基于計算思維的信息化思維課程教學研究

趙衛東 蔣丹妮

摘要：以計算思維為核心的信息化思維已經成為推動社會進步的重要因素之一，是大學生信息化思維培養的重要組成部分。文章以計算思維為基礎，結合學科特點的教學改革理念構建分層次的課程內容體系和項目式教學模式，借助于MOOC平臺，根據學生的基礎知識和學科特點，將課堂上計算思維基礎知識的傳授過程轉移到線上完成，為學生提供個性化的自主式學習過程

關鍵詞：計算思維；信息化思維；MOOC；課程改革

0、引言

隨著信息化技術的高速發展，人們以形形色色的方式生活在網絡社會中，學習和思維方式也悄然改變。計算機科學在生活各個領域的廣泛應用使得人們迫切希望借助計算機更好地完成工作，尤其是在大數據時代，科學研究工作更需要各類信息技術作為支撐，以帶來新的思路和方法。電子商務、密碼學、生物計算機等交叉學科交叉專業的不斷涌現進一步表明計算機科學在各個專業發展中舉足輕重的地位。提高信息素養和信息技術使用水平是適應信息化社會發展的必然要求，然而在當前各學科的計算機專業教育及計算機基礎教育的教學中還存在很多問題。例如，計算機教學多采取“理論+操作”的教學方式，偏重對知識和技能的灌輸，對信息化思維的培養重視不足。另外，很多高校沒有采用分類、分層次的系統化教學體系，難以針對不同專業和不同層次的學生制訂相應的培養計劃和目標，影響學生實踐能力和創新能力的培養。

為了更好地迎接信息化時代的到來，讓我國專業人才的儲備與國際接軌，計算機基礎教育和計算機專業教育不能僅僅從技術和知識水平的角度進行改革，必須從更高層次的思維維度深化和提高。傳統以技能為核心的計算機教學缺乏對學生計算意識和計算思維的培養，尤其是對非計算機專業的學生。許多人錯誤地將計算機科學理解成計算機編程，在學習和實踐的過程中只見樹木不見森林。現代計算機教育需要以計算思維的培養為核心，圍繞著提升學生的計算思維開展教學工作，將思維培養囊括進“知識+能力”的培養框架，全面提高學生的信息化素養。此外，如何針對各專業學生的特點，培養學生的信息化思維和創新精神，是各高校當前面臨的重要問題。信息化思維教學是適應數字化、信息化和計算機發展，培養高層次的優質復合型和通用型人才的必然訴求，而計算思維是整個信息化思維的核心，可為學生提供新視角和新方法，對其學習和就業都具有重要的指導意義。

目前，國內一些高校已經開設了計算思維課程，出版了多本相關教材。從這些課程和數材的內容看，大多還局限在計算思維的基本概念、辦公自動化軟件的使用、計算機軟硬件知識、算法和編程初步以及計算文化等。然而，對于計算思維能力的培養，尤其是如何將計算思維應用到實際項目的討論甚少，學生難以從龐雜的現象中抽象概括并分析問題的本質，為此，斯坦福大學、麻省理工學院等國外名校紛紛開設MOOC課程，強化設計思維（design thinking）以及從實際問題中抽象出數學模型并給出優化問題解的能力培養方案。這不僅強調學生對實際問題進行創新思考能力的培養，還對團隊協作智能的培養有所幫助，同時也是當今社會對各專業人才的基本要求。在吸收國內外相關課程建設經驗的基礎上，復旦大學軟件學院從2009年開始面向全校開設本科教育通識核心課程“信息化思維”，內容涉及計算思維、互聯網思維和設計思維，以培養學生信息化時代的思維方法為核心。幾種思維及能力培養的關系如圖1所示。

