有重要意義。
計算機基礎教學在大學教育中地位非常重要，它對學生知識結構、思維方式以及創新能力的培養等有積極的作用。但近幾年在“狹義工具論”［1］的影響下，計算機基礎教學也暴露出一些問題。為了適應計算機科學技術發展的新趨勢，高等院校特別是獨立學院的計算機基礎教學更應該積極轉變教學思路，不能簡單地將如何使用計算機作為培養學生的最終成果，而是應該將具備以設計和構造為主要特征的計算思維能力的培養作為教學目標。這不僅為獨立學院的基礎教育開拓了新思路，也對著力于打造應用型本科人才的教育起到重要的作用。
一、獨立學院計算機基礎教學的目標及現狀
以江蘇省獨立學院為例，現階段計算機基礎教學的目標是使非計算機專業的學生不僅掌握計算機的操作使用方法，而且還要了解計算機信息處理的知識、原理與方法。南京師范大學中北學院具體的教學實施辦法是入學第一學期安排非計算機專業的學生接受計算機信息技術的基礎通識教育，第二學期在通識教育的基礎上，理科學生進一步接受程序設計課程的學習。學生在課程學習結束后統一參加江蘇省高等學校計算機等級考試，其中文科和藝術類專業學生參加一級考試，理科專業學生參加二級考試。筆者從事計算機基礎教學十幾年，深刻體會到此種教學模式在獨立學院中有其積極的一面，也不可避免地存在一些問題。
1.信息技術發展過快與教學內容之間存在矛盾。信息技術的飛速發展對教學內容的設計提出嚴峻的考驗。在有限的教學課時中過多地強調計算機理論知識會使學生失去學習的興趣和積極性，然而過多地講解前沿知識，又會使缺乏基礎知識支撐的學生產生無源之水、無本之木的疑惑。
2.計算機基礎教育的作用在教學中存在誤解。長期以來計算機和信息技術被社會看作高科技工具，這種狹隘的“工具論”完全忽略了計算機技術與其他學科之間的滲透融合，有些學生甚至有些教師簡單認為計算機基礎課程旨在教會學生如何使用一些軟件，與專業學習無關。因此有些高校錯誤地將計算機基礎課程壓縮課時，甚至安排學生自學完成。
3.學生入學時計算機基礎水平不一給統一課堂授課帶來困難。現階段隨著計算機的大量普及，學生接觸計算機的程度明顯加強，但由于我國地域經濟發展不平衡以及各地區中學對計算機教育重視程度不同，導致高等學校入學新生的計算機知識和操作使用能力參差不齊。如何彌合零起點和非零起點學生的知識與技能的差異，是教師在教學過程中需要著力解決的問題。
4.教學內容與學生所學專業之間無關聯使教學雙方產生教學困惑。在實際教學中，一方面由于教學課時有限而課程知識點繁多，教師在講授計算機基本知識時多半是講解復雜的概念和抽象的定義，根本無暇顧及所教學生的專業知識背景；另一方面授課教師一般是計算機專業出身，而所教的非計算機專業則涉及文、史、經濟、生化等各個學科，如何按照專業的不同需求分類分層次組織教學，也給授課教師帶來一定的困難。
二、計算思維的提出
計算思維的提出，為今后的計算機教學工作指明了新的方向。九校聯盟（C9）計算機基礎課程研討會上達成一致共識：要旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務［2］。
（一）計算思維的概念
思維是在表象、概念（腦中所想事物）的基礎上進行分析、綜合、判斷、推理等認識活動的過程。計算思維（ComputationalThinking）是2006年3月由時任美國卡內基.梅隆大學（CMU）計算機科學系主任、現任美國基金會（MSP）計算機和信息科學與工程部（CISE）主任的周以真（JeannetteMW）教授在美國計算機權威刊物Com⁃municationsoftheACM上首次提出的概念。他認為“計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為。它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動”［3］。計算思維是指培養學生養成一種“像計算機科學家一樣思考”的能力，這種能力應該如同我們在成長過程中學會的掌握閱讀、寫作和算術（Reading，WritingandArithmetic——3R）能力一樣，作為人類進行問題求解的有效工具，具有普適性，即是每個人都應該掌握并學會使用的。具備這種以設計和構造為主要特征的思維能力，才能在今后的專業學習和工作中高效率地解決復雜和大規模的問題。
