鄭妍　葛冬梅　陸上

[摘 要]隨著現(xiàn)代大學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平的普遍提高，高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程原有的教學(xué)內(nèi)容急需改變，不能僅著眼于軟件工具的使用，而應(yīng)更加強(qiáng)調(diào)思維方法和能力的培養(yǎng)。對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)知能力和應(yīng)用計(jì)算機(jī)的問題求解能力是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)中最主要的兩個(gè)學(xué)科專業(yè)能力。將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)能力培養(yǎng)的核心極大的豐富了教學(xué)內(nèi)容。改革是一個(gè)長(zhǎng)期，累積的過程，需要廣大教育者不斷的探索和實(shí)踐。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算思維 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程 問題求解框架 算法

[中圖分類號(hào)] G423.07 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）05-0142-02

2006年Jeannette M.Wing提出“計(jì)算思維”的概念，其定義是：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為。2010年《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》（以下簡(jiǎn)稱“C9聯(lián)合聲明”）也強(qiáng)調(diào)“需要把培養(yǎng)學(xué)生的‘計(jì)算思維能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)”。在此背景下，“在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中增強(qiáng)計(jì)算思維培養(yǎng)”已經(jīng)成為共識(shí)。自2012年7月舉辦“第一屆計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革研討會(huì)”以來，許多從事大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的老師展示了不同角度的研究成果。但是，如何使學(xué)生學(xué)會(huì)用計(jì)算思維去思考問題和解決問題，進(jìn)而提高學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)知識(shí)抽象分析問題的能力，仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

一、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程發(fā)展過程與現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代以來，大學(xué)普遍開設(shè)非計(jì)算機(jī)專業(yè)第一門計(jì)算機(jī)課程，在這二十幾年的發(fā)展過程中為適應(yīng)人才培養(yǎng)需求，不斷調(diào)整，共經(jīng)過兩大變革。

1997年教育部高教司發(fā)布了《加強(qiáng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)工作的幾點(diǎn)意見》（即155號(hào)文件），標(biāo)志著計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的第一次重大改革。此次改革確立了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的“計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)-計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)-計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)”3個(gè)層次的課程體系，對(duì)課程體系作了規(guī)范化研究，并且確立了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的地位。

第二次改革開始于2004年。在《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的意見暨計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》中，明確了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)“4領(lǐng)域×3層次”的內(nèi)容知識(shí)結(jié)構(gòu)總體構(gòu)架，構(gòu)建了“1+X”的課程方案，并將“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”作為大學(xué)生接觸計(jì)算機(jī)技術(shù)的第一門課程。此項(xiàng)改革促進(jìn)了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)向規(guī)范、科學(xué)、成熟的方向發(fā)展。

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的這兩次重大改革中有成功的經(jīng)驗(yàn)，但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步，一些新的問題逐漸凸現(xiàn)出來。首先，如何培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教學(xué)目標(biāo)不明確。其次，課程體系與專業(yè)脫節(jié)，設(shè)置比較單一，難以滿足學(xué)生的個(gè)性需求。最后，教學(xué)手段和教學(xué)方法不夠多樣化，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高。此時(shí)，“C9聯(lián)合聲明”為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革指明了新的方向。

二、計(jì)算思維與計(jì)算基礎(chǔ)課程結(jié)合的誤區(qū)

基于計(jì)算思維的教學(xué)改革問題在我國(guó)已被提到議事日程，但目前還缺乏完全成功的可被復(fù)制的案例模型。圍繞著“怎樣將計(jì)算機(jī)思維融入計(jì)算基礎(chǔ)教學(xué)？衡量改革成功的標(biāo)準(zhǔn)是什么？”等問題討論激烈，觀點(diǎn)頗多。其中，也易走入一些誤區(qū)。

