陳娜　胡暢霞　王學軍

摘要：思維能力的提高對于一個人的成長有著至關重要的作用。隨著計算機技術的發(fā)展，計算機的功能越來越強大，計算機技術正逐步延伸到科學研究和人才培養(yǎng)的各個領域，與之而來的計算思維也逐步走入人們的視野當中。在結合我校申請“2011計劃”的過程和實際實施“卓越計劃”的情況，重點闡述我校在卓越工程師培養(yǎng)過程中，計算思維培養(yǎng)的重要性以及計算思維在教育教學應用實例對培，養(yǎng)出符合《國家中長期教育改革和發(fā)展綱要》所要求的創(chuàng)新型工程技術人才，有著積極的影響。

關鍵詞：計算思維;卓越工程師培養(yǎng);2011計劃;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）07-0085-02

1引言

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是高等教育機構在貫徹落實我國《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》與《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》時的重大改革項目，是推進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重要舉措和必經之路。“卓越計劃”的目標是：打造具備較強創(chuàng)新能力，并且能夠良好地適應經濟社會發(fā)展需求的”高質量、高水平和高適應能力”的各類工程技術人才，這對我國走新型工業(yè)化發(fā)展道路和實現(xiàn)創(chuàng)新型國家、人才強國戰(zhàn)略都具有重要的示范與引導作用。

除此之外，在繼國家“985工程”和“211工程”的高等學校建設之后，2011年我國又提出了在高校開展“高等學校創(chuàng)新能力提升計劃”，即“2011計劃”，這依然是意在提升我國創(chuàng)新意識。“2011計劃”的核心思想是以高校和企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新為載體，面向科學研究前沿、面向傳統(tǒng)文化的傳承與創(chuàng)新、面向實際行業(yè)和產業(yè)和面向區(qū)域的協(xié)同發(fā)展。由此可以清晰地知道，卓越工程師和“2011計劃”是一脈相承，息息相關的，對高校的人才培養(yǎng)提出了基本的規(guī)格和目標。

為了實現(xiàn)卓越工程師和2011計劃的人才培養(yǎng)的需求，就需要在我們高校的教學中深入的探索創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的手段和模式。本文作者長期從事計算機計算原理、數(shù)據(jù)庫等方面的一線教學，對計算思維的原理有著深入的認識，并且一直嘗試著將計算思維作為教學手段融入教學中，所以本文在結合本校申請“2011計劃”的過程和實際實施“卓越計劃”的情況，重點闡述我校在卓越工程師培養(yǎng)過程中，計算思維培養(yǎng)的重要性以及計算思維在教育教學應用實例。

2計算思維概念

思維教學本身不是一個新的提法，它的歷史由來已久，其核心理念是通過思維能力的訓練使學習者能夠以“思維”為技能思考和解決問題。

美國卡內基·梅隆大學周以真教授指出：“計算思維是運用計算機科學的基本概念去求解問題、設計系統(tǒng)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]”。

計算思維是每個人所具有的基本技能，不僅僅屬于計算機科學家，而且是我們大家都有必要掌握的技能。計算思維的核心思想是以遞推的方式并行處理計算問題，如此一來，原本復雜、龐大的系統(tǒng)就會被抽象和離散為若干簡單和熟知的分散任務，且以并行的方式輕松處理問題，其基本流程都是“化簡、嵌入、轉化和仿真”。

計算思維具有三個顯著特征：（1）計算思維不是亙古不變的固定程序，而是具有普適性的思維模式;（2）計算思維是智能化的人-機互動式的“高級算法”，可以優(yōu)化問題處理的方法;（3）計算思維是離散數(shù)學和工程思維緊密結合的產物，天生具有強烈的創(chuàng)新和廣泛的工程應用價值。

