在大學計算機基礎課程教學中培養計算思維能力的研究

朱正國

（攀枝花學院數學與計算機學院，攀枝花　617000）

在大學計算機基礎課程教學中培養計算思維能力的研究

朱正國

（攀枝花學院數學與計算機學院，攀枝花617000）

0　引言

2006年3月，時任美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授在美國計算機權威期刊Communications of the ACM上發表了Computational Thinking（計算思維）一文，首次給出了計算思維的定義，2010 年11月陳國良院士在第六屆大學計算機課程報告論壇上所做的報告中第一次正式提出了將 “計算思維能力培養”作為計算機基礎課程教學改革切入點的倡議。在國內從事計算機基礎教學的專家和學者開始重視培養計算思維在計算機基礎教學中的重要作用。

1　開設大學計算機基礎課程的必要性

計算機基礎教學是大學通識教育重要的組成部分，大學計算機基礎教學是為非計算機專業學生提供的計算機知識、能力與素質方面的教育，其中的教學的目標是：培養能力和面向應用，即使學生掌握計算機、網絡及其他相關信息技術的基本知識，培養學生利用計算機分析問題、解決問題的意識與能力，提高學生的計算機素質，能夠善于應用現代信息技術和環境解決專業領域中的問題。我國把計算機定位為基礎課程，像數學和物理那樣成為人類學習知識和應用知識的基本組成和基本技能。

2　計算機基礎教學目前的現狀

目前計算機基礎教學最主要的是培養學生學會使用計算機，把計算機基礎僅僅是作為一門工具，但是學生沒有學到計算機精髓，學生只知道使用，沒有培養學生對計算機領域科學探索的興趣。

很多學校開設大學計算機基礎這門課程，就是為應付計算機等級考試，考試考什么就講什么，把考試過級率作為評價教學效果的重要的依據。學生知道怎么樣去應付考試，但是很多學生拿到具體的問題就無從下手了。

目前所采用的教學方法，學生普遍表現學習積極性不高，沒有一種像學習數學那樣發現問題解決問題的精神。上課氛圍沉悶，回答問題積極性不高。

計算機基礎教學更加重視培養學生對軟件的使用，學生掌握使用軟件的方法和技能，卻忽略了把思想教給學生，應該在計算機基礎教學過程中重視計算思維的作用，從掌握方法和技能上升到培養學生的計算思維能力。

3　計算思維的內涵

周以真教授認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為，它包括了涵蓋計算機科學廣度的一系列思維活動。計算思維代表著一種普遍的認識和一類普適的技能，每一個人，不僅僅是計算機科學家，都應熱心于它的學習和運用。通過分析我們可以發現它的深刻的內涵。

計算思維是人類科學思維活動重要組成部分，計算思維將會像數學和物理那樣成為人類學習知識和應用知識的基本組成部分和基本技能，必將滲透到我們每個人生活中，我們利用啟發式推理來尋求問題的解答，作為認識世界和理解世界的重要基本工具。計算機基礎教學應貼近現實生活，這樣在從事教學過程中，我們無意識地運用計算思維解決問題，培養學生運用計算思維去解決現實生活中的問題。

計算思維應融入到每個專業，不只是計算機專業，讓學生剛進入大學接觸計算方法和模型，激起學生對計算機領域科學探索的興趣，把學習作為一種學習興趣。每個專業和領域都需要發現問題、解決問題，計算思維就是用來培養學生理解和解決現實中的問題。

計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為，是計算機技術在具體現實中的應用。例如：現在我們可以利用網站購買火車票；醫院的掛號窗口可以用醫院的系統來實現掛號和交費，這些都是計算思維解決問題的目的。

4　計算思維在大學計算機基礎課程中的培養

（1）計算機的發展階段是計算思維內容的拓展，是計算思維作用的體現

（2）微型計算機的發展是根據微處理器的字長和功能劃分的，是計算思維應用具體實現；

（3）計算機的特點和類型都是與計算相關的思維活動；

（4）計算機的應用領域已經應用到人類生活、生產及科學研究的各個領域中，如科學計算、信息處理、辦公自動化、生產自動化、人工智能等各個領域，這些都是計算思維活動的體現；

