［摘要］文章闡述在大學(xué)開設(shè)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的必要性，針對目前教學(xué)現(xiàn)狀描述的問題，提出在計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中如何靈活運(yùn)用計算思維，圍繞計算思維的抽象特性和關(guān)注點(diǎn)分離特性，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，以達(dá)到改革計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的目的。

［關(guān)鍵詞］計算機(jī)基礎(chǔ)計算思維信息技術(shù)程序設(shè)計關(guān)注點(diǎn)分離

［中圖分類號］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］2095-3437（2014）02-0082-02

一、計算機(jī)基礎(chǔ)課程開設(shè)的必要性

隨著社會信息化不斷地發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)更多地融入其它學(xué)科和專業(yè)課的教學(xué)中，以計算機(jī)技術(shù)為核心的信息技術(shù)已成為很多專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)組成部分，各專業(yè)對學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用能力也有了更加明確和具體的要求。

2006年，由教育部高教司委托、教指委主持編制的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的意見暨計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》文件明確提出了進(jìn)一步加強(qiáng)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的若干建議，確立了“4領(lǐng)域×3層次”計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容知識結(jié)構(gòu)的總體構(gòu)架，構(gòu)建了“1+X”的課程設(shè)置方案，并將“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”作為第一門課程。

二、教學(xué)現(xiàn)狀

大學(xué)非計算機(jī)專業(yè)的計算機(jī)基礎(chǔ)理論課涵蓋了很多計算機(jī)專業(yè)知識，比如：計算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等。這些知識點(diǎn)本身比較抽象，難以理解，也不易聽懂，學(xué)生普遍認(rèn)為它們與本專業(yè)無關(guān)，再加上部分教師自身知識量儲備不夠從而影響了教學(xué)效果。所以很多學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高并反映到學(xué)校，導(dǎo)致大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課的教學(xué)得不到學(xué)校的足夠重視，學(xué)時被壓縮甚至被取消。在這樣嚴(yán)峻的形勢下，計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革也就勢在必行。

三、計算思維

計算思維一詞由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授于2006年提出，周教授認(rèn)為計算思維應(yīng)該是21世紀(jì)每個人必須具備的基本技能。計算思維是一種新的思維方法，它的本質(zhì)就是抽象和自動化，即如何按照計算機(jī)求解問題的基本方法去考慮問題的求解，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計并理解人類行為，以便構(gòu)建出相應(yīng)的算法和基本程序。依據(jù)周教授的觀點(diǎn)，它包含了簡約、轉(zhuǎn)化、嵌入、仿真、關(guān)注點(diǎn)分解、遞歸思維、并行處理等思維方法，具體內(nèi)容在此就不贅述了。

2010年7月，在由西安交通大學(xué)主辦的“九校聯(lián)盟（C9）計算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會”上，第一次明確地把“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，并進(jìn)一步確立了計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在大學(xué)教育中的基礎(chǔ)地位。

四、信息技術(shù)基礎(chǔ)課程中計算思維的運(yùn)用

南京工業(yè)大學(xué)現(xiàn)在將南京大學(xué)出版社出版的大學(xué)計算機(jī)信息技術(shù)教程作為大一新生計算機(jī)的入門課程，該教材包含計算機(jī)信息技術(shù)概述、計算機(jī)組成原理、計算機(jī)軟件、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字媒體及數(shù)據(jù)庫等知識點(diǎn)。開設(shè)這門課程的目的是拓展學(xué)生的視野，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做好必要的知識準(zhǔn)備，使他們在各自的專業(yè)中能夠有意識地借鑒、引入計算機(jī)科學(xué)中的一些理念、技術(shù)和方法，期望他們能在一個較高的層次上利用計算機(jī)、認(rèn)識并處理計算機(jī)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題。那么，在教學(xué)過程中有意識地運(yùn)用計算思維的理念，就可以幫助學(xué)生理解計算機(jī)中一些比較抽象的概念。

