何嘯峰, 李海燕, 鹿江春

(南華大學 計算機學院, 湖南 衡陽 421001)

1 計算思維能力培養(yǎng)研究的緣起

2006年, 美國卡內基·梅隆大學計算機系主任周以真(Jeannette M.Wing)教授在美國計算機權威雜志CommunicationoftheACM正式提出“計算思維”概念并給出了相應的定義與說明。周以真認為,計算思維不是計算機科學家的專屬技能,而是數字化時代每一個人都應具備的基本技能,“2050年前,要讓地球上每一位公民都具有計算思維能力”[1]。2007年,周以真教授在卡內基·梅隆大學成立了計算思維研究中心,并修訂了該大學一年級學生的課程,籍此培養(yǎng)該校非計算機專業(yè)學生的計算思維能力。

我國面向非計算機專業(yè)大學生大規(guī)模開展計算思維能力培養(yǎng)始于2010年。教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會2010年5月，在安徽合肥會議中要求將計算思維融入到計算機基礎課程中去傳授,以此培養(yǎng)高素質的研究性人才[2]；2010年7月西安會議發(fā)布了“九校聯盟(C9)計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯合聲明”,旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機基礎教學的核心任務[3],標志著計算思維教學面向所有大學生全面展開。2013年,教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會正式發(fā)布了“計算思維教學改革宣言”,進一步明確了計算思維培養(yǎng)在大學計算機基礎課程教學中的中心地位,并把計算思維的培養(yǎng)提升到了創(chuàng)新人才培養(yǎng)和國家發(fā)展的高度[4]。

2 計算機基礎教學中計算思維能力培養(yǎng)現狀

2.1 從課程內容來看,存在內容重組與全面更新2種觀點

在對計算思維內涵與特征進行了深入研究與解讀之后,對于計算思維在大學計算機基礎教學的內容體現被提上了研究日程。目前,對于計算思維教學內容改革主要有2種觀點：內容重組與全面更新[5]。前者認為已有的知識內容已蘊含計算思維規(guī)律和特點,只是需要對課程內容結構以計算思維為主線重新組織,突出計算思維這一主題的直接性與系統性。后者認為應將課程教學知識點進行大幅度更新,加大和突出與思維訓練有關的知識點,開設類似“計算思維概論”的通識課程。內容重組這一觀點比較符合目前的計算機基礎教學實際情況,也是業(yè)內主流觀點,而全面更新這一觀點則更多實施于計算機相關專業(yè)。

2.2 從教學方法來看,傳統方法與新方法并存

新的概念與新的教學內容勢必會引起教學方法與模式的變革,大學計算機基礎中計算思維教學方法改革以傳統方法為主,不斷探索新方法、新模式。教學方法主要分為3類：問題式教學法、游戲化教學法以及思維可視化教學法。計算思維的外顯行為就是運用“抽象”“形式化描述”等思維進行問題求解的活動,十分契合采用基于問題的教學模式,這也是目前計算思維的主流教學模式；游戲化教學法分為2種,一是將計算機科學經典問題以游戲化的方式呈現,二是運用計算思維設計(不需要實現)游戲,在游戲設計過程中理解抽象、聚類等概念,掌握問題求解的方式,籍此培養(yǎng)學生的計算思維能力[6]。計算思維可視化教學法是目前計算思維能力培養(yǎng)的一種新趨勢,是計算思維的一種具體實現與外顯技術,目前計算思維教學中采用的思維可視化教學法主要是圖示法,如思維導圖、流程圖、模式圖等。

2.3 從教學組織來看,基本實現了分層教學、分類培養(yǎng)

計算機技術已滲透至各行各業(yè),成為各行各業(yè)不可或缺的基本工具,計算思維方式也成為數字化時代人們基本的思維方式,而不同專業(yè)學生對于計算技術應用以及計算思維方法指導也各有側重。因此,在大學計算機基礎教學中按專業(yè)類別進行分層教學、分類培養(yǎng)是十分必要的。