1、以計算思維為基礎的信息化思維課程建沒

1）計算思維。

曾任美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任的周以真教授于2006年3月提出計算思維的概念：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；在2010年又重新給出計算思維的定義：計算思維是與形式化問題及其解決方案相關的一個思維過程，其解決問題的表示形式應該能有效地被信息處理代理執行。計算思維反映了計算機學科的核心方法和本質，從計算思維的角度講授計算機科學或許是更為普適的一般學科思想與方法，這一理念在國內外教育界得到廣泛支持。ACM前主席Denning教授曾指出：“計算思維并不是計算機科學唯一和獨有的特征，如果人們不謹慎地認識和看待它，那么它將會把人們引向思維的陷阱”。同時，他認為計算過程是信息處理的過程，在自然界中無處不在。由于計算思維所代表的是一種普遍的狀態和通用技能，而不僅僅是計算機科學家所具有的，因此每一個人都應該學習和運用計算思維，使之成為一種常識。這與本科牛通識教育課程培養學生獨立思考和對不同的學科有所認識，最終將不同知識融會貫通的目的相一致。

利用計算思維能夠引導學生在不確定的情況下規劃、學習和調度，從而完成龐雜的學習任務或者設計復雜的系統，并利用啟發式推理獲得問題的最佳解決方案。需要注意的是，區別于向學生灌輸死板的技能或是機械地重復，課程建設過程中我們強調在抽象的多個層次上進行思維活動。為了讓學生能夠將計算思維視為一種思維習慣而不是空洞的理論，我們必須在教學過程中貫穿計算思維的培養。計算機基礎課程講授的不僅僅是編程語言和軟件開發的技能技術，實際上更是基于抽象級環境的問題求解過程，其本身固有的特性對計算思維的培養具有重要意義。為了使計算思維對信息化思維課程教學起到更好的促進作用，教師需要在教學過程中以計算思維為核心對教學的方法、內容和過程進行重新組織和調整，從而使學生在掌握計算機基礎理論的同時得到足夠多的汁算思維訓練，更加突出計算思維在綜合教學培養中的運用。

2）信息化思維課程建設。

信息化思維，英文翻譯為thinking in inform-ation society，意思是信息化時代如何更好地優化思維方法，提高學生未來工作后業務決策和科研的能力。信息化思維利用現代信息技術如云計算、大數據分析等，對企業商務模式進行創新性思考，以求差異化帶來競爭的優勢。這種思維以計算思維為基礎，強調運用計算機科學基礎概念解決實際問題的能力。同時，如圖1所示，信息化思維還包含設計思維和互聯網思維，設計思維以“在行動中進行創意思考”的方式理解問題產生的原因并催生洞察力及解決方法，強調群體合作和創新能；互聯網思維則是對全生態重新審視的一種思考方式。計算思維、設計思維與互聯網思維相互促進，共同構建信息化思維的核心內容。信息化思維在行業中的應用多種多樣，如在互聯網商務模式創新中常用的一些方法、使用計算思維對現實問題進行深層次分析以便得到優化的解決方案等。

在信息化思維的教學中，教師除了應教會學生計算機基礎知識和技能外，還要培養學生利用計算思維解決學科問題的能力。計算機基礎教學改革需要注意將形象思維、邏輯思維與計算思維相結合，讓學生掌握利用計算思維和計算工具解決領域問題的思路，培養學生的信息素養與能力。對于以計算思維為基礎的信息化思維課程建設，課堂討論的方法可以拓展到研究領域，包括每個專業的科研研究。畢竟科研也是一項創新性的活動，無論是新問題的提出，還是問題的新求解方法，都需要創新意識和計算思維的指導。這就要求我們能夠在信息時代充分掌握信息，對問題進行抽象并在此基礎上利用抽象的思維方法，得出創新的成果，因此信息化思維對于各科學生的發展都是不可少的。

結合上述幾點，我們確立“以計算思維為基礎、結合學科特點”的教學改革理念，改革的目標是全面培養學生的計算思維和創新意識，提高學生利用計算思維解決學科實際問題的能力，提倡學生把計算思維應用到各個學科解決實際問題。教學改革的目的在于更高效地利用有限的學時，以信息化社會幾種典型的創新性思維方式討論為主線，結合實際案例并進行適量實驗，討論企業信息化過程中這些思維方式的魅力，揭示創新的機理，致力于使計算思維成為一種常識。

2、信息化思維課程教學模式探究

為了使“以計算思維為基礎、結合學科特點”的教學改革理念充分融入課堂并順利實施，筆者以信息化思維的培養為中心，結合學生的個性特點，從課程的內容體系、教學方式、教學平臺等方面探究信息化思維課程的教學模式，從而使信息化思維課程與其他計算機基礎課程緊密協調，創建符合本科教育通識類核心課程特色的計算思維教學體系。

