如何在計算機教學中培養學員的計算思維能力

郭留英

摘要：本文從計算機基礎教學中如何培養學員計算思維能力出發，對“大學計算機基礎”課程教學改革展開了一些探討和研究，并將思維訓練融入到教學的各個環節，以期能夠有效地提升學員的綜合素質和能力，挖掘學員的學習潛能。

關鍵詞：計算思維；計算機教學；優點；存在問題；如何培養

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）22-0100-03

● 概述

近年來，隨著計算機技術及網絡的普及、應用以及人們計算機應用技能的不斷提高，計算思維的培養成為國內外研究的熱點。2010年《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》的核心要點強調，“需要把培養學員的‘計算思維’能力作為計算機基礎教學的核心任務”。因此，教師在培養學生解析能力，提高其閱讀、寫作和算術能力的同時，還應積極引導學生使其具有計算思維。

● 計算思維及特點

2006年，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授對計算思維進行了清晰系統的闡述。周以真教授認為，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。

其特點是，計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人操作機器執行。計算方法和模型使人們敢于去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，而且計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，并完全用符號來表示，其中，數字抽象只是一類特例。與數學和物理科學相比，計算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復雜。數學抽象的最大特點是拋開現實事物的物理、化學和生物學等特性，而僅保留其量的關系和空間的形式，而計算思維中的抽象卻不僅僅如此。

當前，計算科學與理論科學、實驗科學并列成為推動人類文明進步和促進科技發展的三大手段，而作為計算科學基礎的計算思維是創新思維培養的重要組成部分，是創新思維不可或缺的部分。美國著名心理學家吉爾福特（J.Guilford）提出：創造力是整個教育的關鍵，也是解決人類最嚴重問題的關鍵。因此，教師在進行“大學計算機基礎”課程教學時，不僅要培養學員的創新思維能力，更重要的是培養學生的計算思維。

● “大學計算機基礎”課程中存在的問題

大學計算機基礎課程是學員進入大學后的第一門計算機課程。近年來，許多高校都把該課程列為必修的公共基礎課程之一。在教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會提出的計算機基礎教學四個方面的能力目標中，涉及計算機學科專業能力的有對計算機的認知能力和應用計算機的問題求解能力。而這兩方面的能力恰好反映了計算思維的兩個核心要素，即計算環境和問題求解。

大學計算機基礎課程的培養目標是要求學員不僅掌握計算機科學與技術的基礎知識，而且應初步具備利用計算機分析和解決問題的意識與能力，從而為學員終身學習以及更好地使用計算機及相關技術解決本專業領域問題奠定基礎。

然而，目前大學計算機課程只是局限于對某些方面知識的學習，且以學期為周期。課程的學習僅注重知識的傳授，距離使學員初步具備利用計算機分析和解決問題的意識與能力，為學員終身學習以及更好地使用計算機及相關技術來解決本專業領域問題的目標還有很大的差距。例如，學員在高年級課程學習中，專業課的教師經常發現，當要求學員通過整理數據、分析數據，最終要得到一個結論時，學員往往茫然無措，不知該如何下手。

這一現象說明當前的大學計算機基礎課程在教學方面出現了問題，主要有三個方面：

首先，大部分學生認為大學計算機基礎課程可有可無。一直以來，部分教師和學生都存在著把計算機作為工具，如“計算機會用即可”“計算機基礎課程就是講解軟件工具使用”等片面觀點。這些觀點的流行對高校計算機基礎教學造成了巨大的沖擊，如大學計算機基礎課程的教學學時在專業培養計劃中被壓縮；計算機基礎教學資源得不到充分的配置；大學計算機基礎課程成了可有可無的課程；學員學習計算機基礎教學課程滿足于掌握計算機的基本操作、基本軟件的使用或基本程序設計語言，等等。

其次，學員學習目的不明確，積極性不高。非計算機專業的計算機基礎教學所開設的課程一般是應用基礎和一門程序設計語言，而一部分學員認為這些課程與自己將來所要從事的工作沒有關系，所以導致學員在學習過程中興趣不大。還有一部分學員在開始學習時的信心較大，但隨著學習難度的增大，逐漸產生了厭學情緒。