（5）計算機系統的組成，就像人身體的組成一樣，是計算思維決定了計算機的組成各個部件；

（6）計算機的工作原理，用計算思維的方式確定了解決問題的方法，馮·諾依曼體系結構的現代計算機設計的一個最基本的思想是“存儲程序”的原理；

（7）使用Windows和Office，是計算思維活動的體現。

在大學計算機基礎課程中無處不存在著計算思維應用案例。

程序設計是計算思維的重要體現。程序是由算法和數據結構構成的，算法是操作的描述，數據結構是對數據的描述，而在實際應用中，我們還需要程序設計方法和語言工具及開發環境。算法是為解決一個問題而采取的方法和步驟，算法是用計算思維來解決問題對的，是計算思維的體現。每個程序的設計都需要大量的算法，這些無非都是計算思維活動的體現。無論是面向過程程序設計還是面向對象程序設計都是計算思維。

5　計算思維在大學計算機基礎課程中的實施策略

為了提高計算機基礎教學的質量，全國大部分高校都在進行計算機基礎教學的改革，而培養學生的計算思維是大學計算機基礎教學改革的重要方法。培養學生的計算思維，重要的是在課程中逐步引入計算思維，先前的教學過程隱含了計算思維的方式，是潛移默化的使用了計算思維，但是沒有明顯地直接提出來，現在我們在大學計算機基礎課程中顯示地增加計算思維的相關知識，不是改變以往所講的知識點，而是把計算思維與所講的課程內容結合起來，提高學生學習的積極性，激勵學生探索計算機科學領域的興趣。

學校可以單獨開設計算思維這門課程，大一新生剛入校就學習這門課程，把計算思維作為一門基礎課程，是學生今后學習的一門基礎課程。主要介紹計算、計算科學，以及計算機歷史、計算機應用和計算機發展趨勢；計算系統的基本思維，通過馮·諾依曼計 算機、現代計算機和不同抽象層次計算機的介紹，試圖使讀者能夠遞進地理解計算系統；問題求解框架，通過算法類問題和系統類問題的求解過程的介紹，試圖使讀者能夠理解社會問題、自然問題求解的兩種手段；算法與復雜性，通過幾個精選的典型算法類問題的討論與探索，試圖使讀者能夠建立起算法的思維方式與基本研究算法；數據抽象、設計與挖掘，通過對數據相關技術的討論與探索，試圖使讀者能夠建立起以數據的獲取、管理、分析與挖掘利用的思維方式，進而深入理解計算科學的基本研究方法—抽象、理論與設計；計算機網絡、信息網絡和網絡化社會，通過對技術網絡、信息網絡及形形色色的網絡的討論與探索，試圖使讀者建立起網絡話的思維方式，并理解網絡化環境的基本研究方法。

以往的計算機基礎教材都是先講計算機基礎知識，再講Windows和MS Office操作，這種計算機和具體軟件應用方面的學習固然重要，但是如果沒有計算思維，那么你只是學會了操作這個軟件，如果你領會了計算思維，這些軟件就可以融會貫通，即使今后軟件更新，但是實質沒有發生變化。未來的軟件更新速度非常快，樣式變化也非常大，面對未來巨大的變化，所以只有學會計算思維才學會了本質。實際上無論是理論知識還是操作部分都有計算思維，我們可以在計算機基礎知識這里面增加計算思維相關的知識，向學生介紹科學與科學思維的內涵、計算思維的內涵與概念、計算思維的特征，在講授計算機基礎知識的同時顯示的提出各個知識點是怎么樣體現計算思維的。在操作部分，講授計算思維的具體應用。

（1）用案例教學方法來體現計算思維

在授課的過程中，采用案例教學法能夠把現實生活中的案例呈現給學生，案例教學方法不同于傳統的教學方法，傳統的教學方法是以教師為中心先講述書本上的理論知識，然后講解書上的例題，接下來讓學生做教學指導書的上的習題。而案例教學方法在課堂教學過程中不先講理論，而是先給學生們展示一個現實生活中的案例，這個案例里面包含了本次課要講解的知識點，讓學生從現實的實際案例出發，最后讓學生從感性認識上升到理性認識，而這些案例中就充滿了計算思維，通過現實生活中的案例來體現計算機思維。

