程序設計課程中“計算思維”能力培養初探

【摘要】本文首先從計算思維的概念、特點和國內外研究發展情況等三個方面闡述了它的重要性。然后介紹了計算思維能力培養的研究現狀。針對計算機教育面臨的主要問題，強調了編程實踐主要鍛煉了的思維能力，并建議開展科學思維方式指導下的動腦實踐創新活動。最后，探討發散思維、分類與分治思維、構造性思維等計算思維的培養方法，并舉例。

【關鍵詞】計算思維；程序設計；思維能力培養

【中圖分類號】TP312.1-4；G642 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）14-0022-02

近年來，移動通訊、物聯網、云計算、大數據、量子計算這些新概念和新技術的出現，在社會經濟、人文科學、自然科學的許多領域，已越來越多地依賴計算機作為分析和解決問題的工具。在這個過程中，最重要的不是如何解決問題的具體技巧，而是如何把問題轉化成能夠用計算機解決的形式，這正是計算思維培養所強調的內容。

計算思維（Computational Thinking）的定義是在2006年，由美國卡內基·梅隆大學周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計算機權威期刊Communication of the ACM上首次提出的。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。計算思維以表示的形式化和執行的機械化為特點，抽象和自動化是其本質的內容。

現在，計算思維是國際計算機界廣為關注的一個重要概念，也是當前計算機教育需要重點研究的課題。

在美國，計算機協會（ACM）2008年在網上公布對CC2001（CS2001）進行的中期審查報告（CS2001 Interim Review）（草案）中，就明確將“計算思維”與“計算機導論”課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計算思維的本質[1]。美國國家計算機科學技術教師協會（CSTA）在網上發布了得到微軟公司支持的“計算思維：一個所有課堂問題解決的工具”（Computational Thinking：A problem solving tool for every classroom）報告[2]。另外，計算思維還直接促成美國國家科學基金會（NSF）重大基金資助計劃CDI（Cyber-Enabled Discovery and Innovation，Cyber能夠實現的科學發現與技術創新）的產生。CDI計劃旨在使用計算思維（特別是在該領域產生的新思想、新方法）促進美國自然科學和工程技術領域產生革命性的成果。CDI的最終研究成果將使人們的思維模式發生轉變。這種以“計算思維”為核心的轉變，要反映在美國國家自然科學與工程，以及社會經濟與技術等各個學科領域[3]。美國麻省理工大學、斯坦福大學、卡內基·梅隆大學等著名高校紛紛設置了面向全校的以問題求解為核心的“計算思維”通識課程。

在我國，計算思維的重要性也已引起了科學家和教育界的高度重視。2008年，教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會在陳國良院士的帶領下，從計算思維的基本概念出發，就哲學層面、科學層面、教學層面的表達形式進行了深入的討論，逐步實現計算思維從哲學的表達體系向教學表達體系的過渡[4]。20l0年7月，北京大學、清華大學、西安交通大學等9所“985工程”高校在西安召開了首屆“九校聯盟（C9）計算機基礎課程研討會”，發布了《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》。該聲明明確了要旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務。2012年8月，教育部高教司設立以計算思維為切入點的大學計算機課程改革項目，包括3項“大學計算機課程系統性規劃研究項目”和19項“大學計算機系列課程及教材建設項目”。

一、研究現狀

這種自上而下的倡導方式，使得計算思維這種新的理念很快得到了各級各類高校的大力重視，隨著實踐的不斷推進，研究的規模逐漸擴大，主要分為：理論研究、實踐研究兩大類。

理論研究主要涵蓋計算思維的概念、內涵、思想、原理、特征、方法論等方面。實踐研究從研究范圍看，涉及：現狀思考、課程體系、課程內容、教學方法、質量評價等多個方面。從研究對象看，主要分為：通識基礎課程、計算機專業課程、非計算機專業課程。

計算思維能力培養是計算思維領域研究的重點，發文量逐年穩步增長。總體思路是以計算思維核心方法——“構造”為出發點，突出以“構造”為特征的問題求解方法的能力培養。具體做法是以算法與程序設計、計算機網絡等方面為主要教學內容，通過改進教學方法引導學生體會知識背后所蘊含的計算思維規律和特點，研究中注重介紹這些內容中所涵蓋的計算思維應用。

