計算思維在大學計算機基礎(chǔ)教學中的應(yīng)用探索

陳春麗

摘要：計算思維能力培養(yǎng)在大學計算機基礎(chǔ)教學過程中已受到了廣泛重視，因此大學計算機基礎(chǔ)教學內(nèi)容面臨迫切改革。本文基于我校學生的實際情況，探討了大學計算機課程基于計算思維的教學內(nèi)容和教學方法的變化，并以“信息編碼”為例分析了以計算思維為基礎(chǔ)的具體教學單元實施方法。

關(guān)鍵詞：計算思維；大學計算機；基礎(chǔ)教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）28-0138-02

一、引言

計算機學科對于社會的發(fā)展具有非凡的意義。現(xiàn)在社會計算機的應(yīng)用范圍越來越廣，幾乎普及到了社會的各個領(lǐng)域，因此大學計算機課程也越來越重要，正因為它的重要性及普及性，也使得大學計算機基礎(chǔ)的教育內(nèi)容及教學方法存在很多問題。目前，我國大學計算機課程的傳統(tǒng)教學方法與教學內(nèi)容存在知識陳舊、與實際應(yīng)用需求脫節(jié)等問題。一方面，隨著中小學開始普及信息技術(shù)知識，使得高校計算機基礎(chǔ)課程的部分教學內(nèi)容與中小學信息技術(shù)課程內(nèi)容存在一定的重復(fù)現(xiàn)象，造成學生學習興趣不大；另一方面，當前的教學模式主要側(cè)重計算機基礎(chǔ)知識的講授，缺乏對計算思維方面的培養(yǎng)。本文基于大學計算機基礎(chǔ)教學中的十年教學實踐，探討了如何將計算機基礎(chǔ)教學由簡單的知識傳授轉(zhuǎn)為以計算思維為引導(dǎo)的教學方式方法，以有效提升學生解決計算問題的能力。

二、大學計算機基礎(chǔ)課程教學存在的弊端

大學計算機基礎(chǔ)課程在高?；A(chǔ)教育中具有不可替代的作用，這是眾所周知的。隨著科學技術(shù)和經(jīng)濟的快速發(fā)展，計算機技術(shù)在各行各業(yè)開展迅速并且應(yīng)用越來越廣泛，幾乎在各個領(lǐng)域普及。這就要求從事各個行業(yè)的人群都要適當?shù)卣莆沼嬎銠C技術(shù)，這樣才能適應(yīng)時代的發(fā)展，不會被社會淘汰。由此可見，大學計算機基礎(chǔ)課程對非計算機專業(yè)人群掌握計算機技術(shù)來說至關(guān)重要，不但要培養(yǎng)大學生對計算機的使用，更要了解計算機的計算思維。然而，目前在大學計算機基礎(chǔ)課程教學中出現(xiàn)了如下一些不容忽視的問題。

1.大學計算機基礎(chǔ)課程與中小學信息技術(shù)課程部分內(nèi)容存在重復(fù)的問題。當前與信息技術(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)課程正在向中小學普及，進入大學的新生已具備了一定的計算機基礎(chǔ)知識和操作能力。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，有98.15%的學生在上大學之前使用過計算機，但有74.8%的學生對計算機的使用僅停留在上網(wǎng)聊天的水平，這導(dǎo)致學生對大學計算機基礎(chǔ)課程缺乏興趣，同時其對計算機基礎(chǔ)課程的認識和掌握程度仍然比較薄弱。

2.前期大學計算機基礎(chǔ)課程教學側(cè)重于對基本知識的傳授，即教學生如何使用計算機，而忽略了計算機思維的培養(yǎng)。很多非計算機專業(yè)的學生僅僅學習如何使用電子文檔、電子表格或者簡單的Windows操作等。這些內(nèi)容又和中小學的信息技術(shù)課程有一定的相似性，學生難免會在學習的過程中產(chǎn)生一些厭煩情緒，由于對所學知識有一定的熟知程度，造成學生缺乏學習興趣，要么逃課要么睡覺的局面。事實證明，不只是我國的計算機基礎(chǔ)教學課堂存在這樣的問題，國外的計算機基礎(chǔ)教學課堂同樣如此，一些學生在課堂學習中抄襲和作弊，很多非計算機專業(yè)的學生不能培養(yǎng)計算思維方式并從中體驗計算的快樂感。學生無法從計算機基礎(chǔ)教育的過程中了解新的知識，也無法體會學習的樂趣。

3.大學計算機基礎(chǔ)課程主要集中在一年級上課，對于非計算機專業(yè)的學生來說，二年級以后雖然有少量的選修課，但也僅僅是和專業(yè)課不相關(guān)的操作性課程，與專業(yè)課的學習聯(lián)系很少。對學生來說，學習計算機就是單純的學習計算機基礎(chǔ)知識和操作方法，缺乏實際應(yīng)用環(huán)節(jié)。導(dǎo)致學生實踐能力較弱且應(yīng)用能力不足，尤其是偏遠山區(qū)學生從未接觸過計算機，基礎(chǔ)原本較差，單純的學習計算機的操作反而可能對學生以后掌握計算機形成障礙。

三、計算思維與素質(zhì)培養(yǎng)