（二）計算思維的提出開拓了現階段計算機基礎教學的新思路
計算思維是具有普適性的思維訓練，將它引入計算機基礎教學，不僅可以避免由“狹隘工具論”帶來的錯誤思想，而且開拓了計算機基礎教學的新思路。隨著地區經濟與教育水平的不斷提高以及計算機信息技術在操作友好性方面的不斷改善，學生對于計算機具體操作方面的能力越來越強。如果大學計算機基礎教學還在重復簡單的操作教學，其實是在浪費寶貴的教學資源。1.計算機不再僅僅局限于計算工具，現階段它的廣泛應用不僅影響著我們的生活、思維方式和思維習慣，而且也深刻影響著我們的思維能力。培養學生具備計算思維能力，真正做到授人以漁，使受教育者掌握了“像計算機科學家一樣思考”的能力，才是計算機教學遵循的最高目標。2.計算思維能力是現階段人才培養不可或缺的組成部分。具備通用性的計算機信息技術以其飛快的發展速度推動了各個學科的不斷進步。同時，如同早期的數學學科一般，幾乎每個學科都會與計算機學科產生交集，發展交叉學科。所以，今后的人才培養不能僅局限于本學科的知識傳授，更需要塑造能涉及多門學科的全方面人才，其中計算思維能力是必備素質之一。3.計算思維的培養提供了計算機基礎教育的新內容。計算機技術發展之快令人始料未及，幾乎沒有哪所高校、哪本教材能夠完全跟上它的發展節奏，學校里傳授的知識總是滯后的。所以掌握最基本的計算機原理，培養計算思維能力，才是計算機基礎教學的核心任務所在。4.計算思維作為學生必須具備的素質，為其專業學習提供了更多的學習方法。當計算思維與學生專業知識背景有效地結合起來，可以使他們更有能力解決復雜的實際問題，進而激發學習熱情和創新能力，拓展對周圍世界的理解。
三、計算思維的培養需要對計算機基礎教育多個方面進行革新
計算思維概念的提出，使得計算機基礎教育摒棄了以往簡單地針對計算機理論和操作的教學思路，將培養學生形成持續地利用計算機學科中約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，來解決今后工作學習中專業問題的思維習慣作為主要目標［4］。這需要在教學目標、內容、方法和考核方式等多個方面進行革新。
（一）轉變思想轉變思想，將計算思維能力的培養作為長期的教學目標
計算機技術教育的學科價值不僅是讓學生掌握必要的計算機知識和技能，更重要的是培養學生運用這些知識和技能解決實際問題的能力。思維的培養是個長期漸進的過程，不能局限于在大學計算機基礎一門課程中。“九校聯盟聲明”中指出：“將計算思維能力培養作為計算機基礎教育的核心任務，是一個較為長期的過程，也是需要我們不斷探索、努力實踐的過程。”這充分說明“培養學生計算思維能力”這個任務的長期性和艱巨性。多年以來，計算機基礎課作為本科教學的入門公共基礎課程被安排在高校非計算機專業的低年級科目中，課程結束后就鮮有與計算機相關的后續課程。但事實上培養學生形成一種運用計算機科學的基礎概念來求解問題、設計系統和理解人類行為的能力不是一學期一門課可以形成的，因此計算思維的培養應在計算機基礎課程的基礎上發展衍生課程，縱向貫穿于各個專業的通識教學階段。
（二）優化教學內容優化教學內容，引入計算思維的訓練
計算思維的培養具體來說可以分為學生的邏輯推理、算法思維、問題解決的設計和結構等方面能力的培養。筆者根據自身多年的教學經驗以及計算思維的指導思想，試探性地提出將計算思維的一般方法融入教學內容中，摒棄以往的概念理論式的說教，針對獨立學院學生的具體情況采用不同的教學側重點，將課程內容做相應的調整。獨立學院的學生入學時的分數線屬于本科招錄的第二批次，相對來說成績中等偏下。這部分學生往往基礎相對較弱，學習的主動性和自主性不強，因此在教學培養目標上應適當減弱對理論知識的研究，多重視學生解決實際問題能力的培養。第一門課強調的是思維訓練而不是具體實現［5］。針對大部分非計算機專業的學生，在現有的教學內容上適當壓縮刪減計算機復雜的理論知識和簡單的計算機操作練習，將整個系統學習分為兩個階段。第一學習階段保留最基本的計算機相關原理，引入計算思維培養與訓練；第二學習階段涉及少量的高級計算機應用，如編程、開發信息系統等，旨在提高計算思維的應用能力。由此大致分配教學側重點，以“大學計算機基礎”課程為例介紹具體教學內容和方法。
