袁磊　寧彬　谷瓊

摘 要： 在計算機專業(yè)教學(xué)過程中，如何培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的問題是當(dāng)前計算機教育中的熱點課題。結(jié)合培養(yǎng)計算機應(yīng)用型人才的需要，提出并踐行基于計算思維的探究式教學(xué)模式，包括課程教學(xué)改革、上機實踐、評價機制等方面的教學(xué)改革。經(jīng)過兩年多的實踐證明，該模式有助于強化培養(yǎng)計算機專業(yè)學(xué)生的計算思維能力和專業(yè)實踐能力，為高等學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才開展教學(xué)改革提供了新的思路。

關(guān)鍵詞： 計算思維； 應(yīng)用型人才； 教學(xué)改革； 人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）04-62-02

Abstract： Problem of how to cultivate the computational thinking ability for students in the computer teaching is the current hot topic in computer education. Combined with the necessity of the computer applied talent cultivation， the exploratory teaching pattern based on computational thinking is presented and fulfilled， including teaching reforms， practice， assessment mechanism， etc. After more than two years' practice， the results show that this mode can enhance students computational thinking ability and professional practice ability， and provide a new thought on developing teaching reform for cultivating applied talent in higher education.

Key words： computational thinking； applied talent； teaching reform； talent cultivation

0 引言

計算機科學(xué)領(lǐng)域研究成果的不斷豐富和完善，促使計算機技術(shù)廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如普適計算、商業(yè)智能、計算金融學(xué)、計算生物學(xué)、計算醫(yī)學(xué)等。計算機與這些學(xué)科之間的交叉越來越深入，單單依靠具有學(xué)術(shù)教育背景的傳統(tǒng)研究型計算機人才雖然是不夠的，所以培養(yǎng)能夠快速地將計算機技術(shù)應(yīng)用于某一領(lǐng)域，解決該領(lǐng)域具體計算問題的計算機應(yīng)用型人才非常重要。有計算機專業(yè)背景的研究人員往往被視為“編程者”，但隨著計算機無處不在，使用計算機的難度越來越低，設(shè)計數(shù)據(jù)庫、編寫計算機程序和復(fù)用它們的難度也不斷降低[1]。計算機技術(shù)人員正在從單純的編程實現(xiàn)脫離出來，從配角轉(zhuǎn)為主角，逐步地改變各學(xué)科研究人員對各自領(lǐng)域的認(rèn)識和思考方式。這種現(xiàn)狀要求計算機應(yīng)用型人才不僅有扎實的編程能力和計算機學(xué)科基礎(chǔ)，也應(yīng)該擅長計算思維，能夠抽象和分解問題。

雖然一些計算機教育者正在教學(xué)過程中推進(jìn)計算思維能力的培養(yǎng)，但是對于計算思維的總體認(rèn)識和教學(xué)把握仍然處于摸索階段，還沒有形成一套完整的方法體系。

1 計算思維

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授在ACM雜志上提出，計算思維是每個人的基本技能，我們應(yīng)當(dāng)使每個孩子在培養(yǎng)解析能力時不僅掌握閱讀、寫作和算術(shù)，還要學(xué)會計算思維。他指出：計算思維是運用計算機科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。學(xué)會計算思維，是在信息社會中創(chuàng)新的需要。要培養(yǎng)出創(chuàng)造性人才，教育在思想和方法上就必須擺脫傳統(tǒng)教學(xué)的偏見，讓學(xué)生運用高效的思維去思考[2]。概括的說，計算思維與數(shù)學(xué)思維非常類似，是一種形式化描述思維，充分體現(xiàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、形式化的、?guī)整的邏輯思維。