1）分層次的課程內容體系構建

在當前的計算機基礎課程體系基礎上，教師可圍繞著信息化思維的培養創建分層次的課程體系，確立各知識層次的教學內容和培養目標。該課程體系包括3個層次：基礎層、專業層和學科層，如圖2所示。

在基礎層開設所有專業學生都需要學習的計算機基礎課程，包括操作系統、Word、Exccl、PPT、多媒體基礎等，培養學生基本的計算機知識和軟件操作技能，同時在本階段開設計算思維導論，介紹計算思維的起源、概念和基本方法，引導學生形成初步的信息化思考意識。專業層以選修課的形式開設計算機網絡、數據庫、圖像處理、網頁設計等高級計算機應用課程，供學生根據自身學科需要和興趣選擇。目的在于培養學生運用軟件解決問題的動手能力并進一步提高計算機科學素養，同時啟發學生在解決實際問題的過程中理解和運用計算機科學的基礎概念。學科層著重培養學生的思維能力，即利用計算思維解決學科實際問題的能力，如市場營銷專業的學生可以利用或設計數據分析算法，對客戶的數據進行分析，實現精準的數字營銷。學科層的課程設置可以因材施教，滿足不同專業、不同基礎學生的需要。

信息化思維課程的教學主要集中在學科層，通過與各個學科的教學相結合，培養學生利用信息化思維方法解決具體學科問題的能力，最終實現從知識、能力的提升到計算思維的培養。學科層通過開設與學科聯系緊密的信息化思維和計算機課程，幫助學生理解并掌握計算思維在自身學科中的應用，促進計算機科學在各個學科中的滲透。整個課程體系凸顯以計算思維培養為核心和多層次、全方位的培養理念，有望顯著提高學生的信息化素養和能力。

2）項目式教學。

我們在分層次的課程內容體系下，對信息化思維課程的教學方式進行探究。計算思維的本質是對問題的抽象即抽象思維，如何引導學生對實際問題進行抽象，利用計算思維進行專業問題求解是教學的難點。對學生而言，掌握計算機知識很容易，但將這些知識貫通形成思維并最終化為能力則需要不斷訓練，為此課程改革擬采取項目式教學的方式，以任務為驅動，幫助學生在完成項目的過程中鍛煉信息化思維能力。

以計算思維為核心的信息化思維培養的關鍵就是把計算思維看作求解問題的過程性思維，包括發現問題、確定問題和求解問題，并能夠清楚地描述求解問題的操作規則和問題約束。項目式教學模式則通過引入任務或教學情景展開教學，以電子商務物流配送的路徑規劃為例，根據具體網商的客戶分布、以往交易情況以及交通地理數據設計合理的配送網絡，這實際上是很多智能物流項目要解決的問題。通過教師分配項目和學生分析項目、完成項目、總結項目的模式，學生可以提高利用信息化思維分析問題并利用計算機解決問題的能力。整個教學過程中，教師主要扮演任務引導和思路總結的角色，而學生則成為整個課堂的中心，充分鍛煉思維能力。

項目式教學的另一大優勢是讓學生在實踐中領悟計算思維的本質。文獻中認為身份、知識、行動、能力都是實踐參與的產物，實踐參與是豐富學習體驗的重要手段，而高度依賴教師、機械記憶和過少的自主投入會導致認知理解的匱乏和無意義學習。尤其是對于以計算思維為核心的信息化思維課程教學，項目式教學不僅僅是簡單地傳授知識和技術，還可以有效規避認知理解匱乏和無意義學習的風險，讓計算思維在真正意義上從抽象的理論變成可操作的工具。

3） MOOC和傳統教學充分結合。

計算機教學內容涉及范圍廣且知識點多，學生需要具備一定的計算機基礎知識才能更好地理解和掌握計算思維，而且學生的基礎差異較大，可能會給課堂教學內容的組織帶來一定困難。針對這些問題，課程改革擬采用新型的在線教學模式——大型開放式網絡課程（MOOC），將網絡教學和傳統的課堂教學有機結合。