在一些綜合性大學中,將專業(yè)類別大體分為文史類、理工類、經管類等,并面向不同專業(yè)類別設置了不同的教學內容,或者通過設置選修課的形式引入計算思維概念,力求使教學內容更加契合專業(yè)應用需求與行業(yè)發(fā)展需要；一些?？祁愒盒＃甾r林院校、醫(yī)科院校也紛紛結合自身需要設置了具有學科特色的大學計算機課程體系。由于教育資源較為緊張,目前計算機基礎教學仍以大班授課為主,無法滿足不同基礎學生的個性化學習需求。一些院校通過網絡教學的優(yōu)勢實現分層、分類教學,以滿足不同基礎與不同專業(yè)學生的學習需求,彌補傳統教學課時不夠的難題[5],計算思維教學基本實現了分層教學、分類培養(yǎng)。

2.4 從資源建設來看,仍以改造為主,全新開發(fā)為輔

教學資源是教學得以有效開展和順利實施的前提和基礎。對于課時嚴重不足的計算機基礎課程來說,優(yōu)質教學資源的重要性更加凸顯,是支持學生個性化學習、培養(yǎng)計算思維能力的重要保障。大學計算機基礎教學已經開展多年,積累了豐富的教學資源,這些資源中雖蘊含了計算思維思想,但計算思維主線不清晰,也不夠完善。因此,計算思維教學資源建設一般有2種形式：對原有資源進行改造與全新開發(fā)。

目前計算思維教學資源形式主要以課堂錄制視頻、PPT和習題庫等形式呈現,而微課程、在線開放課程(MOOCS)等新興資源形式較為少見。在開放教育資源運動蓬勃發(fā)展的今天,精品課程轉型升級已成為必然趨勢,馮博琴提出了建設計算機基礎精品資源共享課程群的設想和初步的實踐[7]。但搜索國內各大公共課程平臺，如愛課程、網易公開課,計算思維在線開放課程只有南華大學陽小華教授主講的“計算思維漫談——數字化時代的生存智慧”。建設優(yōu)質教學資源仍然任重而道遠。

3 計算機基礎教學中計算思維能力培養(yǎng)存在的問題

從總體層面來看,基于計算思維能力培養(yǎng)的大學計算機教學改革實施時間較短,仍處于小范圍的實驗與探索階段,計算思維能力培養(yǎng)在計算機基礎教學中仍表現出隱性的、無意識與低效的特點,存在不少需完善的地方。

3.1 對計算思維能力的認識存在誤區(qū),教學目標不明確

相當數量的一線教師對現階段大學計算機基礎教學的教學目標存在認識上的誤區(qū),主要體現在2方面。一是將計算思維能力等同于程序設計能力,認為訓練計算思維能力就是講授程序設計知識,未能上升到計算機系統與思維科學核心思想與方法論層面；二是刻意“為計算思維而計算思維”,將“計算機應用”與“計算思維能力培養(yǎng)”兩者割裂開來。大學計算機基礎教學目標經歷了3個階段的演變,這3個階段目標既有傳承融合,又有發(fā)展深入。而現階段目標“培養(yǎng)學生計算思維能力”與前一階段“培養(yǎng)學生計算機專業(yè)應用能力”存在脫節(jié)現象,未能注意兩者的延續(xù)性與系統性,極少見到某專業(yè)或學科在計算機應用技能中訓練學生計算思維能力的文獻。導致大學非計算機專業(yè)計算機課程存在知識型/技能型教學與未來計算能力需求之間的鴻溝[8]。

3.2 未能發(fā)掘獨特的計算思維訓練方法,教學效果不顯著

大多教師在進行計算機基礎教學時缺乏課程頂層設計思想,未能從計算科學與思維方法的高度組織教學。如在程序設計教學過程中過分重視語法結構的講解,對能夠體現問題求解的思維過程缺乏總體規(guī)劃,往往一筆帶過。更為關鍵的是未能根據計算思維的特點與內部發(fā)生機制形成獨特的、適用于思維能力訓練的新的教學模式。很多教師對計算思維的培養(yǎng)還停留在無意識、隱性教學狀態(tài),沒有達到有意識地設計和顯性教學層面[9]。