人類科學思維的基本方式之一就包含了計算思維，它屬于思維科學的一個領(lǐng)域。目前被廣泛認可的計算思維概念是由美國卡內(nèi)基·梅隆大學周以真教授提出的，即計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化，它主要反映了計算的根本，也就是什么能被有效地自動執(zhí)行。

大學計算機基礎(chǔ)教學是計算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵，在課程構(gòu)建與素質(zhì)培養(yǎng)方面需要緊緊圍繞計算思維這個重要內(nèi)容。首先，計算思維的認識領(lǐng)域，我們應(yīng)從定義、本質(zhì)和它對其他學科的影響進行引導(dǎo)，幫助學生樹立對計算思維的正確認識和學習。其次，在對計算思維的應(yīng)用方面，要從具體學科的根本問題出發(fā)，培養(yǎng)學生利用計算思維解決問題的一般步驟，通過輔以相應(yīng)的計算機軟硬件基礎(chǔ)、算法基礎(chǔ)、程序設(shè)計語言等，使學生深刻理解計算思維在解決問題過程中所發(fā)揮的作用。最后，在教學方法方面，培養(yǎng)學生計算思維的方法是多樣的，一般以經(jīng)典案例為基礎(chǔ)更容易被學生所接受，強化對基礎(chǔ)概念的理解，目的是提高學生的計算思維能力。

四、大學計算機基礎(chǔ)教學中運用計算思維設(shè)計案例

為了方便理解計算思維概念，從計算思維的視角為計算機基礎(chǔ)課程設(shè)計教學內(nèi)容。以信息編碼為例，傳統(tǒng)教學中，它們是一個死的知識點，對它的說明主要是二進制與其他非二進制的轉(zhuǎn)換過程，完全是一個數(shù)學化的過程，對于理工科的學生來說，這種簡單的數(shù)學化轉(zhuǎn)變過程可講可不講。但從計算機思維的角度來說，它是計算機工作的一個重要過程。它對于學生理解計算機是如何工作的具有很大作用。這里以“信息的編碼”部分的教學為例，分析說明相關(guān)教學內(nèi)容的設(shè)計過程。

（一）問題的提出

計算機是處理信息的機器，也即處理0和1的機器。但自然界的信息豐富多彩，有數(shù)值、字符、聲音、圖像、視頻等。如何才能實現(xiàn)計算機自動處理的功能呢？我們需要解決的核心問題是：現(xiàn)實世界中的信息如何表示才能被計算機識別，并存儲識別的信息，根據(jù)數(shù)字計算要求進行執(zhí)行，最后給出結(jié)果。在每一部分，通過提出適當?shù)膯栴}，選擇最佳的方案進行解決。

（二）解決思路

解決上述核心問題的最重要思路就是信息編碼。不論是數(shù)值信息還是非數(shù)值信息，計算機只能識別0和1，換句話說，只要能表示成0和1的數(shù)據(jù)，就能夠被計算。因此可以總結(jié)這一過程為：物理世界/語義信息—符號化—信息編碼（也即是0和1）—數(shù)字計算—軟硬件實現(xiàn)。即：任何事物只要能夠表示成0和1，就能被計算機所處理。

（三）現(xiàn)有的信息編碼

根據(jù)現(xiàn)實世界中信息的不同種類，采用不同的信息編碼形式。數(shù)值信息采用機器碼和BCD碼；非數(shù)值的字符信息大多采用ASCII碼來表示。而我國的漢字字符繁多又比較復(fù)雜，編碼比拼音文字困難，因此在不同的場合要使用不同的編碼形式，主要有國標碼、輸入碼、內(nèi)碼、字形碼等。圖形圖像與視頻又相對于前面提到的編碼相對復(fù)雜，各種對應(yīng)不同的編碼方式。

從上例中不難看出，計算思維教學的內(nèi)容設(shè)計講述的是實現(xiàn)的思維而不是實現(xiàn)的細節(jié)，知識存在于思維的講解與練習之中。

五、結(jié)語

周以真教授提出的計算機思維，正在無形中改變著大學計算機基礎(chǔ)教育的教學模式，為了使學生掌握這個有效的工具，在大學計算機基礎(chǔ)教育的教學過程中，教師應(yīng)根據(jù)教學內(nèi)容改變教學思路和教學方法，設(shè)計不同于傳統(tǒng)教學的案例，引導(dǎo)學生正確理解計算思維，并能把計算思維活學活用到各個領(lǐng)域。期望通過大學計算機教學對學生計算思維的培養(yǎng)，以提高學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。本文在課程教學中以計算思維為引線，以“信息編碼”為案例探索了大學計算機基礎(chǔ)教學中培養(yǎng)計算思維的思路和教學內(nèi)容設(shè)置，讓學生深入體會計算思維并能夠使用計算思維解決實際問題。

參考文獻：

[1]President's Information Technology Advisory Committee. Computational Science：Ensuring America's Competitiveness[EB/OL].http：//www.nitrd.gov/pitac/reports/20050609_co-mputational/computafional.pdf，June 2005.

[2]何明，等.基于計算思維的大學計算機基礎(chǔ)課程改革方法探析[J].計算機工程與科學，2014，（4）.

[3]P.J.Denning.Great Principles of Computing[J].Communications of the ACM，2003，46（11）.

[4]Jeannette M.Wing.Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（3）.