《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程計算思維構(gòu)建過程教學(xué)實踐研究

陳菁 安利 范青剛

摘要：本文以八皇后問題求解為案例牽引，著力從計算思維構(gòu)建過程的角度闡述教學(xué)過程的組織與實施手段，將思維構(gòu)建這一教學(xué)難題具象化、系統(tǒng)化。文中提出了基于《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程的基礎(chǔ)計算思維架構(gòu)，并對基礎(chǔ)計算思維架構(gòu)的增量延展和自主構(gòu)建過程的基本教學(xué)方法及模式進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：計算思維;增量延展;自主構(gòu)建;大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)

1?引言

在不同的時代，人們運(yùn)用符合這個時代發(fā)展的工具及其適用的思維技巧去解決問題。比如：古代人解決算術(shù)問題會用結(jié)繩法，基本無需思維技巧;而現(xiàn)代人就會使用計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、移動設(shè)備等信息化處理工具，而越復(fù)雜的工具其使用的思維技巧也就會越綜合、復(fù)雜。

計算思維的提出正是順應(yīng)時代的發(fā)展，以幫助人們更好的運(yùn)用計算機(jī)等電子化設(shè)備有效解決復(fù)雜問題為目的的多種思維的綜合凝練。它基于歸納、邏輯、遞進(jìn)、逆向、分解等基礎(chǔ)思維，但又高于這些基礎(chǔ)思維。其確立的關(guān)鍵在于融合與界定，而如何在《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》這門課程中體現(xiàn)虛無縹緲的計算思維的構(gòu)建過程即是本文討論的核心。

2?從課程角度理解思維、計算、計算思維

思維是人類所具有的高級認(rèn)知活動。按照信息論的觀點，思維是對新輸入信息與腦內(nèi)儲存知識經(jīng)驗進(jìn)行一系列復(fù)雜的心智操作過程。

思維方式包括：分析與綜合、比較與分類、抽象和概括。

思維種類多樣，比如：

●形式性思維（感性具象思維、抽象邏輯思維、理性具象思維）

●目的性思維（上升性思維、求解性思維、決斷性思維）

●智力品質(zhì)性思維（再現(xiàn)思維、創(chuàng)造思維）

思維技巧有：歸納思維、演繹思維、批判思維、集中思維、側(cè)向思維、求異思維、求證思維、逆向思維、橫向思維、遞進(jìn)思維、想象思維、分解思維、推理思維、對比思維、交叉思維、轉(zhuǎn)化思維、跳躍思維、直覺思維、滲透思維、統(tǒng)攝思維、幻想思維、靈感思維、平行思維、組合思維、辯證思維、綜合思維、核心思維、虛擬思維。

在面對具體的復(fù)雜問題時，為了能夠高效、合理的解決問題，必然會綜合運(yùn)用多種思維，每一種思維不是且不可能單獨(dú)存在，只有將多種思維交叉融合才能真正發(fā)揮其效能。

計算在漢語詞典中的釋義如下：

1）核算數(shù)目，根據(jù)已知量算出未知量;運(yùn)算和;

2）考慮：謀慮;

計算思維中的“計算”應(yīng)該且必須涵蓋以上兩個內(nèi)容，它不能僅僅局限于對數(shù)字的核算，更應(yīng)該包括“核算數(shù)目”之前的數(shù)據(jù)抽象及表示過程，并且這種抽象過程應(yīng)該具有很強(qiáng)的靶向性，即基于某種特定計算裝置的效能進(jìn)行考量。

因此，想要建立計算思維就必須首先明確“界限”，即哪類問題適合且能夠運(yùn)用計算機(jī)解決，哪類問題不能運(yùn)用計算機(jī)解決。而為了精確確立該界限，就必須深入了解計算機(jī)這個復(fù)雜工具的內(nèi)部構(gòu)造，熟悉現(xiàn)用軟件的各項功能。并且隨著時代的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，這個界限是在不斷變化的。這就要求學(xué)習(xí)者在具備基本計算思維架構(gòu)的基礎(chǔ)上，還必須具備增量延展、自我構(gòu)建的能力。

3《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程計算思維構(gòu)建過程

從《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程的開設(shè)目標(biāo)來看，首要目標(biāo)就是幫助學(xué)生建立最基本的計算思維架構(gòu)。在學(xué)習(xí)者均構(gòu)建好自身的基本計算思維架構(gòu)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多個或綜合或復(fù)雜或新穎的教學(xué)案例使學(xué)習(xí)者體會、進(jìn)而學(xué)會增量延展與自主構(gòu)建。

