新工科背景下青少年計算思維能力培養探索

李科 劉鈺 宋昊敏 孫興華

摘?要：近年來，工科科學信息化已經十分明顯，高校十分重視新工科理念的滲透與發展，工科學科的信息化需要計算思維培養，初高中是學習者計算思維行成的重要階段，因此工科教育與初中等教育接軌，從青少年時期培養學習者的計算思維成為新工科學科發展的時代要求。本文重點就青少年計算思維能力的培養方式進行了研究，希望藉此為新工科人才的培養奠定基礎。

關鍵詞：新工科;青少年;計算思維能力

一、新工科與計算思維

新工科教育是我國高等教育又一個新的戰略，促使我國教育緊跟時代的步伐，使教育與我國的科學技術水平接軌，同時將新工科建設理念推向全世界。建設新工科使教育更接近教育的本質，高校在新工科建設中起到重要作用，高校是教育發生的地方，也是研究教育的起點和實施教育的終點，2017年以來，教育部多次發文，要求各高校推進新工科建設[1]，應國家號召，高等教育應該全力以赴，將新工科建設放在新時代、新起點、新高度、新目標的戰略地位，初等教育和中等教育與高等教育接軌，為高等教育培養人才打基礎，因此新工科的建設理念可以在更基礎的初等教育和中等教育中普及，即培養青少年的新工科理念。

工科學包括材料科學、電子電器、水利、建筑、機械、計算機等學科，主要應用科學和技術來解決問題，是將基礎科學的原理與生產實踐經驗相結合的學科，高等教育包括實驗教學、課程設計、畢業設計、實習實訓。在新工科建設要求下實驗教學由觀看演示實驗的被動學習向學生動手進行實驗的主動學習靠近，課程設計從單一性到綜合性、整體性靠攏，畢業設計注重從解決實際問題入手，實習實訓時學生與企業接軌，在新工科建設中，高校越來越注重學生的自主性，解決問題的真實性，高等教育的最終目的就是培養出具有創新性的高科技人才，因此新工科的建設從最根本上需要解決的問題仍然包括學生的計算機應用能力，即在教育教學和社會實踐的各個階段中，新工科學生都可以熟練地應用計算機技術，應用計算機解決實際問題，要建設新工科，培養學習者的計算思維非常重要。

計算思維是周以真教授在2006年提出的運用計算機科學的基礎概念進行一系列思維活動，將實際問題形式化，并找到合適的解決問題的方法，解決問題的形式可以有效地被計算機執行——這里所提到的“計算機”既包括機器，也包括人，計算思維有兩個立足點，即信息和計算[2]，當今社會的發展靠的不僅是具有智慧和謀略的個人，更是社會群體，計算思維也不應該只存在于少數人當中，而應該是大眾化思維，大眾化能力，計算思維的培養要從青少年抓起。

“新工科”理念強調學科之間的交叉與結合，特別是運用信息技術與傳統工業深度融合[3]，未來的工科工作者必須具備較強的應用計算機解決問題的能力，應用計算機將大數據、物聯網、AI等高科技與工科問題接軌，因此對于將來從事工科的青少年來說，計算思維的培養是非常重要的。

二、青少年計算思維培養策略

（一）以學生為中心

學習者在學校參與的各種學習，都是教師設計的學習，教師在設計學習過程和方式時要以學生為中心，在新工科背景下，鍛煉學生的計算思維非常重要，不論是在授課環節、實驗環節、實訓環節，都要做到以學生為中心，用更多的時間來拓展學生的思維，教學中教師要增加以學生學中心課堂討論環節，設計以學生為主的探究項目，從而幫助學生行成一種與計算機概念有關的思維，這個思維就是計算思維，這樣有目的、有針對性的設計加上教學目標完成值的累積，一定會達到很好的學習效果。在以學生為中心的教育理念下，學生成為學習的主體，但是學生離不開教師，基于教師豐富的教學經驗，在以學生為中心的教學中，教師要真正做到指導、幫助、引導學生，使學生在自主探究或者合作學習時進一步強化計算思維。另外教師在設計教學過程時將工科學科理念、工科問題與學生緊密結合，了解每一個學生的學習水平，根據學生接受知識的能力，促進學生通過深度思考找到解決問題的方案，最后將方案總結歸類形成一種解決問題的思維方式。設計有利于提高學生信息素養的學習內容，同時與新工科學習理念相結合，在新工科理念的指導下完成計算思維的培養。

