基于計算思維能力培養的高校計算機課程建設

摘要：計算思維能力是拔尖創新人才所應具備的基本素質，也是衡量高校教育水平的重要指標。深入分析了計算思維的內涵，構建了面向計算思維能力培養的計算機課程體系，結合教學實踐，對程序設計課程的定位、教學內容、課程考核等多方面提出了改革措施，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：計算思維；拔尖創新人才；能力培養；教學改革

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）39-0167-02

隨著計算機技術的飛速發展與IT時代的到來，計算機已經融入了人們的生活與工作之中。當今社會如果離開了計算機，很難想象會變成什么樣子。計算機不僅成了人們有用的工具、得力的助手，而且在影響著人們的思維方式、心理及行為。因此，計算思維這個名詞，正在被越來越多的人們所熟悉與關注。可以說，它已經成為當代大學生一種必備的能力。

一、計算思維的內涵及特點

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授著文給出并定義了計算思維（Computational Thinking）。她認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。這個定義包含了以下三個含義：

1.計算思維是一種人類的思維活動，是人類應具有的一種能力。

2.它是基于計算機科學的一種思維活動。它以計算機為工具，但又不只限于計算機本身而是涵蓋整個計算機科學領域的。

3.它的應用范圍廣泛，包括問題的求解、系統的設計和人類行為的理解等。

計算思維是人類所擁有的運用計算機科學理論、方式方法和以計算機作為工具來解決科學研究、工程實踐及社會生活中的各類問題的思維能力（或技能）。

二、計算思維的特點

計算思維概括起來有以下三個特點，通過對其特點的介紹，有助于我們對其含義的進一步理解。

1.計算思維吸取了問題求解所用的一般數學思維方式，顛覆了現實世界中巨大復雜系統設計與評估的一般工程思維方法和復雜性、心理、人類行為的理解等一般科學思維方法。可見，它不是憑空產生的，而是對先行思維方法的繼承與發展。同時，它又不同于前者。計算思維還能回答能解決什么和不能解決什么的問題（即可計算性與計算復雜性），以及對計算資源的選擇與調度等問題。

2.計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人和機器執行。計算方法和模型使我們敢于處理那些原本無法由個人獨立完成的問題求解和系統設計。可見，計算思維能力使人們具備應對復雜問題挑戰的本領。它的有力武器便是計算方法與模型。

3.計算思維最根本的內容是抽象和自動化。計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，以致完全用符號來表示（01代碼）。與數學的與物理的抽象相比，計算思維的抽象更為豐富，也更為復雜。

三、基于計算思維能力培養的計算機課程體系建設

計算思維的理念一經提出，立即引起國內外計算機界、社會學界以及哲學界廣大學者的熱烈響應和廣泛探討，國內首批985九校聯盟（C9）于2010年開始率先對該教學理念進行了探索，用于指導相關的教學改革和實踐，并先后得到教育部、基金委、科技部等部委的立項資助。2012年，國家科技計劃信息技術領域備選項目推薦指南中，首次推薦立項開展“新一代軟件方法學及其對計算思維的支撐機理”研究，將計算思維推向了前所未有的高度[3]。計算思維的教學理念之所以能引起學者們的廣泛關注，是因為它吸取了問題求解所采用的一般數學思維方法、設計與評估巨大復雜系統的一般工程思維方法以及復雜性、智能、心理、人類行為理解等的一般科學思維方法。收獲知識固然重要，但知識后面的思維方法更顯重要，且更具一般化，輻射面更廣，而這正是當代拔尖創新人才所應掌握和具有的基本素質，也是衡量拔尖創新人才的重要指標。如果說在過去，高校計算機教育是教會學生如何使用計算機，現在正試圖教會學生如何理解計算機系統，那么在將來，高校應教會學生如何掌握計算思維，真正實現“授之以漁”，這一職責演進如圖1所示。

目前，培養計算思維能力的主要途徑是開設“大學計算機基礎”課程，該課已列入2009版培養方案，面向全校各類學科的本科生。問題是該課程的教學內容是否能夠完成這一重任？從前面的討論可以看出，計算思維能力的養成，起碼要使人們具備6個方面的知識，分別是：計算機的組成、系統的抽象與建模、算法與數據結構、系統的仿真與評估、高級語言編程、資源的配置與調四、基于計算思維能力培養教四、基于計算思維能力培養教學改革

針對以上目標，我們具體采取了以下教學改革：

1.教學理念上，針對文科生特點，強調“重實踐”，讓學生在體驗式學習過程中去思考、感悟和收獲，在探究式學習中掌握信息技術的思想、方法和手段，學會利用信息技術去分析問題、解決問題，加深對學科思想精華的理解和把握，并最終將這種思維和技能作為課程學習、個性發展和創新能力培養的有力工具。

2.采用“案例教學”方法，針對每次課堂教學，都精心編制了若干實用有趣的教學案例，以引導為主，突出對基本思想和方法的分析，明確重點、難點，同時留有一定的自學空間。例如，針對數據庫設計模塊，我們會給定一個應用場景，先讓學生自己建立數據庫，通過分析問題（如插入異常、刪除異常、缺乏參照完整性約束等），把數據庫設計的方法貫穿其中，將抽象枯燥的數據庫理論變為實實在在解決問題的工具。

3.建立完備的自主學習資源庫，與教學模塊相配合，一是直接提供自主學習資料，二是指定網絡資源，要求學生自主查找，以訓練學生利用網絡進行文獻查閱的能力。

4.采用“任務驅動”的自主學習模式，布置與模塊教學相應的課后任務，一是督促學生動手實踐，加深對課堂教學知識的理解，二是培養學生自主解決問題的習慣和方法。

5.學生作品展示與互評，對優秀作品在課堂上進行展示，并給予充分的肯定，這能在很大程度上激勵學生的學習熱情，同時也是對其他同學的促進。

五、教學效果的評價

我們用下述方法實現了對學生個人學習水平的評價。n：該系統用戶的總人數；Xi：第i個學生的考試成績。定義：

■=■ S=■ Zi=■

由定義知，S是學生整體成績的標準差。Zi反映了第i個學生的成績與平均成績的差是標準差的幾倍。用Zi來衡量考試成績不會受考卷難度值的影響，比Xi更有說服力。因為標準分（Zi）是一種參考零點（平均分）位置固定、單位長度（標準差）一樣的統計量。不同次測驗的原始分數換算成標準分后，就可以做互相比較。如某生兩次測驗的成績原始分數分別為：80、90，標準分分別為2.5、2。不能由第二次考試的原始分比第一次高而斷定該生的學習進步了，正確的斷言是：因為第二次考試的標準分比第一次低，所以該生學習成績退步了。經驗表明，標準分的數值一般在-3～+3間。當標準分數值為正時，表示其學習水平在團體水平值上；反之，則表明學習水平在團體之下。

參考文獻：

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[2]龔沛曾，楊志強.大學計算機基礎教學中的計算思維培養[J].中國大學教學，2012，（5）：51-54.

[3]曾顯峰，廖曉芳.基于程序設計教學的文科生計算思維培養[J].計算機教育，2012，（4）：84-87.

[4]劉升儉，鄭仲.應用Web技術構建網上多媒體教學平臺[J].計算機科學，2000，27（9）：371-373.

[5]陳穎，何欽銘，王申康，基于超文本結構的智能計算機輔助教學系統[J].計算機研究與發展，1998，（05）.

基金項目：本文受到以下基金項目支助：重慶市教委教育教學改革資助項目（項目編號：02118）；重慶市教委科學技術研究項目（項目號：KJ120617）