（三）教學方法需要轉變成為知識傳授加思維訓練的模式
將計算思維能力的培養作為教學的核心任務，需要一套適合思維訓練的教學模式，其中關鍵點是要激發學生的興趣，引導學生積極地參與思考和創新。就具體的課堂組織教學模式而言，教師可以采用任務驅動、翻轉課堂等方法，即在學生課前充分預習的基礎上，教師先拋出案例或者與知識點相關的問題，然后歸納、描述問題，接下來組織學生討論或者實踐來尋找解決問題的方法，討論完之后再由教師系統地介紹解決問題的方法和知識，最后進行方法和知識的推廣并滲透到其他知識領域中去。在教學過程中注重培養學生采用邏輯推理、算法設計等方法解決問題的能力。下面以第三章“計算機軟件”中操作系統的部分知識點為例說明引入計算思維培養的課程授課方法。1.教師在課堂授課環節中首先介紹操作系統的主要任務是“對計算機的軟硬件資源進行管理和調度”。2.拋出生活中的問題供學生思考討論，如“在超市排隊結賬過程中，如何安排顧客的先后順序比較高效？在強調效率的前提下如何兼顧公平？”“兩只山羊要從兩個方向過橋，如何才能讓它們不在橋上僵持？”等。3.由生活中的例子引申到操作系統中，學習操作系統中的作業管理、死鎖等知識點。4.學習作業調度算法、避免死鎖的銀行家算法等，并鼓勵學生根據問題設計自己的相關算法。5.教師歸納總結，針對不同學生的專業背景進行知識推廣和滲透。教師在授課過程中，由于不同專業學生有不同的學科背景，因此對學生計算思維的培養側重點也應有所不同。對于文科、經濟類學生，計算思維的培養可以傾向于數據的收集與挖掘，使其更多地掌握從數據中獲得知識和規律的方法；對于理科專業學生，可重點培養算法的學習與應用，使其在今后研究問題和解決問題時可以利用計算思維創建模型和進行模擬仿真。
（四）改革考核方式改革考核方式，將是否具備計算思維能力作為考核的重點
將計算思維的培養引入計算機基礎教學，就不能僅僅考查學生使用計算機的能力，而要考查學生是否具備了計算思維的能力。考查內容建議可以分為以下三個部分：第一部分為計算機相關知識考核，分值比例可以為20%-30%，考試形式可以為閉卷筆試或上機實踐。第二部分重點考查學生利用遞歸思維、抽象與分解、啟發式推理等方法具體解決實際問題的能力，分值比例可以為60%-70%，考試形式可以是論文闡述、課程設計、學習報告等形式。第三部分可以將每次課堂的討論與學生的算法設計作為考核的補充部分，分值比例可為10%-20%，用于激發學生的學習動力與創新能力。多種考核形式相結合，重點突出，難易相輔，既考查學生計算機基礎知識的掌握程度，又加入計算思維能力的評估，體現重視能力培養的多元化教學方針。
四、結語
擺脫以操作技能培養學生計算機能力的狹隘觀點，將計算思維能力的培養作為計算機信息技術基礎課程的教學核心，使學生掌握采用抽象和分解來解決龐雜的任務的方法，從而提高了學生的綜合素質。這對獨立學院的教師、學生都提出了更高的要求，而從長遠角度看，這對于信息時代背景下的獨立學院轉型、人才培養以及教育改革都具有十分重大的意義。
［參考文獻］
［2］何欽銘，陸漢權，馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養：《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》解讀［J］.中國大學教學，2010（9）：5-9.
［3］陳國良，董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育［J］.中國大學教學，2011（1）：7-11+32.
［4］牟琴，譚良.計算思維的研究及其進展［J］.計算機科學，2011（3）:10-15+50.
［5］李波:計算思維與大學計算機基礎［J］.中國大學教學，2012（7）:43-45.
作者：張潔 單位：南京師范大學中北學院