二、存在的問題

（一）對于思維教學缺乏正確的認識

人們普遍認為“講思維等同于講理論”，“講理論不實用”。以上觀點造成了過分青睞工程實踐而忽略了基礎教學。同時，為了迎合學生的興趣，過分強調對計算機新技術和更實用的技能的教學，而忽略了基礎類課程的學習。從中國計算機教育的角度來看，計算機編程、工程實踐和計算機基礎理論、設計思想之間的矛盾和沖突依然存在。教育及研究一直努力尋求它們之間的平衡。

（二）對于思維模式革新缺乏正確的指導

人都有慣性思維，善于常用的方式思考，善于常用的行為方式處事。在計算機程序設計課程的學習中，學生對某一類問題形成思維定式。思維定式在環境不變的條件下，使學生能夠應用已經掌握的方法迅速解決問題，而在情境發生變化時，它則會妨礙學生采用新的方法，消極的思維定式是束縛創造性思維的枷鎖。固有的思維模式是長期教學過程中形成的，而忽略了學生開放的、科學的思維模式的培養。如何通過教學改革建立新的思維模式是教育工作者面臨的主要問題。

（三）對于創新能力的培養缺乏正確的方法endprint

創新能力是運用知識和理論，在科學、藝術、技術和各種實踐活動領域中不斷提供具有經濟價值、社會價值、生態價值的新思想、新理論、新方法和新發明的能力。雖然計算思維能力培養目的在于提高學生的思維素養，其最高目標是為了創新，但是如何增強學生的創新意識和創新欲望、打破思維定式以及彌補應試教育模式存在嚴重缺陷等問題還需要進一步的探討研究。

三、程序設計課程中“計算思維”能力的培養

（一）發散思維培養

發散思維是指大腦在思維時呈現的一種擴散狀態的思維模式，它表現為思維視野廣闊，思維呈現出多維發散狀，如 “一題多解”、“一事多寫”、“一物多用”等方式。

程序設計教學的教育價值在于突出計算思維，在教學過程中由于學生認知方式的差異，必然會導致用不同算法解決問題。此時，教師不應該糾正學生思路的錯誤，而是引導用學生的思路來完成程序，最后，再來比較學生的程序與教師提供的程序，各有什么優點和缺點。教師應該尊重每位學生的個體特征，鼓勵學生從不同角度認識問題，用不同方式表達算法，用不同方法實現問題求解。同時教師給予適當的評價，就是尊重學生不同的認知方式、培養學生的創新意識、探索精神和問題求解能力。

（二）分類與分治思維培養

分類是揭示概念外延的邏輯方法，其目的是可以使大量的、繁雜的數據信息條理化，以便于探索和掌控事物的發展規律。分治是特殊的分類，類似于軟件設計的模塊化方法，把一個大問題分成若干小問題，然后分別解決小問題。通常情況下，小問題與原問題相似，我們可以遞歸地運用分而治之的思想來解決。分類和分治的作用在于能夠使復雜的問題條理化、簡單化和系統化，通過對各類情況“分而治之”，達到解決復雜問題的目標。

（三）構造性思維培養

構造性思維體現在構造數學模型來解決問題。我們將初始的問題劃歸為模擬化或理想化的模型，模型是實際待解決問題的抽象，它篩選出問題求解的最相關部分，便于更加清晰地表達問題，更直觀地發現其中的規律，進而提高了求解問題的效率。模型的建立是用于解決一類具有“相同性質”的問題，解決一個經典模型就相當于解決了一類問題。

四、總結與展望

計算思維能力被公認為是繼讀、寫、算之后的第四種基本能力，是能廣泛應用至社會各個領域的基本能力。一方面，不能簡單地將計算思維能力的培養局限于某幾門課程，應加以拓展至計算機基礎其他知識模塊乃至其他課程，使之能夠對人們的學習、工作、生活等領域起到指導與促進作用；另一方面，需要對加強對計算思維能力培養的教學設計研究，為一線教師提供具體的、可供參考的教學案例。

參考文獻

[1]CS2001 Interim Review [EB/OL]. http：//wiki.acm.org/cs2001/index. php？ title=main_page， 2008.

[2]PhilipsP.Computational Thinking：A problem solving tool for every classroom[EB/OL]. http：//www.csta.acre.org/Resources/sub/ResourceFiles/ComputationalThinking.pdf，2008.

[3]Cyber-enabled Discovery and Innovation（CDI）[EB/OL].http：//www.nsf.gov/crssprgm/cdi/

[4]李廉. 以計算思維培養為導向深化大學計算機課程改革[J].中國大學教學，2013（4）：7.

作者簡介：

時書劍（1981年-）女，漢，山東泰安，碩士研究生，講師，研究方向：模式識別。endprint