從上述的分析中，可以知道計算思維有很好的普適性和可操縱性，能夠更便捷、更有效的轉遷到教育教學中。

3卓越工程師培養(yǎng)狀況分析

在以往的人才培養(yǎng)中，當學生走向工作崗位后總是發(fā)現(xiàn)學校里知識和現(xiàn)場的工作局面“失聯(lián)”，很多實際問題不能得到解決，理由是“學校老師沒有教給我們，我們在課本中沒有遇到類似的問題”，這樣的培養(yǎng)效果讓高校的教育者很是尷尬。工業(yè)技術和計算機技術都在迅速地更新中，如此迅猛的趨勢我們不可能阻擋，教師也不能實時的傳授最新的動態(tài)。

我校在“土木工程”和“機械設計制造及其自動化”兩個優(yōu)勢特色專業(yè)設立了“卓越班”。如何把土木工程或者機械工程等工科專業(yè)中涉及的具體技術進行合理抽象和概括？如何潛移默化地讓學生體會計算機技術中的思維方式等等？都是擺在我們面前的緊迫問題。

作為工科的學生來說，了解和掌握計算思維的學習方式，對于將來成為具有創(chuàng)新意識和競爭力的人才至關重要。因此，在工科的人才培養(yǎng)中，要擺脫傳統(tǒng)教學的模式，有必要創(chuàng)新的將計算思維的精髓融入工科教學中，為卓越人才的培養(yǎng)提供先進的理念。

計算思維是一劑“良藥”，可以以計算思維的不變應對技術革新的快變，以計算思維的巧妙應對工程問題的復雜性。在就業(yè)越來越困難的今天，掌握了計算思維，無疑是給培養(yǎng)的人才增加了在職場的競爭力。如果學生真正掌握了這樣的思維方式，往往要比記住若干的專業(yè)名詞實用的多。為培養(yǎng)出符合我國《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》創(chuàng)新型工科技術人才的需要，我校在“卓越計劃”人才培養(yǎng)方面重點加強對學生的計算思維的培養(yǎng)。本文作者在教育教學活動中，利用自身在計算思維的科研和教學便利計算思維的理念充分的融入教學環(huán)節(jié)中。

4卓越工程師培養(yǎng)與計算思維的有機結合

通過上述的分析，我們知道計算思維的教學方式是可以應用于“卓越計劃”和2011的工科人才培養(yǎng)過程。本文分別從工科的人才培養(yǎng)過程中的課堂引入和課堂教學兩個環(huán)節(jié)深入探討如何具體實現(xiàn)“卓越計劃”的人才培養(yǎng)過程與計算思維培養(yǎng)理念的有機結合。

4.1計算思維的先前課堂引入

在進行專業(yè)課程講授之前，教師就明確指出計算思維能力在未來專業(yè)課程體系中的重要地位。學生在經歷四年的系統(tǒng)培養(yǎng)，所具有的能力不單單是自己專業(yè)內的簡單知識點的簡單應用，而是應用這些知識構建更復雜的專業(yè)模型，解決實際情況的工程問題。

例如：計算思維中大量的算法都可以巧妙的計算工程問題中高階項，可以很好地計算提高精度，這些算法曾成功的運用到了波音777飛機的研發(fā)中，成為歷史上應用計算機算法的最成功的案例，它完全通過計算機仿真模擬和設計，沒有經過風洞測試，不但大大地縮減了研發(fā)周期，還降低了機身重量、減少了浪費并節(jié)省制造成本。再比如，我們所熟知的全球定位系統(tǒng)GPS，它可以為我們計算出各種不同需求的、從出發(fā)地到目的地最優(yōu)路徑，可以是花費時間最短，也可以是過路費最少，也可以是避免擁堵等等，其實GPS的原理的就是動態(tài)規(guī)劃算法中尋找最優(yōu)路徑的做法。

因此，教師可以通過大量諸如上述的實例分析，說明計算思維不僅僅是計算機專業(yè)在編程方面的應用，而且是解決工程問題過程中的需求，激發(fā)學生掌握計算思維的興趣，引導學生主動探索計算思維在專業(yè)課程中的應用。

