淺談大學“計算機基礎”課程中計算思維的培養

鄭蕓 顧沈明

摘要：計算思維是人類求解問題的一條途徑，計算思維能力，不僅是計算機專業人員應該具備的能力，而且也是所有受教育者應該具備的能力，本文從大學的“計算機基礎”課程的理論教學、軟件教學、實踐教學三方面探討計算思維的培養。

關鍵詞：計算思維；計算機基礎；教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）10-0100-03

“計算思維”（computational thinking）[1][2]是美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在2006年3月美國計算機權威期刊Communications of the ACM雜志上首先給出的，周教授認為：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。2010年周教授又給出了計算思維的正式定義，認為：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。[3]

在CNCC 2011特邀報告中，中國計算機學會（CCF）會士、中國科學院院士、中國科技大學及深圳大學教授陳國良認為，計算思維不僅僅是計算機科學家應該具備的能力，并且是每一個人都應該熱心地學習和運用的一種普遍的認識和一類普適的能力。[4]

計算思維的意義

計算思維中的“計算”是廣度的含義，理解為人類求解問題的方法和途徑。隨著全球信息化的發展，網絡（包括物聯網）延伸到社會的各個角落，“計算機”變得無處不在、無事不用，并且目前數據的積累變得容易化、簡單化，使計算思維越來越成為人們認識問題和解決問題的重要思維方式之一。[5]

計算思維也不同于人們追求的數學思維、實證思維，計算思維蘊含著一整套解決一般問題的方法與技術[6]；計算思維反映了計算機學科最本質的特征和最核心的解決問題的方法；計算思維也為不同專業提供了獨特的處理問題的思維方式及解決專業問題的有效方法和手段。

計算思維能力的培養

計算思維實際上是一個思維的過程，計算思維能力是從計算思維的角度進行思考的能力。在教學中培養計算思維能力，能提高學生創新和發明的能力，提升學生的信息素養，使學生能夠對獲取的各種信息通過自己的思維進行深層次的加工處理后產生新信息。[7]目前，在計算機教學中加強計算思維能力的培養已得到越來越多的高校教師的理解和支持，并且在教學中進行了不斷嘗試和探索。下面筆者就在大學“計算機基礎”課程的理論教學、軟件教學和實踐教學中有目的、有意識地實施計算思維能力的培養這一問題談一些自己的體會和想法。

大學“計算機基礎”課程教學是面向高校新生、全校性、第一層次的計算機基礎知識和基本技能的普及教育，但隨著目前中小學階段計算機基礎教學普及率的逐漸提高以及電腦的家庭化程度越來越高，大多數學生對計算機的初級應用已經有所了解，如果在大學階段再重復地進行教學，既浪費了教學時間又影響學生的學習興趣，針對這種現狀，大學“計算機基礎”課程教學的培養目標，不僅在于強化計算機基礎知識和應用技能，更重要的應是在此基礎上培養學生的計算思維能力。

1.理論教學

大學“計算機基礎”課程理論部分主要包括了信息與計算機基礎知識、網絡基礎知識、數據庫基礎知識等內容，這部分內容涉及面廣、概念術語多，但由于受學時和學生的基礎限制，又較難展開，進行深入講解。可如果在介紹基礎知識的同時，有意識地設置一些問題，采用問題驅動的方式，引導學生有效思考、積極討論，鼓勵學生回答問題并探索解決問題的方法，能使學生通過思考問題和解決問題，逐步養成計算思維。

挖掘大學“計算機基礎”課程的教學內容，筆者發現其中很多知識點和案例隱藏著計算思維的思想，從這些知識中引出思考點，在教學中將知識傳授轉變為基于知識的計算思維培養，能使學生逐步建立起基于計算思維的知識體系。比如，①十進制數轉化為二進制，采用整數部分“除二取余”、小數部分“乘二取整”的方法，教師在傳授方法的同時，引導學生進一步思考二進制整數部分為何從后往前或從下往上表示，而小數部分卻從前往后或從上往下表示，并且如何利用計算機存儲特點實現進制轉化？②CPU（中央處理器）中的計算器有一個以2為模的加法器，但加法器也可作減法運算，它的原理是什么？③在計算機硬件中，高速的CPU的工作頻率和內存存取速度不匹配，科學家是如何解決這一問題的，里面包含了一種什么思想？并且進一步舉例說明提前預置緩沖思想在其他領域的應用。④介紹操作系統幾大功能模塊的作用時，從計算思維的角度講解功能模塊是如何管理資源的，從中可以介紹一些如哲學家進餐、理發師睡覺等問題，這些問題也是操作系統文化中膾炙人口的經典問題。⑤綜述程序設計語言時，面向過程與面向對象是解決問題的兩種不同的思想和方法，通過舉例比較分析，啟發學生用不同的角度去審視事物和問題，沖破慣性思維，從中樹立一種新的思考問題的思路和方法，從而拓展學生看問題的視角和思維。