本節(jié)在給出基本計算思維架構(gòu)的基礎(chǔ)上以實際案例為載體具體論述計算思維構(gòu)建、增量延展、自主構(gòu)建過程的教學(xué)實施方法。

3.1基本計算思維架構(gòu)

基本計算思維是邏輯思維、抽象思維、歸納思維、分解思維、算法思維的有機(jī)融合，在具體問題的求解過程中，學(xué)習(xí)者將在不同的問題求解階段運(yùn)用不同的思維，最終形成求解方案并采用某種工具實現(xiàn)。

《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程基本計算思維架構(gòu)如圖1所示：

圖1?基本計算思維架構(gòu)

教學(xué)中，為了培養(yǎng)學(xué)生的基本計算思維，需要設(shè)計較為復(fù)雜的案例綜合運(yùn)用上述基礎(chǔ)思維，讓學(xué)生在用中學(xué)，在作中學(xué)，最終掌握自我思維訓(xùn)練的方法。本小節(jié)以窮舉法解決八皇后問題為案例，培養(yǎng)學(xué)生計算思維的上述5個方面，具體實施方案如圖2所示：

圖2?基本思維構(gòu)建過程案例設(shè)計

3.2增量延展

基于上述八皇后問題的核心代碼，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生考慮相似問題，比如：4皇后、7皇后、10皇后……，引導(dǎo)學(xué)生對基本案例代碼進(jìn)行擴(kuò)展，將其擴(kuò)展為可設(shè)定難度等級的闖關(guān)小游戲。

這部分內(nèi)容建議以分組討論、集中答辯的形式組織，這樣既能充分發(fā)揮學(xué)生潛能，又能使課堂產(chǎn)生有效碰撞，使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)的過程中促成知識內(nèi)化，在不斷地碰撞思考中完成計算思維增量延展的構(gòu)建過程。

從計算思維的角度理解，在對八皇后問題求解的課程基礎(chǔ)案例進(jìn)行擴(kuò)展的過程中，著重對基本計算思維架構(gòu)中的歸納思維進(jìn)行延展，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生完成模式歸納及建模的思維構(gòu)建過程。增量延展示意圖如圖3所示。

圖3?基本計算思維架構(gòu)增量延展

在此過程中重點引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)發(fā)現(xiàn)思維增量延展的契機(jī)、方法，關(guān)鍵點在于將增量延展的結(jié)果與自身已有的計算思維架構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣才能形成一個可持續(xù)發(fā)展的、不斷完善的計算思維體系。

3.3?自主構(gòu)建

隨著實際問題復(fù)雜性的提高，用以解決問題的計算思維必然會出現(xiàn)圖1中基礎(chǔ)計算思維架構(gòu)中未曾描述的新的分支，這時就要求學(xué)習(xí)者能夠完成自主構(gòu)建過程。

比如：需要給3.2中完成的案例進(jìn)行可視化表達(dá)，此時設(shè)計者必須考慮使用人員的習(xí)慣、可操作性等，需要在眾多第三方庫中進(jìn)行選擇，綜合考量其功能及效率問題。

這部分內(nèi)容建議采取大作業(yè)或課程設(shè)計的形式，由學(xué)生在課下規(guī)定時間段內(nèi)自主完成，可綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)下載、論壇求助、類比仿寫等手段實現(xiàn)。

從計算思維的角度理解，在對八皇后問題求解的課程基礎(chǔ)案例進(jìn)行可視化改寫的過程中，著重完成系統(tǒng)思維的構(gòu)建過程，引導(dǎo)學(xué)生完成工程和評估的思維構(gòu)建過程。自主構(gòu)建示意圖如圖4所示。

圖4?基本計算思維架構(gòu)自主構(gòu)建

4結(jié)束語

思維構(gòu)建雖然是教學(xué)中的難點問題，但它卻是每名教學(xué)工作者追求的終極目標(biāo)。面對這樣一個抽象、發(fā)散的思維構(gòu)建課題，作者以八皇后問題實現(xiàn)為課程教學(xué)案例貫穿整個教學(xué)過程，使抽象問題具象化，發(fā)散問題關(guān)聯(lián)化，較好地完成了一個較為完整的計算思維構(gòu)建過程。當(dāng)然，思維的建立不是單次案例實現(xiàn)過程能夠馴化成功的，需要不斷地在新的教學(xué)案例中反復(fù)訓(xùn)練，但基本的構(gòu)建過程模式是相似的，本文在具體的教學(xué)實施過程方面給出了具有可操作性的借鑒建議。

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作者簡介：

陳菁，女，副教授，大數(shù)據(jù)分析，

（作者單位：1?火箭軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部;2?空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機(jī)工程學(xué)院）