目前，計算思維在教學(xué)和培訓(xùn)中的應(yīng)用正逐步展開。2008年，美國國家計算機科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會（CSTA）在網(wǎng)上發(fā)布了得到美國微軟公司支持的 《計算思維：一個所有課堂問題解決的工具》報告。國內(nèi)，多位專家學(xué)者也對此進(jìn)行了一些有益的探索。2008年10月，我國高等學(xué)校計算機教育研究會召開專題學(xué)術(shù)研討會，根據(jù)“計算思維”領(lǐng)域的研究以及它在科技創(chuàng)新與教育教學(xué)中的重要作用，探討在教學(xué)過程中如何以課程為載體講授面向?qū)W科的思維方法，以共同促進(jìn)國家科學(xué)與教育事業(yè)的進(jìn)步。2009年12月，中國計算機學(xué)會青年計算機科技論壇舉辦“計算思維”專題論壇。

基于計算思維的教學(xué)核心理念是培養(yǎng)聰明的學(xué)習(xí)者，教師不僅要教會學(xué)生如何解決問題，也要教會學(xué)生發(fā)現(xiàn)值得解決的問題。通過為學(xué)生提供足夠的思維空間，激勵和引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問題所在，繼而解決問題。一方面，以培養(yǎng)計算思維能力為目的，實現(xiàn)學(xué)生在計算思維活動中學(xué)習(xí)；另一方面，學(xué)習(xí)計算思維本身，這兩個方面相輔相成。基于計算思維的學(xué)習(xí)目的是為了創(chuàng)造，計算思維發(fā)展水平是學(xué)生成才的關(guān)鍵，計算思維教學(xué)對學(xué)生現(xiàn)在以及將來具有非常重要的影響。

2 基于計算思維的探究教學(xué)模式

為了在教學(xué)和實踐中融入計算思維，依據(jù)計算思維的方法和教學(xué)特點，提出基于計算思維的探究教學(xué)模式：教師確定教學(xué)內(nèi)容，包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)、教學(xué)流程，并以問題的形式呈現(xiàn)給學(xué)生；學(xué)生面對問題，尋找?guī)椭?、提出解決方案、解決問題；運用計算思維方法、過程監(jiān)督與指導(dǎo)，注重共享交流和反思評價。

基于計算思維的探究教學(xué)模式強調(diào)以學(xué)生為中心，把教師的教學(xué)活動和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動以待解決的問題為主線貫穿起來，并在整個教學(xué)活動中貫穿計算思維的一系列方法：遞歸、抽象、分解，以及在不確定性情況下的規(guī)劃和利用啟發(fā)式的推理來尋求解決問題等，通過解決問題來激發(fā)學(xué)生的興趣和動機，通過教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)過程的設(shè)計和教學(xué)評價體系的構(gòu)建實現(xiàn)對計算思維能力的培養(yǎng)。也就是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念對問題進(jìn)行求解、系統(tǒng)設(shè)計和行為理解，即建立計算思維[3]。

計算思維應(yīng)用到計算機專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程的核心任務(wù)是，教會學(xué)生面對求解問題，從構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運作等四個層面去分析、抽象，拿出應(yīng)用計算機求解問題的思路，并以團(tuán)隊式和工程化的方法去設(shè)計、實現(xiàn)和運作，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維能力的目的。

3 計算思維在應(yīng)用型人才培養(yǎng)的應(yīng)用實踐

在課程教學(xué)中，從講授方式、上機實踐及評價機制三大環(huán)節(jié)，注重用計算思維的方法來引導(dǎo)學(xué)生研究問題。

3.1 以計算思維為核心，實施課程教學(xué)改革

明確將計算思維融入到課堂教學(xué)，將傳統(tǒng)的知識傳授轉(zhuǎn)變?yōu)榛谥R的思維傳授，以提高學(xué)生運用計算機知識抽象和分解問題的能力。在課堂講授中，從各種現(xiàn)實世界問題出發(fā)，圍繞分析問題和解決問題的過程，采用一種對教學(xué)有利的程序設(shè)計語言，講授一些典型的實例、可能的解決方案以及在計算中一些必要的計算機基礎(chǔ)知識。啟發(fā)學(xué)生針對新問題尋找更好的問題解決方案。鼓勵學(xué)生運用計算思維求解問題并編寫一些簡單的、可解決實際問題的程序。

