基于計算思維的大學計算機基礎課程改革研究

張欣 贠永剛 王希

摘 要：本文闡述了計算思維素質培養的背景，通過分析大學計算機基礎課程教學面臨的問題，提出了從“計算思維意識”、“計算思維方法”和“計算思維能力”三個層次培養學員計算思維能力的教學改革思路。

關鍵詞：計算思維；課程改革；大學計算機基礎

1計算思維概念

第一次系統明確提出計算思維概念的是美國卡內基.梅隆大學的周以真教授。周以真教授提出，計算思維的本質是自動化和抽象化，它是運用計算的基礎概念去設計系統、理解人類行為和求解問題的一種方式方法，它是大多數人必須具備的思維能力。但是，該定義體系沒有明顯的結構，沒有完整的方法體系和思想基礎，而且沒有實際操作性。

計算機科學教師協會和國際教育技術協會給計算思維下了一個操作性較強的定義：它是一個問題求解的過程，該過程包括以下要素：①提出問題，該問題能利用計算機技術解決；②要能夠邏輯地分析和組織實施相關數據；③能通過抽象的方法，比如模擬仿真等得出相關數據；④問題具有一定的算法，支持用程序實現自動化解決；⑤能應用各種可能的辦法，從中找到最合理的解決方案，并且能綜合這些方案內容；⑥問題的求解過程能進行推理判斷。

2大學計算機基礎教學面臨的問題與挑戰

目前，在大學計算機基礎課程的教學中出現了一些問題，主要是“狹義工具論”的問題。“狹義工具論”就是認為計算機基礎教學就是教學員怎么將計算機作為工具使用。應該說這種認識對計算機的教育非常有害，這樣會使學員對計算學科的認識淡化，無助于計算技術中最重要的核心思想與方法的掌握。作為“狹義工具論”顯然不好，但在過去一段時間里，在高校中的確某種程度上存在這種傾向。

再來看教程，我們大學計算機基礎的教程名稱很多，諸如入門、文化等等，都被認為是計算機基礎課的教材。內容基本上是有關領域的濃縮版，把它壓縮在一起。好像網絡也講一點，人工智能、數據庫也講一點，都很濃縮。這會產生怎樣的后果？那就是：學員進入大學后，對第一門計算機課程的期望值普遍較高，但實施效果與學員的期望值差距較大，其根本原因是該門課程的定位及設計出現了偏差。有限的課堂時間無法滿足在“狹義工具論”的認識下，對于熟練使用各種計算機工具的目標要求。而計算思維的培育正是克服“狹義工具論”的有效途徑，及解決其他信息科技難題的堅實基礎。傳統計算機基礎知識的教學忽視了計算思維能力的培養，帶來了諸多問題，必須進行相應的改革。

3課程改革的主要內容和思路方法

3.1強化計算思維意識的學習途徑

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領域的一系列思維活動。計算思維并不是一種新的發明，而是早已存在的思維活動，是每一個人都具有的一種技能，與理論思維、實驗思維一起構成了人類的三大思維。計算思維強調問題求解的操作過程和機器實現，形式規整、問題求解和人機共存是其本質特征。

計算機基礎教學的對象是全體一年級學員，無論是基本概念還是進一步原理闡述，對于大多數大一新生而言都可能顯得晦澀難懂，教學可操作性不強，需要進行進一步探索研究。在計算機基礎教學中，計算思維的案例也是處處存在。在大學計算機基礎課程中，幾乎每一個概念都可以對應一種或多種計算思維方法。例如，Cache是預置和緩存方法，多核處理器是并行處理方法；在程序設計基礎中，各種常用算法以及各類問題的求解方法，如迭代法、遞歸法等，都是沒有爭議的計算思維方法。而計算機應用課程中，每一門課程、每一個項目都是多種計算思維方法的集合。在實踐課的教學上，可通過開展以上機實驗為重點的計算思維訓練，以及通過求解問題多樣化訓練計算思維等學習模式，以達到大學計算機基礎課程的終極目標，即培養學員的創新能力，提高學員的信息素養。

3.2豐富計算思維方法的教學內容

如何恰當、明確地將計算思維融入大學計算機基礎課程教學中，以提高學員運用計算機知識描述問題、抽象問題和解決問題的能力，對新形勢下計算機基礎教學而言是一個必須面對的課題。

3.2.1以思維為導向，設計理論與實踐的授課內容。學員具備思維意識到思維方法再到思維能力，是一步步實踐的過程。以計算思維為導向，采用面向能力培養的教學方法，圍繞計算核心原理的內容梳理與組織教學內容，明確什么是學員需要的，什么是學員不需要的，是教學改革的總體思路。針對不同基礎的學員，在案例和實踐項目中融入計算思維，分層次設計，以體現計算的原理和核心方法，激發學員興趣。同時，采用啟發式、探索式等多種方式授課，結合課內外知識，強化學員理解，推動學員自主運用所學內容。

3.2.2以案例做牽引，引入計算思維的講述方法。大學計算機基礎的課程教學在完成課程目標的同時，引入計算思維的講述方法。事實上，課程中很多內容都為計算思維能力的鍛煉提供了很好的詮釋和翔實的案例。如在講授計算機系統組成時，介紹圖靈機模型思想；在計算機硬件系統的設計中體現抽象化、自動化和流水線等計算思維思想；在介紹操作系統、進程控制、存儲管理等內容體現著抽象、并發、共享等計算思維的概念；講授計算機網絡時，介紹協議、約定等內容引出的抽象、分層、共享等計算思維思想等。因此，在教學過程中教員必須以教學內容的設計和實施為出發點，引導學員對問題進行抽象、分析，掌握所涉及的計算思維原理，使學員形成利用計算思維求解問題的思路。

3.3培養計算思維能力的教學措施

3.3.1為學員提供計算機學習環境。能力的培養離不開實踐的環節，為了培養學員的計算思維，要形成良好的氛圍，尤其是良好的學習環境。計算機公共實驗室，不僅要建立滿足需求的軟硬件環境，而且在開放時間上也要滿足學員需要。

3.3.2建設可持續的計算機學習形式。計算機必修課和選修課都是以某方面的知識講授為目的的階段性課程，而且集中在一、二年級，容易形成斷層，不利于培養計算思維。因此，在擴大計算機課程范圍的同時，更需要建立多種形式的計算機學習方式，例如定期講座、科研項目、學員實踐項目等。

4結束語

計算思維是人類三大科學思維方式之一，它作為一個問題解決的有效工具，正在改變著大學計算機基礎教育的教學模式。本文在課程教學中以計算思維為牽引，從課堂教學和實踐環節探析了在大學計算機基礎教學中培養計算思維的思路和方法，能夠讓學員深入領會計算思維，應用計算思維理念解決問題，可提升學員信息素質和創新能力。

（作者單位：空軍勤務學院）