（一）重點(diǎn)講授計(jì)算思維的概念

早期，在計(jì)算機(jī)還沒有普及的時(shí)候，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)主要是圍繞計(jì)算機(jī)使用而展開的。然而，自20世紀(jì)末開始，隨著計(jì)算機(jī)普及，高中階段計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)普及率逐漸提高，許多學(xué)生大一時(shí)已經(jīng)具備了一定的使用計(jì)算機(jī)和應(yīng)用程序的能力，于是有作者指出計(jì)算機(jī)使用能力的培養(yǎng)應(yīng)該從大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)體系中移除，重點(diǎn)講計(jì)算思維的概念。這種觀點(diǎn)過于簡(jiǎn)單粗暴。由于地區(qū)差別、城鄉(xiāng)差別，大學(xué)新生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力參差不齊，作為教育者，應(yīng)該本著“因材施教”的態(tài)度為學(xué)生找到準(zhǔn)確定位，而不能魯莽的“一視同仁”。 “計(jì)算思維”絕不能脫離具體的應(yīng)用，否則很難引起學(xué)生共鳴。

（二）引進(jìn)某種語言，就是計(jì)算思維

為了更形象化的展示“程序自動(dòng)化”，“迭代”等思維的實(shí)現(xiàn)，需要選擇一個(gè)讓學(xué)生能接受的算法描述方法，例如語法簡(jiǎn)單的高級(jí)語言Python、Ruby，專門設(shè)計(jì)的教學(xué)語言Logo等。但是，在課程改革的浪潮下，有些人簡(jiǎn)單的認(rèn)為“思維”就是“算法”，引進(jìn)了某種語言就是改革。然而，會(huì)編程序并不等同于掌握了計(jì)算思維。思維是由一系列知識(shí)所構(gòu)成的完整的解決問題的思路，它包括：“0和1”代表的數(shù)據(jù)抽象思維，由計(jì)算機(jī)工作原理延伸出的自動(dòng)化思維，“算法”引領(lǐng)層次化、結(jié)構(gòu)化、對(duì)象化求解問題的思維，以及“數(shù)據(jù)化和網(wǎng)絡(luò)化”的新型思維模式。如果沒有思維的培養(yǎng)，那么學(xué)生只是學(xué)會(huì)了操作軟件，對(duì)學(xué)科的研究和創(chuàng)新并無助益。所以，一定要明確語言實(shí)現(xiàn)是為思維培養(yǎng)而服務(wù)的。

（三）1-2門課程就想達(dá)到培養(yǎng)計(jì)算思維的目標(biāo)

不同人的計(jì)算思維處于不同層次，但可以轉(zhuǎn)化。計(jì)算思維的培養(yǎng)應(yīng)本著分級(jí)、分層的觀點(diǎn)進(jìn)行培養(yǎng)和訓(xùn)練，而且是一個(gè)漸進(jìn)的、累積的過程，不能僅僅針對(duì)一門大學(xué)計(jì)算機(jī)課程進(jìn)行改革，未取得實(shí)效就輕易下結(jié)論。筆者認(rèn)為要想達(dá)到培養(yǎng)的目標(biāo)需要三個(gè)階段：首先是思維模式的建立，其次是知識(shí)及技能的訓(xùn)練，最后是知識(shí)及技能的擴(kuò)展，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用能力。所以，整個(gè)培養(yǎng)過程應(yīng)該貫穿于本科和研究生的學(xué)習(xí)生活中。

三、計(jì)算基礎(chǔ)課程與計(jì)算思維結(jié)合的探索

在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)實(shí)踐階段，我們對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)進(jìn)行了一些嘗試，以大學(xué)計(jì)算機(jī)課程為例，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）計(jì)算系統(tǒng)的基本思維

以往的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)注重的是知識(shí)的普及，比如第一堂課會(huì)按部就班的講授計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史，各個(gè)部件的名稱等，學(xué)生的參與度低，學(xué)習(xí)積極性不高。其實(shí)，對(duì)歷史的回顧不是要記住某個(gè)歷史事件及人物，而是要觀察技術(shù)的發(fā)展路線，觀察其帶給我們的思想性的啟示。要透過“0和1”的抽象，馮.諾依曼計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和不同抽象層次計(jì)算機(jī)的介紹，使學(xué)生能夠遞進(jìn)的理解計(jì)算系統(tǒng)的工作原理。之后可以組織學(xué)生討論、總結(jié)計(jì)算機(jī)發(fā)展中不變的本質(zhì)規(guī)律，展望未來計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)未來的前瞻性和未知領(lǐng)域的好奇心。