（2）在各章知識點中引入計算思維

①計算機的發展階段是計算思維內容的拓展，用計算思維的思想來講解計算機的發展；

②微型計算機的發展是根據微處理器的字長和功能劃分的，從計算思維的角度講解微型計算機的發展；

③在講解計算機的特點和類型時引入計算思維；

④計算機的應用領域已經應用到人類生活、生產及科學研究的各個領域中，如科學計算、信息處理、辦公自動化、生產自動化、人工智能等各個領域，講解計算思維是如何體現在這些應用當中的；

⑤計算機系統的組成，把計算機的組成形象地比喻成了人身體組成部分，用計算思維講解如何決定了計算機的組成各個部件；

⑥計算機的工作原理，如何用計算思維的方式確定了解決問題的方法，馮·諾依曼體系結構的現代計算機設計的一個最基本的思想是“存儲程序”的原理；

⑦使用Windows和Office，是如何進行計算思維活動的。

（3）用計算思維解決問題

①避免單純的介紹知識，在講解知識的過程中引入了大量的概念、定義，但是沒有深入闡釋期出現的背景和動機，使初學者掉入概念與術語的海洋中。“知識、術語”隨著“思維”的講解而介紹，“思維”隨著“知識”的貫通而形成，能力隨著思維的解釋而提高。

②從問題分析入手，強化如何進行抽象，如何將現實問題抽象為一個數學問題或者一個形式化問題，提高問題表述及問題求解的嚴謹性。

③以圖示化的方法來展現復雜的思維，盡量通過規模較小的問題求解示例來展示復雜的問題的求解。

④要有一定的深度，這種深度不是追求理論與數學，而是追求“問題”及問題的討論。通過逐步地提出問題，引導學生從一個較淺的理解層次過度到較深如的理解層次。

6　結語

本文首先介紹了大學計算機基礎這門課程的重要性，但是目前這門課授過程中忽略了學生計算思維，通過對計算思維內涵的講述，我們可以發現培養大學生計算思維是非常重要的，要改變過去枯燥的講解理論的教學方法，學生只有領會了計算思維，才能真正掌握所學過的知識，在講授大學計算機基礎這門課程過程中，要給學生顯示的引入計算思維。實踐表明，在大學計算機基礎課程中引入計算思維符合學生學習認識的規律，使學生從感性認識上升到理性認識，能充分調動學生學習的積極性和激發學生學習興趣，提高了學生的分析問題、解決問題的能力，提高了學生的動手能力，使教學不再局限于書本，擴大了學生的學習的視野。培養學生計算思維為推進大學計算機基礎教學的改革提供了依據。

［1］陳國良，董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育［J］.中國大學教學，2011（1）:7-11.

［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］占德臣，聶蘭順.大學計算機-計算思維導論［M］.北京：電子工業出版社，2013.

College Computer Basis；Computational Thinking

Research on Fostering of the Computational Thinking Ability in Computer Basis Course Teaching of University

ZHU Zheng-guo

（College of mathematics and Computer of Panzhihua University,Panzhihua 617000）

1007-1423（2015）32-0067-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.32.016

朱正國（1980-），男，吉林樺甸人，碩士研究生，講師，研究方向為數據庫、計算機網絡等

2015-09-01

2015-11-01

闡述大學計算機基礎課程的重要性，探討目前教學中存在的問題。分析計算思維對當代大學生學習的重要性，指出目前計算機思維在教學中的所處的現狀，提出計算思維在大學計算機基礎課程教學中的實施方案。

大學計算機基礎；計算思維

攀枝花學院校級教研教改項目（No.JJ1422）、四川省高校計算機基礎教育研究會2014-2016年教育教學改革研究課題（2014-06）

This paper states the importance of the college computer basic course and the problem exiting in the class firstly.And it then analyses the importance of computational thinking for present-day college students.It points out what is comptational thinking at present and puts forward the implementation plan for the computatinal thinking ability in the college computer basic course.