創造性計算思維能力培養的研究

鄒海洋，李明東，陳沙沙

（1.西華師范大學 計算機學院，四川 南充 637009；2.西華師范大學 校地合作處，四川 南充 637009)

1 背 景

創造性計算思維是一種復雜的思維方式，它基于計算機平臺的技術，是對多門學科的總結和融合，最終形成一種貫通融合的理性思維。現階段，人們的思想始終還局限于“狹隘工具論”，認為學會“用”即可，忽略了對創造性思維能力的培養。

1.1 創造性計算思維的發展現狀

計算思維能力最早是在 2006年由周以真教授在《Communications of the ACM》雜志上提出的，并且在后期的研究中給出了其基本的概念及其內在的含義[1]；2009年，由李國杰院士任組長的中國科學院信息領域戰略研究組撰寫的《中國至 2050 年信息科技發展路線圖》[2]和2010 年《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》的核心要點也強調“需要把培養學生的‘計算思維’能力作為計算機基礎教學的核心任務[3]。美國、英國、澳大利亞相繼的將計算思維能力納入進了教學方案中，因此作為計算思維的延伸創造性思維能力的培養勢在必行。

1.2 對創造性計算思維的剖析

創造性計算思維具有遞歸的思想，遞歸源于計算機編程的一種思維方法，它主要涉及以下幾個方面：①學生能力的差異性；②要解決問題的復雜程度，包括時間和空間復雜程度；③判斷問題解決的基本條件；④問題解決所需要的計算機技術；⑤解決問題好壞的評定標準。

創造性計算思維始終伴隨著計算機技術的發展而發展，社會要求我們必須具有信息素養、計算思維、應用計算機等三方面的能力[4]，我們應該打破專業壁壘，各學科應該以計算機為紐帶，相互交叉滲透。在培養計算思維的同時，也要注意培養學生的應用能力、主動發現問題和解決問題的能力，逐步形成創造性計算思維理念。

2 教學體系的設計過程

在培養創造性計算思維理念的過程中要注重學生對基礎知識點的鞏固和理解，可以通過大量實踐項目來加強他們自身能力和素質的提高，同時也要注重學生自主性的培養[5-6]。

2.1 教學方法

以教學課堂為主，學生自主學習為輔，適當的項目教學法為有益補充，讓學生真正利用計算思維的方式去解決各種復雜的問題，從而形成創造性計算思維的理念[7]。

2.1.1 情景引入法

通過對數據庫中基礎知識點的介紹，如SQL Server數據庫主要包括“庫”“表”“視圖”等三大類的基礎知識點，教師可以根據知識點之間內在的關聯性，逐步分層次的引入，在授課過程中，可以通過具體的生活實例，讓學生產生共鳴；隨后引入相關的知識點及其理論基礎，加深學生的理解。

1）關于“庫”講解。

在教學中，首先讓學生從“倉庫”的概念入手，自己歸納總結歸納出倉庫的特點：

（1）既能存儲某些物品，也能取走物品；

（2）倉庫必須是安全的，必須要有管理人員。

隨后引入相關的知識點“數據庫”，提出“數據庫”就是起到這樣作用的倉庫，只不過存儲的介質是數據，而數據都是以“表”的形式存在的；為了保證數據庫的安全，自然而然就提出 “數據庫管理員”（DBA）及“權限”的概念及原理。

2）關于“表”講解。

繼續應用情景假設法引入“表”的概念，例如：日常生活中主要應用倉庫存儲某些物品，假設你是倉庫管理員，你對存儲物品會有怎樣的想法。同學們自然而然會歸納出：

（1）存儲的物品要有一定的規律，這樣容易找；

（2）倉庫中的空間利用率要最大化，這樣能降低成本。

針對學生的歸納，教師再進行相應知識點的講解。首先是規律性，數據庫所儲存的數據是以表的形式存在，即是多個相互關聯表的集合，表和表之間是通過“外鍵”進行關聯的；表中數據查詢可以通過簡單查詢和復合查詢進行。簡單查詢理論基礎來源于專門的關系運算符如：選擇（Selection）、投影（Projection)、連接（Join）、除（Division)和傳統的集合運算的有效結合；復合查詢是對數據查詢的進一步深化，我們可以通過這種講解相關知識點的方式來完成前期課程的導入。

其次，對于存儲空間利用率的最大化，我們可以通過降低數據冗余度，這里的“冗余”是指通過對表進行拆分，從而實現存儲空間浪費最小化的一種手段。那么我們是以什么來對表進行劃分，則引入“范式”相關概念、原理。

3）關于“視圖”講解。

讓學生繼續思考，可以假設自己是公司倉庫的管理員，公司有多個倉庫，近期要賣出一部分的貨物，而這批貨物涵蓋各個倉庫，提貨時間一旦確定，就必須馬上出貨，你會怎么做？學生自然會想到將貨物提取出來，放到一個倉庫中，并記錄好。借此實例，引入“視圖”的理論，視圖就是我們從相互關聯的多張表中提取部分數據而組成一張新的虛擬的表，隨后進行概念、原理及實例的講解。