（二）增加學生動手參與度

教師在任何學習環節的交互中，都應該提高學生參與活動的力度，例如在實驗教學中，教師設計實際生活中的新工科學科問題，學生基于知識背景和學習經驗，親自動手分析問題，探究問題，設計問題解決方案，解決問題，將教師操作學生觀看演示的教學模式，轉化成學生親自參與的學習，在全體學生參與的基礎上進行團隊協作學習，培養學生的團隊協作意識和能力，團隊協作能力是計算思維的一部分。在學生親自參與的學習中，教師要幫助學生解決問題，消除計算思維培養過程中的障礙，促使學生在參與學習時，將問題抽象化、概念化，從而行成解決問題的概念和思維。新時期的工科學科，與數據、信息處理密不可分，學生在解決工科問題時，必定會對問題進行思考，形成解決問題的思維，這個過程就是計算思維培養的過程。教師鼓勵學生抓住參加創新實踐活動的機會，例如參加計算機類型的課題和科研項目，計算機類型的比賽，訓練學生快速嚴謹的邏輯思維能力，促使學生深度理解計算思維，為學生搭建實踐平臺，這也順應了新工科計算思維培養趨勢。

（三）提高計算機基礎課程的綜合性

新工科時代要求培養學生的計算思維，青少年在初等和中等教育時期不會直接接觸工科問題，但是通過計算機基礎課程來培養計算思維，計算機基礎課程是所有計算機專業和非計算機專業的學生都需要學習的課程，學校在計算機課程的設置中，基于計算機基礎課程只注重學習者信息獲取，處理，傳遞的能力的基礎，提高綜合性，加入智能工具、編程語言等學習內容，培養學生解決工科問題的能力、計算機知識概念化、邏輯思維，同時滲透工科問題，因為新工科課程不斷信息化，離不開計算機分析，計算，處理，解決問題等過程，二者具有非常明顯的交叉性，因此通過提高計算機基礎課程的綜合性來培養青少年的計算思維是工科學科信息化的有效手段。

（四）基于校園基礎環境培養學生的計算思維

培養青少年的計算思維為新工科的發展奠定人才基礎，是新工科理念提出以來的教育需求，在青少年計算思維培養中，初等和中等教育地位舉足輕重，初等、中等學校在培養青少年計算思維時，要基于基礎教育環境，從實踐出發，創新教育方式方法，創新教學模式，配備數字化學習工具，所有的教育資源都要契合學生的計算思維基礎，基于基礎進一步提高，腳踏實地，不可盲目使用不適合學生的教學資源和方式，出現教師難把握，學生難提高，不健康的教育狀況。

（五）培養工科學科教師的計算思維

要適應新時代、新理念，提高新工科背景下計算思維的培養，就需要培養工科學科教師的計算思維，學生的學習是教師設計的，學習過程也離不開教師的指導，教師計算思維的提高非常重要。對于工科類學科，根據專業類型的不同，教師的信息技術能力不等，水平不一，因此一些教師的計算思維很強，另外一些教師差一些，但是在新背景下工科學科趨于信息化，因此培養教師的計算思維迫在眉睫，教師的計算思維能力提高以后，才會更有效地促進學生的計算思維的培養，培養教師的計算思維可以通過集體培訓，教師在實驗室操作和探究等等。教師具有豐富的教學經驗，在一定的培訓基礎上，知識很快融匯貫通，在教育教學中游刃有余，創設新的教學方法，或在已有的教學方法中滲透計算思維。因此培養教師的計算思維是培養學生計算思維不可缺少的部分。

三、結語

在新工科背景下，從教師、學生、課程環境、師資建設等多個方面進行改革，促進工科課程不斷向新理念的要求邁進，使學科進步不斷推進，在學科發展過程中，計算思維的培養是發展趨勢，是必然要求。只有在教育中意識到新工科教學中計算思維的重要性，才會在未來深入建設中取得良好成效，培養出新工科背景下的人才，為國家的教育、社會發展做出貢獻。

參考文獻：

[1]劉廈楠.面向新工科的土建類專業實踐教學改革與實踐——以湖南城市學院建環專業為例[M].中國教育技術裝備，2019-12-20.

[2]狄長艷.新工科背景下對于計算思維的再認識[M].中國大學教學，2019-08-15.

[3]黃升華.“新工科”理念下大學計算機基礎教學中的計算思維培養[M].軟件工程，2019-12-05.

基金項目：2019年張家口市教育科學“十三·五”規劃課題“基于Scratch的中小學生計算思維能力培養的對策”（課題編號：193113號）;2019年河北省教育廳人文社科類青年基金課題“基于新工科的電子信息類專業實踐教學體系改革研究”（課題編號：SQ191041號）;2019年河北省高等教育科學研究課題“‘二三四五一育人模式下計算機科學與技術專業思政探索”（課題編號：GJXHZ2019-01）;河北北方學院2019年校級教育教學改革研究項目“基于‘EIP-CDIO模式的工科專業創新創業教育模式研究”（課題編號：GJ2019013）

作者簡介：李科（1993-），女，漢族，河北陽原人，在讀碩士，研究方向：現代教育技術、青少年計算思維培養。

通訊作者：孫興華（1977-），男，漢族，內蒙古通遼人，碩士，副教授，碩士研究生導師，研究方向：教育信息化、人工智能等。