再次，大學計算機基礎課程具有孤立性。大學計算機基礎課程的開設比較獨立，它只是依據課程標準的要求進行。在課程設置上沒有和其他的專業課程相聯系；在課程的延續性上很少有教師與后續專業課程的教師進行溝通、探討；在學生學習計算機時，大部分學生只是機械、單純地學習計算機操作原理，缺乏實際應用的有效環節，甚至存有只要將教師布置的任務完成就可以的想法，而且學員在學習中遇到有關專業方面的問題，不知道該如何解決，也不知道該請教哪位教師。

● 應如何培養學員的計算思維

上述的問題嚴重制約了對學生計算思維的培養，因而我們必須對“大學計算機基礎”課程教學進行改革。

首先，大學計算機基礎教學為學員創新能力的培養奠定了基礎，不僅承載著優化學員知識結構的使命，也是培養學員動手實踐能力的重要課程載體，更是訓練學員掌握計算機學科領域獨特思維方式的基石。因此，在計算機基礎教學中，教師不僅要教授學員怎么使用計算機或進行程序設計，更要積極地培養其綜合素質與計算思維能力。同時，在指導學員學習計算機基礎課程時，不僅要使學員了解計算機是什么，計算機能夠做什么、如何做，更重要的是使他們知道本學科領域解決問題的基本方法與特點，即學習并掌握計算機領域解決問題的基本思維方法。總之，計算機作為通識教育的重要內容，不只是簡單地拓展學員在計算機方面的知識面，更需要展現計算機學科的思維方式。

其次，教師在課堂教學中應盡量采取師生互動討論的方式，讓每一位學員都參與進來，并通過學員講述、教員引導，歸納出問題所在，最后達到解決問題的目的。教師所設計的每次課都應有一條思維主線，教學內容圍繞這條主線展開和延伸。例如，在講授“計算機硬件結構”時，教師可以先讓學員討論并說一說計算機所擁有的基本部件，然后再由教師歸納并繪制出經典的計算機工作的原理圖，同時，還要讓學員思考影響系統工作效率的因素及改進方法，進而繪制出現代計算機工作的原理圖。又如，在講授“什么是信息技術”時，教師應先由概念引出人類獲取信息的方式，然后引導學員討論身邊有哪些信息技術以及這些技術的作用，從而引出利用計算機來進行信息處理的優勢，接著思考計算機如何進行信息處理，這就涉及文字、圖片、聲音等如何在計算機里表示，進而引出二進制以及如何將我們最熟悉的數值轉換成二進制的方法。

整個課堂教學由“學員發言→教員引出思考→學員提出解決方案→共同進行可行性分析→教員總結歸納”幾個環節構成。在教學設計中，教師要引導學員對問題進行抽象、分析，并使其掌握所涉及的計算原理，形成問題求解的思路。特別要設計好師生互動環節，給學員提出問題的機會，同時還要善于引導學員積極有效地思考、討論，鼓勵學員積極回答問題，探索問題的求解方法，從而使學員能在學習中思考，在思考中逐步培養計算思維。

再次，結合專業背景開展計算思維能力的培養。教學團隊應由不同專業背景、從事計算機研究與應用的教師組成，并結合不同院系的專業背景進行計算機教學。同時，教師在教學中要結合實例，重點介紹計算機在不同學科的應用和解決問題所涉及的方法和思想。從而達到既有闡釋計算機學科的普適思維，又有面向特定學科專業案例的教學效果，這樣則有利于學員對本專業計算機應用的認識和理解。

● 結束語

計算思維既然與人們的工作和生活如此密切相關，理所當然地應當成為人類不可或缺的一種生存能力。計算思維無處不在，當其真正融入人類活動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人人都應掌握，處處都會被使用。自然，它應當有效地融入到我們的每堂課中。同時，計算機基礎教學中計算思維能力的培養，是一個較為長期的過程，需要我們不斷探索與實踐。

參考文獻：

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