4.2計算思維與課堂教學的緊密結合

要實現(xiàn)計算思維與課堂教學的有機結合，需要從如下兩個角度來確保實現(xiàn)：

首先，基于計算思維的基本理念，將“抽象”和“自動化”的核心思想在各個教學環(huán)節(jié)中用大量的實例講透，將煩瑣的推理過程先用規(guī)定的符號進行確切的定義，對概念進行定量的公式推演。舉個例子：假設有面值分別是1元、5角、1角的3種硬幣，小孩買了價值6元2角的食品，給了售貨員10元錢，售貨員希望找給小孩硬幣數(shù)目最少。這種簡單地從具有最大面值的幣種開始，按遞減的順序考慮各種幣種的方法稱為“貪心法”。貪心法體以當前和局部利益最大化求解問題，具體過程：①分解：將原問題分解為若干個相互獨立的階段;②解決：對每個階段求局部的最優(yōu)解，即進行貪心選擇;③合并：把各個階段的解合并為原問題的一個可行解。看似一個很簡單的例子闡明了貪心法的本質，這是最接近于人類日常思維的一種問題求解方法，它已在人類工作和生活的各個領域得到廣泛的應用。因此，將計算機科學中的抽象思維變成工科學生更容易接受的具體表達形式，從而實現(xiàn)計算思維與工科學生的“無縫對接”。形成良好的計算思維的技能的是每一個學生必須掌握的，是學生未來充分發(fā)揮職場能力的前期條件。

然后，用土木工程或者機械工程專業(yè)課程中工程實例，反演抽象的計算思維用途，通過對比傳統(tǒng)解決問題的方式和采用了計算思維的解決問題的異同，重點突出計算思維在解決問題中優(yōu)勢，讓學生體會計算思維的巧妙之處。例如，讓學生搜索專業(yè)課中的相關資料，那就可以讓學生充分的利用“搜索引擎”的思想，即設計一些策略、運用計算機編輯程序，從互聯(lián)網上自動搜索信息，最后對專業(yè)信息進行組織和后處理，將專業(yè)課相關的知識點和脈絡清晰地展現(xiàn)出來。其實就是運用計算思維中的“網絡爬蟲”法，其原理是：圖的遍歷，以圖的某個頂點出發(fā)，遍歷圖中所有頂點，且使每個頂點僅被訪問一次?？雌饋砗芎唵?，但是如果在百度和谷歌上手工的鍵入每個關鍵詞，根據(jù)搜索到的條目再一一篩選結果，找到需要的專業(yè)知識，會浪費很多的時間，而且人工的操作難免會遺漏一些重要的知識點。

計算機的重復性計算能力是最為擅長的，而其中的計算算法卻是人為定義和操作的，其實就是計算思維為“幕后的操作者”。所以，將計算思維發(fā)揚和應用到知識的學習中，是一種智慧的表現(xiàn)，也是課堂教學必然的選擇。

4.3基于計算思維的知識體系構建

計算思維由于自身優(yōu)勢的存在，不但能有效提高學生的課堂掌握知識的效率，更能使學生對自己的知識結構進行合理的分類和構建，形成系統(tǒng)的技術體系，有利于今后創(chuàng)新性的工作，這正是國家對人才培養(yǎng)最終追求的目標。

在工科教學具體活動中，教師通過“推理、反演和重現(xiàn)”等方式努力促成學生形成基于計算思維的思考和解決問題的意識，數(shù)理邏輯的基本概念就可以游刃有余的引入課堂，離散數(shù)學中數(shù)理邏輯的真正效果也就體現(xiàn)出來了，學生的專業(yè)知識點就成為完整的體系，枯燥與無序的專業(yè)課程可以彼此融通和應用。

5總結

學習專業(yè)知識和邏輯思維不是彼此孤立的，而是應該取長補短，緊密結合在一起的。本文借助在計算機技術中的計算思維的長期教學經驗，提出將邏輯性很強的計算思維與卓越工程師人才培養(yǎng)計劃的教學活動相結合，重點闡述我校在卓越工程師培養(yǎng)過程中，提出計算思維培養(yǎng)的重要性以及計算思維在教育教學應用實例，為卓越人才的培養(yǎng)提供先進的理念。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】