借助于MOOC平臺，教師可以根據學生掌握的基礎知識和學科特點，將課前計算思維基礎知識的準備、課堂任務提交、作業答疑和討論轉移到線上完成，為學生提供個性化的自主式學習過程。學生在課堂學習之余能夠按照自己的步調，利用MOOC強有力的支持工具開展學習，從而完成持續的、迭代的學習和經驗積累。基于網絡空間的MOOC平臺保存了大量的學習日志和行為記錄，這將有利于學生反思學習過程和理清思路，將個體注意力從學習結果轉移到認知過程。

在以計算思維為核心的信息化思維課程建設中，課堂教學主要針對重點和難點問題進行討論，探討如何把計算思維的方法應用到本專業。教師需要充分發揮課堂教學的優勢，向學生講授計算思維的基本方法和案例分析，可在MOOC平臺上開設討論區，利用社交網絡調動學生學習計算機知識的熱情，鼓勵學生在線上圍繞項目隨時隨地進行積極的思想交流、協作和互相學習。學生通過MOOC平臺提交作業和項目報告并擁有自己的個人學習檔案，以便于制訂個性化學習方案。教師借此平臺能夠及時發現課堂教學過程中存在的問題并給予學生反饋意見；同時可以充分利用線上資源，對課堂教學內容進行補充和拓展，滿足不同學生對課程知識的個性化需求。

4）課程基本內容設計。

信息化思維課程主要介紹信息化社會幾種典型的創新思維方法，主要包括Apple、SAP等公司使用的設計思維方法、互聯網思維、計算思維等方法，并結合實際案例分析這些方法在典型企業創新和各學科中的應用。互聯網思維的某些方面會借助計算思維的方法如大數據思維、迭代思維、極致思維、簡約思維等，在一定程度上體現了計算思維的精髓。設計思維以用戶為中心，利用群體的智慧，以解決方案為基礎不斷迭代設計以滿足用戶高體驗的需求。這種思維方法也在一定程度上支撐著互聯網思維的發展，如針對高校學生網絡購物接收快遞存在的問題，利用頭腦風暴，由學生小組共同給出智能型的存物柜管理信息系統，解決物流配送難題。

通過分析信息化時代下政府、企業、個人3類不同角色所面臨的現狀，教師可從各個角度啟發學生應用計算思維解決實際問題，將這些思維方法滲透到汁算機學科的常用技術與解決方案中，并結合數據分析的思路提升學生對實際項目的創新性思維與實踐能力；采用體驗式課程實驗取代傳統的期中考試，進一步讓學生體會計算思維、互聯網思維和設計思維的實際運用。在具體的教學過程中，教師還可通過設定解決方案確認能夠使目標達成的足夠多的因素，優化通往目標的路徑，體現設計思維的構思方法和過程；在移動互聯網、云計算、大數據等科技不斷進步的基礎上，啟發學生重新審視互聯網生態圈，培養學生的互聯網思維；從計算思維出發，促進學生進行有意義的深度學習。此外，教師還可通過師生研討和體驗式實驗，促使學生對解決問題的方法進行深入思考；同時教師在MOOC平臺上補充最新的應用案例、開源學習資料等，拓展和豐富有限課堂學時外的內容，為學生信息化思維的培養創造良好環境。

3、結語

以計算思維為基礎的信息化思維已經成為推動社會進步的重要因素之一，是大學生創造性思維培養的重要組成部分。信息化思維課程建設對于培養學生的群體合作能力、創新能力和問題求解能力有著至關重要的作用。將計算思維貫穿到信息化思維課程建設中，引導學生培養高階思維和認知能力是一項復雜的系統工程，我們需要長期規劃和統籌兼顧。首先，對于分層次的課程內容體系由易到難各個擊破，打造進階式學習體驗，巧妙地體現在不確定情況下規劃、學習和調度的計算思維培養；其次，項目式教學模式則以任務為驅動，讓學生在完成項目的過程中培養信息化思維，同時，結合MOOC平臺為學生打造自主的網絡學習空間，以有效地提高學生學習積極性并拓展學習的廣度與深度；最后，由始至終將計算思維融人信息化思維課程建設中，讓學生學會從信息處理的角度理解并應用專業知識，培養學生具有從計算機科學的角度出發解決實際問題的理念。