2.軟件教學

目前大學“計算機基礎”課程中軟件教學內容約占整個教學計劃的二分之一，主要的軟件學習包括Word、Excel和PowerPoint等，而這三個通用應用軟件也是學生今后學習、工作必備的工具。在軟件教學中，通常強調的是工具使用的方法，也就是操作的具體步驟和過程，即操作技能的學習，而刻板的操作技能意味著簡單的機械重復，但計算思維是根本的、不是刻板機械的技能。所以，在軟件教學中，在進行操作技能學習的同時，也要重視“軟件中思想的教學”，即軟件的結構、共性的、基本概念的學習及其實用性的體現，一方面靈活運用概念提高操作能力，另一方面通過案例實用性提高學生學習的興趣。例如，可以從以下幾個方面入手：①概念是基礎。因為Office版本在不斷升級，界面、操作方法等內容會不斷更新變化，唯有概念性的內容變化較少，由于概念一般相對穩定，所以掌握了概念，也就提高了學生學習和適應新知識的能力。②概念的應用。軟件中的概念的理解有助于對操作的掌握和靈活運用，如在Word中只要理解和掌握了“節”和“域”這兩個概念及其操作，則Word軟件大多數高級應用就可以把它看作是“節”和“域”的應用。③概念的遷移。概念的遷移包括縱向遷移（版本的升級）和橫向遷移（Word、Excel、PPT有一些相通相似的概念），這些概念在Office不同的軟件中具有相同或相似的含義和操作，如模板、樣式、頁眉頁腳、批注、宏等一些概念和操作。④概念的區別。例如，在PowerPoint中注重了解母板、模板、主題、版式、背景等一些概念術語的區別，理解了這些概念，才能靈活操作和運用。

3.實踐教學

大學“計算機基礎”課程的上機實踐也是教學過程中的一個重要環節，由于實踐課時的刪減，一部分實踐內容須安排學生課后去完成，學生完成任務的過程，既是求解問題的過程，也是計算思維逐步養成的過程。實踐教學可從以下幾方面入手：①任務的布置。教師在布置任務時有目的地布置一些遞進性題目和開放性題目，遞進性題目漸進輔墊引導學生進行自主學習，開放性題目發揮學生的發散思維和創新思維。②方法和技巧傳授。每種軟件都有自己的操作特點和常用的方法和技巧，如Excel，只有充分理解了Excel的函數、公式、數組各自的含義、操作方法、表達式和輸入規則等，才能在此基礎上靈活運用、舉一反三。③搜索工具的使用。充分利用網絡資源搜索自己需要的信息進行學習，這是網絡時代學生獲取知識的一種重要途徑，同時也培養了學生的信息檢索能力。④組建學習QQ群。通過社交媒體使學生之間、師生之間實時互動、互相學習、互相探討。⑤建設一個大學“計算機基礎”課程在線助學管理平臺。通過該平臺實現在線學習、布置作業、作業管理、發布消息、留言等功能。

結束語

大學“計算機基礎”課程是一門既有理論又有實踐的學科，在“計算機基礎”課程教學中培養學生的計算思維能力，是一個新的課題。對教學各個環節進行有針對性和系統性的組織和設計，能進一步提升和豐富教學的內涵和意義，這既是培養學生計算思維能力的重要途徑，也是大學“計算機基礎”課程教學改革的目標之一。

參考文獻：

[1]Jeannette M. Wing. computational thinking[J].Communications of the ACM， march 2006.

[2]Jeannette M. Wing. computational thinking and thinking about computing philosophical transactions[J].series a， July 2008.

[3]Jancanny， LarrySnyder， Jeannette M. Wing. Demystifying CT for non-computer scientists[J].Work in progress， 2010.

[4]陳國良.計算思維[J].中國計算機學會通訊，2012（1）.

[5]李曉明，蔣宗禮，等.積極研究和推進計算思維能力的培養[J].計算機教育，2012（5）：1.

[6]蔣宗禮.計算思維之我見[J]中國大學教學，2013（9）.

[7]李波.計算思維與大學計算機基礎[J].中國大學教學，2012（7）.