計算思維與教學方法研究

劉雨瀟 程建軍

摘 要： 計算機科學技術的發(fā)展日新月異，社會需求也因此不斷變化，這對高校計算機通識教育提出了新的要求，即：“培養(yǎng)學生的計算思維能力”。以Access數(shù)據(jù)庫與程序設計課程為例，深入分析該課程的特點，將培養(yǎng)學生計算思維能力作為課程教學目標，通過對教學內容取舍，教學過程組織，考核方式設計等各個教學環(huán)節(jié)的探索，提出了一種新的教學實施方案以供參考。

關鍵詞： 計算思維； 教學方案； 教學內容； 教學過程； 考核方式

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）11-55-02

Study on computational thinking and teaching methods

——with Access database and program design as an example

Liu Yuxiao， Cheng Jianjun

（Hubei College of Arts and Sciences， Xiangyang， Hubei 441053， China）

Abstract： With the continuous improvement and development in the field of computer science， the social requirement has changed， which has brought new requirement for university computer general education： "computational thinking ability of students." In this paper， take the Access database and programming course as an example， the characteristics of the course are discussed. Take cultivating students' computational thinking ability as the goal， through choosing teaching content， organizing teaching process and designing evaluation methods， a new teaching program is proposed.

Key words： computational thinking； teaching plan； teaching content； teaching process； assessment methods

0 引言

計算思維（Computational Thinking）是美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授于2006年3月在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》雜志提出并定義的。其定義是：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(tǒng)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 [1] 。計算思維的本質是抽象與自動化。抽象是通過簡化、轉換、遞歸、嵌入等方法，進而得出問題的求解方法；自動化是充分利用計算機運算能力來實現(xiàn)問題求解。

2010年7月，北大、清華、浙大等九校聯(lián)盟在西安對計算思維與大學計算機通識教育課程教學進行了研討，認為培養(yǎng)復合型創(chuàng)新人才的一個重要內容就是要潛移默化地使他們養(yǎng)成一種新的思維方式，即：運用計算科學的基本概念對問題進行求解、系統(tǒng)設計和行為理解。

1 數(shù)據(jù)庫程序設計課程教學現(xiàn)狀

隨著計算機科學領域研究成果的不斷發(fā)展和完善，計算機科學技術已經廣泛應用于其他領域。社會需求的變化，使高校計算機教育的培養(yǎng)目標從以前的“研究計算機本身”逐漸轉變?yōu)椤坝嬎銠C應用”，甚至是“應用計算機”。因此，如何把學生信息能力的培養(yǎng)提升到或者說聚焦到計算思維能力的培養(yǎng)上來，這對高校計算機教育是一個巨大的挑戰(zhàn)。

教育部高等學校計算機基礎教學指導委員會2011年出版的《高等學校文科類專業(yè)大學計算機教學要求第6版》中明確提出：“大學計算機通識教育的教學目標，不僅僅要強化基礎知識和應用技能，更重要的是在此基礎上培養(yǎng)學生運用計算機解決和處理問題的思維和能力，理解計算機在問題求解過程中發(fā)揮的作用，展現(xiàn)計算機科學的思維方式，提升創(chuàng)新實踐能力[2]。”在《教學要求》的第三部分“課程體系及內容”中也明確規(guī)定數(shù)據(jù)庫程序設計屬于高校計算機公共課程類的核心課程。

但是，在該類課程的實際教學中，普遍存在教師為教而教，學生為學而學、為考而學的現(xiàn)象。盡管各個高校已經對數(shù)據(jù)庫程序設計類課程進行了不同程度的改革，但是大多集中于簡單的分類和分層次教學，并沒有明確將培養(yǎng)學生的計算思維能力作為教學目標納入教學體系。本文以Access數(shù)據(jù)庫與程序設計課程為例，在教學內容取舍，實踐教學設計、課程考核等各個教學環(huán)節(jié)重點體現(xiàn)計算思維這一導向。

2 課程實施方案

經過對Access數(shù)據(jù)庫與程序設計這門課程特點的分析，結合多年教學經驗，將該課程的教學方案歸納成四個部分，如圖1所示。

[備課][理論教學過程 實驗教學過程] [考核][以計算思維為導向][以問題驅動法組織教學過程][驗證性實驗

設計性實驗

探索性實驗][重新梳理各

個知識模塊][重點定位于思維和知識的結合點上]

圖1 以計算思維為導向的教學方案

2.1 重新梳理課程教學內容，確立和計算思維相關的各知識模塊

在教學內容的設計中，重新梳理課程教學內容，確立和計算思維相關的各知識模塊。以計算思維為導向選擇、平衡、取舍教學內容。將教學內容重新歸納整理，形成若干個不同的知識模塊，系統(tǒng)梳理各知識模塊內所蘊含的可見、可實現(xiàn)思維，引出思考點，將知識傳授轉變?yōu)榛谥R的思維傳授。

例如，作為數(shù)據(jù)庫與程序設計課程講授基本內容的關系數(shù)據(jù)庫就是采用關系模型抽象表達了現(xiàn)實世界中的事物以及事物之間的各種聯(lián)系[3]。因此，在這里我們可以將關系模型及其相關概念作為一個知識模塊，重點講述現(xiàn)實世界中事物信息抽象為數(shù)據(jù)庫中可存儲數(shù)據(jù)的過程。再如，將以上抽象思維的結果在計算機上實現(xiàn)，也就是建立數(shù)據(jù)庫的過程，這體現(xiàn)了自動化這個本質，也是將理論成果應用于技術實踐的過程。