比如，我們可能最常問到的問題是：數(shù)據(jù)是怎么保存到計算機(jī)中的？音頻、視頻和圖片為什么可以在計算機(jī)中展現(xiàn)出來？計算機(jī)和以前的磁帶、膠片有什么區(qū)別？這些都不得不涉及到二進(jìn)制，所以二進(jìn)制實(shí)際上貫穿了大部分知識點(diǎn)。那么，我們在授課中不能只是為講二進(jìn)制而講二進(jìn)制，還需要讓學(xué)生了解到為什么用二進(jìn)制？原來大多數(shù)電子器件都只需要兩種狀態(tài)，這一點(diǎn)決定了使用二進(jìn)制更加方便也容易計算。這正說明了使用計算機(jī)思維和人腦思維的區(qū)別，試想如果使用從學(xué)數(shù)學(xué)開始就知道的十進(jìn)制，那計算機(jī)實(shí)現(xiàn)起來該是多么的復(fù)雜！二進(jìn)制正好體現(xiàn)了計算思維中的簡約。

再比如，計算機(jī)軟件章節(jié)中會講到“文件系統(tǒng)”這個概念。教師可以先提出“文件以什么組織形式保存在計算機(jī)里”、“文件內(nèi)的數(shù)據(jù)是不是連續(xù)存放在計算機(jī)里”、“文件怎么存放更安全”等一系列問題，其目的是培養(yǎng)學(xué)生計算思維的能力。然后教師介紹NTFS文件系統(tǒng)與FAT32文件系統(tǒng)的區(qū)別，讓學(xué)生明白NTFS文件系統(tǒng)更加安全以及文件內(nèi)容非連續(xù)存放的好處，同時讓學(xué)生理解計算思維就是“按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法”。

還比如，數(shù)字媒體章節(jié)中，先讓學(xué)生計算一分鐘的非壓縮視頻文件大小，接著提問這些非壓縮視頻在網(wǎng)絡(luò)帶寬受限情況下傳輸會發(fā)生什么問題？如何解決該問題？這很自然就引出了數(shù)字媒體壓縮的概念，也讓學(xué)生明白了計算機(jī)處理能力與存儲容量之間的矛盾，從而體現(xiàn)了計算思維也是“在時間和空間之間，在處理能力和存儲容量之間進(jìn)行折中的思維方法”。

五、程序設(shè)計基礎(chǔ)課程中計算思維的運(yùn)用

在前述信息技術(shù)基礎(chǔ)課程中計算思維能力的培養(yǎng)，會為后續(xù)程序設(shè)計基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，這兩門課程本身就是一脈相承的。例如：二進(jìn)制會體現(xiàn)在程序設(shè)計的邏輯條件中，文件數(shù)據(jù)非連續(xù)存放會體現(xiàn)在程序設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，數(shù)字媒體壓縮會體現(xiàn)在相關(guān)有損或無損壓縮算法中。然而程序設(shè)計課程中計算思維的培養(yǎng)會更加困難些，因為每門編程語言都有自己固定的語法，也比較抽象，而抽象正是計算思維的本質(zhì)之一，如果不經(jīng)過適當(dāng)?shù)乃季S訓(xùn)練，學(xué)生很可能最后出現(xiàn)“只會背程序不會寫程序”的尷尬境地。

計算機(jī)編程語言知識點(diǎn)繁多，分散但是又相互關(guān)聯(lián)，如果教師的教學(xué)方法不當(dāng)?shù)脑?，很容易讓學(xué)生迷失方向?qū)е聦W(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)心理。教學(xué)中常出現(xiàn)的問題是：填鴨式教學(xué)、照本宣科、不注重知識點(diǎn)間的內(nèi)在聯(lián)系。鑒于此，筆者在C++程序設(shè)計教學(xué)中嘗試采用了如下解決辦法：

1.要求學(xué)生預(yù)習(xí)下次上課（理論課）內(nèi)容，不強(qiáng)求深入研究，只需了解主要知識點(diǎn)，并布置簡單的預(yù)習(xí)作業(yè)。