（二）簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)抽象及建模

EXCEL模擬分析是對(duì)計(jì)算思維中存儲(chǔ)、自動(dòng)執(zhí)行、抽象、轉(zhuǎn)化、仿真、建模、數(shù)據(jù)計(jì)算和啟發(fā)式推理等概念的一個(gè)精彩展示。在講授到OFFICE辦公軟件應(yīng)用時(shí)，可以引進(jìn)一些案例。例如，在教學(xué)過程中，先給學(xué)生展示一張0～2歲男童和女童按月齡寫下的標(biāo)準(zhǔn)身高體重信息表，之后利用散點(diǎn)圖、趨勢(shì)線和線性擬合得出結(jié)論：2歲內(nèi)兒童身高與體重呈線性生長(zhǎng)；男童的身高增長(zhǎng)速度略快于女童。通過圖和表的對(duì)比，數(shù)據(jù)與模型的轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生更直觀的了解到如何利用計(jì)算手段進(jìn)行創(chuàng)新和研究。

（三）問題求解框架和算法

算法思維是典型的計(jì)算思維，也是教學(xué)中最需加強(qiáng)的環(huán)節(jié)?？梢酝ㄟ^排序、遞歸等精選算法問題的討論和探索，使學(xué)生建立起算法的思維方式和基本研究方法。如遞歸算法，主要培養(yǎng)的是“構(gòu)造”的能力，即用有限的語句來定義對(duì)象的無限集合。考慮到大一新生編程基礎(chǔ)大多為零，在講解時(shí)可以忽略具體語言的語法或書寫規(guī)則，而僅介紹其構(gòu)造思想。需要指出的是，除了算法類問題求解框架，系統(tǒng)類問題求解框架的建立也很重要，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化建模與面向?qū)ο蠼５幕舅季S是現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)語言的基本組成要素，是為后續(xù)程序類課程奠定基礎(chǔ)的。

（四）數(shù)據(jù)抽象、設(shè)計(jì)思維的建立

數(shù)據(jù)已經(jīng)滲透到每個(gè)行業(yè)和業(yè)務(wù)領(lǐng)域，與人們的生活密切相關(guān)。數(shù)據(jù)聚集的核心手段是數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)分析與利用的核心手段是數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘。為了讓學(xué)生更易接受，可以采取案例化教學(xué)手段，通過型關(guān)系數(shù)據(jù)庫，逐步指導(dǎo)學(xué)生了解數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成、關(guān)系操作、查詢語言等。在講到聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘時(shí)，可以以超市數(shù)據(jù)庫為例講解，再以微博數(shù)據(jù)為例組織討論。授課時(shí)，要重點(diǎn)使學(xué)生建立起以數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析與挖掘利用的思維方式，進(jìn)而理解計(jì)算學(xué)科的基本研究方法——抽象、理論與設(shè)計(jì)。

（五）網(wǎng)絡(luò)化社會(huì)的網(wǎng)絡(luò)化思維

隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)體現(xiàn)的虛擬網(wǎng)絡(luò)也在不斷發(fā)展，與現(xiàn)實(shí)生活中的網(wǎng)絡(luò)不斷交融，網(wǎng)絡(luò)社會(huì)需要網(wǎng)絡(luò)化的思維。授課時(shí)在書本原有的教學(xué)內(nèi)容上可以繼續(xù)擴(kuò)展，除了讓學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)基本通信原理之外，還可以“圖”作為抽象手段，引入一些網(wǎng)絡(luò)的基本計(jì)算問題。例如網(wǎng)絡(luò)的路徑與連通性問題，網(wǎng)絡(luò)的距離問題，網(wǎng)絡(luò)流量問題，網(wǎng)絡(luò)的分布與并發(fā)利用問題等。通過師生間的討論和探討，使學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境的基本研究方法。

據(jù)研究，對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)知能力和應(yīng)用計(jì)算機(jī)的問題求解能力是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)中最主要的兩個(gè)學(xué)科專業(yè)能力。將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)能力培養(yǎng)的核心極大的豐富了教學(xué)內(nèi)容。改革是一個(gè)長(zhǎng)期，累積的過程，需要廣大教育者不斷的探索和實(shí)踐。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[4] 戰(zhàn)德臣，聶蘭順，徐曉飛.計(jì)算之樹——一種表述計(jì)算思維知識(shí)體系的多維框架[J].工業(yè)和信息化教育，2013（6）.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]