以計算機相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程——“程序設(shè)計基礎(chǔ)”為例，從內(nèi)容上進(jìn)行改革，力求從講授一門程序設(shè)計語言及其應(yīng)用，轉(zhuǎn)變?yōu)橹v授“思想和方法”。以發(fā)現(xiàn)問題→分析問題→尋求多種解決方案→對各種解決方案比較選優(yōu)→實現(xiàn)解決方案的“問題求解驅(qū)動式程序設(shè)計”訓(xùn)練方法，盡可能逼近解決真實世界問題的模式，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性。

教師在教學(xué)過程中要精心組織教學(xué)素材，不但要講授課程的相關(guān)知識，而且要介紹一些與問題有關(guān)的領(lǐng)域知識，注重由應(yīng)用導(dǎo)入知識點。

3.2 基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的本質(zhì)需要，加強上機實踐

在知識體系構(gòu)建過程中，注重學(xué)生計算思維和實踐能力的培養(yǎng)，合理設(shè)置實驗課程的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在應(yīng)用過程中尋找解決問題的多種方法、掌握計算機應(yīng)用技術(shù)。

在上機實踐環(huán)節(jié)，采用個人作業(yè)和小組集體作業(yè)的組織方法。學(xué)生完成個人作業(yè)是可以運用所學(xué)課程的知識獨立分析實際問題和解決實際問題，并在實踐環(huán)節(jié)中不斷加深對計算思維的理解和運用，提高個人獨立分析問題、解決問題的能力。

小組集體作業(yè)，由3-5名學(xué)生完成一個作業(yè)。教師可以給定選題，學(xué)生也可結(jié)合自己的專長和興趣進(jìn)行選題。小組集體作業(yè)可以針對某個問題采用不同的方法，開發(fā)一個程序。通過這樣的團(tuán)隊合作使學(xué)生了解和體會團(tuán)隊合作在解決大型、復(fù)雜科學(xué)問題中的重要性。

在實踐教學(xué)過程中，強調(diào)學(xué)生的主體地位，以及學(xué)生之間相互交流的重要性。創(chuàng)造機會讓學(xué)生展示個人的成果。這樣通過合理的思維碰撞、討論，加強計算思維的滲透，可以更好地調(diào)動起處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)、思維活躍度不高的學(xué)生。

3.3 遵循思維的多樣化，建立多維的評價機制

計算思維是一種思維方式，不是一個具體的技能或事物。因此在教學(xué)過程中，學(xué)生是計算思維能力培養(yǎng)的思維主體，具有主觀能動性，可呈現(xiàn)出計算思維的多樣性。對計算思維的多樣性，教師應(yīng)持有一定的寬容態(tài)度，并適當(dāng)?shù)卦趯W(xué)生之間加以評價和引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生對同一個問題進(jìn)行多視角分析，提升思維的靈活性和創(chuàng)造性[4]。由此可見，建立多維的評價機制也十分重要。

為了客觀評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)的結(jié)果，建立面向過程和結(jié)果的雙重性評價機制，包括個人自評、學(xué)生互評、教師評價等方面，開展過程性評價，及時改進(jìn)教學(xué)過程，并以學(xué)生演示、答辯的形式作為最終評價，以檢驗學(xué)生綜合應(yīng)用能力。這種多維評價機制有利于促使學(xué)生注重計算思維和自主學(xué)習(xí)，從而更有利于教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

自2011年9月開始在我院計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程專業(yè)的教學(xué)過程中，融入計算思維能力的培養(yǎng)，開展了相應(yīng)的教學(xué)改革。通過在教學(xué)和實踐中融入計算思維，讓學(xué)生在思考中面對問題并解決問題，不斷促進(jìn)學(xué)生計算思維能力的提高，從而達(dá)到讓學(xué)生成為問題的解決者而不僅是軟件技術(shù)員的目的。通過兩年多的摸索和實踐，我院計算機相關(guān)專業(yè)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)能力和計算思維能力得到了很大提高，綜合素質(zhì)明顯增強，個人能力得到全面提升，對于培養(yǎng)應(yīng)用型計算機專業(yè)人才起到了示范作用。

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