2.2 以計算思維能力的培養(yǎng)為導向組織理論教學過程

在課堂上采取師生互動的方式，采用問題驅動教學法。首先回顧前面學習過的內容，通過學生講述，教師引導，歸納出問題所在，由學生提出問題的解決方案，教師和學生共同論證解決方案的可行性，最后達到解決問題的目的[4]。整個教學過程由學生發(fā)言→教師引出問題→學生提出解決方案→教師和學生共同論證方案可行性→教師歸納總結等幾個環(huán)節(jié)構成。

例如：數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建完成后，用戶需要對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行訪問，主要包括增加、修改、刪除和查詢等訪問操作，其中，數(shù)據(jù)查詢是數(shù)據(jù)庫及其應用中最常見的操作。在課堂上，可聯(lián)系現(xiàn)實中數(shù)據(jù)查詢的例子，先由學生講述，再由老師引導出一個具體的查詢問題，然后由學生提出該查詢問題的解決方法，之后由老師和學生共同論證該查詢方法的可行性并實現(xiàn)該查詢，驗證查詢結果的正確性，最后由老師進行歸納總結，討論是否有其他的查詢方法可解決該查詢問題，并比較多種查詢方法的優(yōu)劣性。在教學過程中老師應當正確處理理論、技術、方法之間關系。從確定性，可行性，驗證性角度出發(fā)，在問題的歸納、解決方案的提出、方案可行性論證等各個教學環(huán)節(jié)體現(xiàn)出計算思維能力培養(yǎng)這一導向。使學生在理論的學習中不斷加深理解“計算機在求解問題過程中發(fā)揮的作用”。

2.3 以計算思維能力的培養(yǎng)為導向組織實驗教學過程

將實驗教學過程分為驗證性實驗、設計性實驗和研究探索性實驗三大部分。在驗證性實驗中增加基于知識的思維性內容，學生通過驗證性操作領會計算思維的思維方法。在設計性實驗中有意識地培養(yǎng)學生抽象思維的能力，將問題歸納轉化為計算機能夠解決的問題，利用計算機的運算能力完成問題的求解。在研究探索性實驗中體現(xiàn)計算思維和各個學科的交叉，實驗結果具有一定的不確定性，實現(xiàn)手段具有多樣性，通過學生的探索和研究在更大范圍內拓展創(chuàng)新意識，提升科學研究能力和創(chuàng)新實踐能力。

例如，在驗證性實驗中創(chuàng)建一個“教學管理”窗體，在窗體上添加若干個“按鈕”控件并實現(xiàn)“按鈕”控件的各個功能。學生在完成實驗的同時仔細體會窗體中事件驅動的機制。然后在設計性實驗中要求學生自己動手創(chuàng)建一個“教學管理”窗體下的“學生成績管理”子窗體，分別添加“成績輸入”、“成績查詢”、“返回主窗體”等“按鈕”控件并完成其功能。最后，在研究探索性實驗中要求學生結合各自的專業(yè)領域，看看能否使用Access數(shù)據(jù)庫中的窗體實現(xiàn)各個專業(yè)領域中的數(shù)據(jù)管理功能。

2.4 將考核重點定位于知識和思維的結合點上

以涵蓋思維的知識點作為問題提出，以處理問題所運用的思維為填充內容，以此構成思維與知識的完美組合[5]。考試內容在覆蓋知識點的基礎上體現(xiàn)學生計算思維的掌握程度，并向思維與專業(yè)領域相結合的方向上傾斜。

將考核方式分為平時成績、實驗成績、課程設計和上機考試四部分。縮小平時成績和機考成績在在總評成績中的比重，增加實驗成績和課程設計成績的比重。在上機考試中重點考查學生對蘊含計算思維知識點的掌握情況。實驗成績的考核向設計性實驗和研究探索性實驗傾斜，重點考查學生運用計算思維的實際動手能力。針對某一個或若干個蘊含思維的知識單元，布置課程設計任務由學生在課后完成，課程設計的內容上要重點體現(xiàn)計算思維的思想，在設計中要體現(xiàn)計算思維的處理方法，在效用上要盡量體現(xiàn)學科交叉的特點。

3 結束語

計算思維作為三大科學思維方式之一，正在改變著大學計算機教育的教學模式，成為大學計算機教育振興的一個新途徑。在本文中，以Access數(shù)據(jù)庫與程序設計課程為例探討了一種新的教學方法，通過對課程各個教學環(huán)節(jié)的改革和探索，提高了學生運用計算機技術解決實際問題的能力，這樣的探索同時也是踐行教學改革，培養(yǎng)具有計算思維的應用型人才的一個有效途徑。

參考文獻：

[1]王志強，劉芳芳.基于計算思維的計算機基礎課程改革研究[J].中國大

學教學，2013.6：59

[2] 教育部高等學校文科計算機基礎教學指導委員會. 高等學校文科類

專業(yè)大學計算機教學要求（第6版）[M].高等教育出版社，2011.

[3] 程春玲，張少嫻，陳蕾.基于計算思維能力培養(yǎng)的數(shù)據(jù)庫課程教學研

究[J].中國電力教育，2012.8：81

[4] 呂俊.大學計算機基礎教學中的計算思維養(yǎng)成[J].計算機教育，

2013.5：45

[5] 朱勇，楊洪偉，宋小強.大學計算機基礎教學中計算思維的培養(yǎng)途徑[J].

計算機教育，2013.5：37