2.1.2 對知識點的梳理

SQL Server數據庫主要包括：數據庫的創建和管理、表的創建和管理、表的增刪改操作、表的查詢、索引、視圖、存儲、觸發器、事物及游標等相關知識點的內容。這些內容都實現對表的特定操作，可以說“表”是整個數據庫的核心和靈魂。在講解具體知識點之前，首先要明確它們之間的邏輯關系，使學生對數據庫的內容有整體了解。具體過程如下：數據庫是被數據庫管理系統（DBMS）管理下多個“表”的集合；它們之間是通過“外鍵”進行相互關聯的；表中數據查詢可以分為簡單查詢和復合查詢，為了實現快速查找，索引由此而生；視圖是解決涉及多張表的查詢；存儲過程是當表中的數據滿足一定的條件，自動執行的功能；觸發器即是存儲過程的一個特例；事物和游標是對表中數據實現逐行訪問。表1列出SQL Server數據庫知識點的邏輯結構。

在整個授課過程中，選取具有代表性的13個知識點，并且逐一進行實例化的講解，加深學生對知識點的理解；在此過程中，利用專業設備錄制講解過程，整合成相應的微課程，作為課后學生學習和復習的資料。下面以“如何創建數據庫的過程”這一知識點為例給出具體微課程的設計過程，整個視頻5分35秒，包括了4個模塊，涵蓋相關的15個知識點（見表2）。

最后，通過課后思考題，即是對本次微課程的重點進行回顧，還為后續的知識點引入埋下伏筆，具體設計結果見表3。

2.1.3 實訓過程

在SQL SEVER數據庫教學結束后，通過結合程序語言引入適當的項目，我們主要通過進行“實例講解”“實訓項目”等教學方法來實現。在“實例講解”中，老師起到主導作用，通過講解和演示，介紹與項目相關的基礎知識點，讓學生自己組織和歸納知識的主體結構；“實訓項目”是以學生為主體，教師只是輔助和引導，由學生自主完成某個具體項目，這個過程主要強調實用性

和適用性，是對計算思維方式的深化，從而最終形成創造性計算思維。通過項目教學法，學生會在學習過程中逐步體會計算思維的理念，使其真正轉化成自身能力的一部分。

表1 SQL Server數據庫知識點的邏輯結構

表2 微視頻的設計

表3 練習題設計

2.1.4 項目答辯

項目實訓結束后，通過對項目進行答辯，更進一步加深學生對項目的理解程度。主要是從基礎知識、界面設計、代碼編寫、代碼規范、文檔撰寫、快速開發等幾個方面對學生的整個開發過程進行綜合性評定。

2.2 教學模式

2.2.1 “教”的方面

我們總體的教學理念不能只停留在實用主義，要注意技術化趨向的偏見。學生在學的過程中，往往只是知道如何操作，而缺少真正的計算思維思想，缺少對待一個復雜問題的解決方法，他們一般不會主動應用創造性計算思維的方法將一個復雜的問題轉化成多個簡單的問題加以解決。因此，在設計課程內容方面，我們應該從課程體系整體出發，由下向上，使課程中的各個知識點通過計算思維聯系起來，培養學生的思維習慣，使其成為學生解決問題一種普遍性的思維方式。

2.2.2 “學”的方面

學生本身就存在著極大的個體差異。有些學生缺少一定的自主性，對自己不能準確地認識，他們在學習過程中對于知識點第一反應往往是“是什么”，而不是計算思維方法中的“為什么”。在學的過程中，我們始終要明確教師只是起到指導、幫助和引導作用，是學生學習過程中的一個合作者，要有意識地訓練學生的思維。

2.3 教師自身思維意識的提高

我們可以從以下兩個方面入手：一方面教師可以通過相互之間聽課、評課、交流和研討，定期開展以“培養創造性計算思維能力”為主題的教研評比；另一方面可以充分利用開放的網絡資源環境，通過對精品課程和教學資源的共享，選取和講解一些具有代表性的精品教材和課件，實現以點帶面，通過這種示范和輻射效應，來實現自身思維意識的提高。

2.4 教學評估

我們在教學評估中往往存在著單一性的缺點，只是根據期末考試最后成績來決定學生的學習效果，這只是一種簡單對知識記憶程度的考察，極大阻礙了學生積極性和創新能力的發展，這也極大忽視了學生的實踐能力。我們可以通過定期進行教師評估、學生反饋和相互自評相結合的方法對學生學習情況進行及時分析，從而改進我們的教學方法，達到更好的學習效果。

3 教學中取得的相關成果

在教學中，為了達到更好的教學效果。我院從學和教兩個方面入手，逐步探索提高教學改革的方法。教師在教授過程中，主要通過提高自身素質和外派學習的形式達到預期的效果；在學方面，通過豐富多彩的第二課堂，校企聯合辦學等多種手段和方法逐步構建學生創造性計算思維能力培養的平臺。

在入學人數大規模增加的前提下，面對就業難、升學難，學校本身非985、211等一系列的社會問題。學院通過對學生創造性計算思維能力的培養，在就業率（圖1）、考研率（圖2）、科研項目（表4）等方面都取得較好的效果。

圖1 學生就業率

圖2 學生考研率

表4 2014—2016年大學生創新創業項目統計

4 對創造性計算思維的展望

我們應該大力發展基礎科學、技術科學、工程技術等相關領域，可以從微觀方法、宏觀功能、形象思維及相關學科結合的方向入手，尋找創造性計算思維的創新點[8]。未來的社會是一個信息化、集成化、大規模的社會，伴隨著學科的不斷細化，遇見的問題和任務勢必會越來越龐大，涉及的知識領域也會越來越廣泛，我們只有通過創造性計算思維的理念，將一個復雜的問題轉換成若干個簡單的問題，利用計算機的紐帶作用，最終解決問題。