2.強(qiáng)調(diào)上機(jī)實(shí)驗課的重要性。實(shí)驗課是語言課非常重要的環(huán)節(jié)，它用來鞏固和幫助學(xué)生理解編程語言抽象的語法和語句，是計算思維的實(shí)踐。在上實(shí)驗課前，我們會準(zhǔn)備一些與本次實(shí)驗相關(guān)的習(xí)題或輔助的閱讀材料，這些習(xí)題和材料有助于引導(dǎo)學(xué)生將人腦里的編程算法轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的算法，即培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。上機(jī)前學(xué)生必須完成代碼的草稿版本并在上機(jī)課時給任課教師檢查，上實(shí)驗課時學(xué)生只能調(diào)試程序，同時教師要教授學(xué)生調(diào)試程序的方法。調(diào)試方法往往是教師容易忽視的環(huán)節(jié)，如果學(xué)生知道怎么調(diào)試程序，也就知道程序的運(yùn)行過程和計算機(jī)的思維方式，更容易發(fā)現(xiàn)程序中的錯誤。

3.實(shí)驗課結(jié)束時要求學(xué)生上交實(shí)驗報告，實(shí)驗報告上的程序代碼應(yīng)該是正確的代碼，并且要總結(jié)本次實(shí)驗心得。實(shí)驗心得通常是代碼出錯的原因，也是重新理清編程思路并鍛煉邏輯思維能力的過程。

4.上理論課時注意章節(jié)之間知識點(diǎn)的銜接，可以采用與日常生活比較貼近的項目（案例）驅(qū)動的形式將C++大部分的知識點(diǎn)貫穿起來，比如：飛機(jī)票售票系統(tǒng)。在第一節(jié)理論課時，就告訴學(xué)生本學(xué)期要完成的最終案例的詳細(xì)功能需求，然后在每次上課時都圍繞這個案例提出一些問題，同時需要學(xué)生配合積極開動腦筋尋找問題的解決辦法，接著由這些問題很自然地引出新的知識點(diǎn)，這樣可以一點(diǎn)一點(diǎn)完善進(jìn)而完成案例的一個一個功能，從而慢慢培養(yǎng)學(xué)生如何采用抽象和分解來控制龐雜的任務(wù)，也就是計算思維的關(guān)注點(diǎn)分離。

關(guān)于“關(guān)注點(diǎn)分離”，筆者認(rèn)為這是計算思維非常重要的一個特性，而在C++程序設(shè)計課中也處處體現(xiàn)了這一特性。例如：“類的派生”章節(jié)中，學(xué)生也許理解派生類的概念，但是未必理解派生類究竟可以用在什么地方。學(xué)生畢竟沒有項目工程經(jīng)驗，也很少有條件學(xué)以致用，所以往往知其然但不知其用。這就要求教師在授課中介紹一些項目的架構(gòu)和設(shè)計模式，比如：三層架構(gòu)、簡單工廠設(shè)計模式等等，它們完美地應(yīng)用了“關(guān)注點(diǎn)分離”，也完美地解釋了什么是“類的派生”。有意識地給學(xué)生加強(qiáng)外延知識學(xué)習(xí)，是培養(yǎng)計算思維的一種較好的方式。

六、結(jié)語

計算思維的培養(yǎng)是一個系統(tǒng)工程，不僅要培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，更重要的是首先要培養(yǎng)教師的計算思維能力。以前的教學(xué)方法包括使用的教材都不太適合計算思維能力的養(yǎng)成，所以教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革刻不容緩。但是計算思維能力培養(yǎng)落實(shí)到計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)，難度很大，這需要我們共同探討，還需要教育界各部門的足夠重視。

［參考文獻(xiàn)］

［1］周以真.計算思維［J］.中國計算機(jī)學(xué)會通訊,2007,（11）:83-85.

［2］何欽銘,陸漢權(quán),馮博琴.計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計算思維能力的培養(yǎng)［J］.中國大學(xué)教學(xué),2010,（9）.

［3］何明昕.關(guān)注點(diǎn)分離在計算思維和軟件工程中的方法論意義［J］.計算機(jī)科學(xué),2009,36（4）:60-63.

［4］趙璐,呂俊,李斌.VisualC++程序設(shè)計教程［M］.南京:南京大學(xué)出版社,2009.

［責(zé)任編輯：左蕓］