思維可視化能夠將人們頭腦中內在的、不可見的思維過程顯性化地表示出來,從而能夠幫助人們理解思維過程、探索思維規(guī)律、形成思維方法,為計算思維教學提供了新思路,但目前計算思維教學可視化主要以程序流程圖等圖示工具為主,還處于思維訓練的初級與低效階段,教學效果不顯著,較難養(yǎng)成對問題求解、系統設計和行為理解的計算思維能力。

3.3 過多關注教學內容與模式的變革,教學系統發(fā)展不均衡

教學失衡就是指在教學過程中因缺乏系統整體觀的指導,在整合系統各因素以實現整體功能過程中所產生的偏離、片面和失衡狀態(tài)?，F今計算思維教學過多關注教學內容與教學模式的變革,忽視了其他教學環(huán)節(jié)。計算思維教學系統發(fā)展失衡主要表現在2個方面：

一是優(yōu)質的教學資源極其匱乏。目前,大學計算機基礎課程的課時普遍被壓縮、削減,計算思維能力培養(yǎng)單靠壓縮了課時的課堂教學是無法實現的,必須結合多樣化的優(yōu)質學習資源進行彌補,現有的學習資源普遍以PPT等教學文檔為主,而能夠支持計算思維教學的新型資源,如微課、計算思維可視化工具、游戲化學習軟件等非常缺乏。

二是計算思維評價體系尚未建立。目前對于計算思維評價研究與實踐存在一定的缺失,計算思維能力評價基本上都局限于認知層面,對計算思維能力的外在行為尚未體現,教學效果優(yōu)劣無法衡量,失去了教學評價對于教學環(huán)節(jié)的診斷、調控與改進作用。

3.4 計算思維教學內驅力不足,培養(yǎng)目標落實不到位

盡管九校聯盟(C9)和教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會，先后明確了計算思維在大學計算機基礎教學中的中心地位,但在實際的教學過程中,計算思維教學仍顯得內驅力不足。

從教師層面來看,由于長期從事計算機基礎教學,部分教師在思想認識與教學理念上已經形成了較為固定的思維方式,對教學改革興趣不高,對“培養(yǎng)學生計算思維能力”這一核心任務重視和參與程度不夠,且許多一線教師自身尚未能很好地理解和把握計算思維本質[10]；從管理層面來看,大部分高校內部缺乏計算思維教學內容督導機制與質量監(jiān)控體系,計算思維教學基本上取決于教師的自發(fā)性與隨意性。比如是否在大學計算機基礎教學中進行了計算思維能力訓練？學生的計算思維能力是否得到了有效遷移,而不僅僅是認知層面的提高？這些問題均未得到應有的重視,國內大多數高校計算思維教學仍處于混亂、無序狀態(tài),計算思維能力培養(yǎng)落實不到位。

4 大學計算機計算思維能力培養(yǎng)策略與建議

4.1 加快制定評價機制與體系,構建模塊化的計算思維課程內容

現有的評價體系更多體現在計算思維認知層面的測量,對計算思維外顯能力的評測用處不大,對計算思維能力有何具體表現認識不清,這也是目前計算機基礎教學中計算思維教學內容顯得大而空、不接地氣和難以落實的重要原因。因此,應根據計算思維能力的外在行為表現，開發(fā)相應的能力測評工具,加快制定計算思維能力評價體系,根據計算思維能力的構成構建模塊化的計算思維課程內容,充分發(fā)揮評價的監(jiān)測、診斷與指導作用。

模塊化的計算思維課程內容可從計算思維意識培養(yǎng)、計算思維內容學習與計算思維實踐訓練3方面著手,從體現計算思維經典問題出發(fā),緊密聯系計算思維在各學科中的應用,分知識、應用、方法3個層面構建模塊化的計算思維課程內容,體現計算思維能力培養(yǎng)課程內容的漸進性與層次性。

4.2 加強立體化教學資源建設,探索新的計算思維訓練方法與手段

除了PPT、習題庫等傳統教學資源外,還要建設一批新型的、符合計算思維能力培養(yǎng)的新型教學資源,在此基礎上探索獨特的計算思維能力訓練方法與手段。

一是引入、開發(fā)思維可視化工具,將隱性的思維顯性表達出來,使計算思維教學更具針對性和有效性。趙姝等人提出思維訓練的3個階段“隱性思維顯性化—顯性思維工具化—高效思維自動化”[11],具有重要的借鑒意義,因此,首先應將隱性的、不可見的計算思維過程顯性地、可視化地表現出來,從計算思維的產生與活動過程把握其本質,這樣才有助于學生有意識地對計算思維進行整理和重組,辨識新的、合理的和優(yōu)化的組合模式[11]。

二是聯合領域專家、一線教師與企業(yè)人員開發(fā)針對不同專業(yè)學生的計算思維游戲。教育與游戲的結合能夠激發(fā)學生的學習興趣,寓教于樂,使學生通過游戲創(chuàng)作自主培養(yǎng)計算思維。

三是建設符合學生學習認知結構與學科背景的計算思維微課程,利用微課程將計算思維知識與典型案例分解為短小精煉的知識單元,并結合具體的學科形成模塊化的微課程群,有利于分解學習難度,降低學生認知負荷,同時積極探索利用微課程進行移動學習、翻轉課堂與混合學習的新的教學模式。

4.3 分專業(yè)開展師資培訓,提升計算思維教學的適切性與有效性

教師是教學目標的實施者、教學內容的制定者、教學活動的設計與組織者、教學效果的檢驗者,是教學系統的核心要素。為提升計算思維教學的有效性,首先教師應具有良好的計算思維教學意識與教學能力；其次,要使學生真正具備計算思維能力,還需要更多與專業(yè)相結合的相關課程和實踐的訓練[12]。

應對從事計算機基礎教學的教師分專業(yè)組建教學團隊,并組織計算思維領域專家對一線教師進行培訓,盡快使他們接受計算思維概念,理解計算思維的內涵與特征,更重要的是使教師能夠掌握計算思維在專業(yè)領域的應用,結合具體學科探索計算思維的教學內容、教學模式與教學規(guī)律,并在進行教學時自覺地將計算思維能力具體化為相應專業(yè)的教學目標,并讓學生在結合專業(yè)的計算機應用中理解和運用計算思維,這樣才能讓學生在具體情境中理解、體驗計算思維給各專業(yè)帶來的便利與愉悅,實現計算思維在不同場合與領域中活學活用,從而使學生計算思維能力得到有效遷移,也才能真正提升計算思維的教學適切性與有效性。

4.4 完善教學監(jiān)控與管理機制,推進計算思維教學向規(guī)模化與制度化轉變

目前,大學計算機基礎教學中計算思維能力培養(yǎng)還處于小范圍的實驗與探索階段,尚未形成運轉良好的教學管理制度與質量監(jiān)控機制,計算思維能力培養(yǎng)落實不到位,仍然是隨意的、隱性的。教學管理部門應出臺一系列教學激勵措施,鼓勵從事計算機基礎教育的教師以更積極的態(tài)度對待自己的本職工作,充分認識自己的工作價值,勇于承擔計算機基礎教育深度改革的重任[13]；此外,還應盡快根據評價體系完善計算思維教學監(jiān)控與管理機制,以便對計算思維教學內容與質量進行有效監(jiān)控,改變計算思維教學取決于教師隨意性的不利局面,提升計算思維教學系統的內驅力,推動計算思維教學由隱性化、被動化向規(guī)?；c制度化轉變,使計算思維能力培養(yǎng)真正落到實處。