將計(jì)算思維融入大學(xué)生“卓越計(jì)劃”的人才培養(yǎng)研究

陳娜　胡暢霞　王學(xué)軍

摘要：思維能力的提高對(duì)于一個(gè)人的成長(zhǎng)有著至關(guān)重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，計(jì)算機(jī)技術(shù)正逐步延伸到科學(xué)研究和人才培養(yǎng)的各個(gè)領(lǐng)域，與之而來的計(jì)算思維也逐步走入人們的視野當(dāng)中。在結(jié)合我校申請(qǐng)“2011計(jì)劃”的過程和實(shí)際實(shí)施“卓越計(jì)劃”的情況，重點(diǎn)闡述我校在卓越工程師培養(yǎng)過程中，計(jì)算思維培養(yǎng)的重要性以及計(jì)算思維在教育教學(xué)應(yīng)用實(shí)例對(duì)培，養(yǎng)出符合《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展綱要》所要求的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才，有著積極的影響。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維;卓越工程師培養(yǎng);2011計(jì)劃;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）07-0085-02

1引言

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是高等教育機(jī)構(gòu)在貫徹落實(shí)我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》與《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》時(shí)的重大改革項(xiàng)目，是推進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)邁向工程教育強(qiáng)國(guó)的重要舉措和必經(jīng)之路。“卓越計(jì)劃”的目標(biāo)是：打造具備較強(qiáng)創(chuàng)新能力，并且能夠良好地適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的”高質(zhì)量、高水平和高適應(yīng)能力”的各類工程技術(shù)人才，這對(duì)我國(guó)走新型工業(yè)化發(fā)展道路和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型國(guó)家、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略都具有重要的示范與引導(dǎo)作用。

除此之外，在繼國(guó)家“985工程”和“211工程”的高等學(xué)校建設(shè)之后，2011年我國(guó)又提出了在高校開展“高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升計(jì)劃”，即“2011計(jì)劃”，這依然是意在提升我國(guó)創(chuàng)新意識(shí)。“2011計(jì)劃”的核心思想是以高校和企業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新為載體，面向科學(xué)研究前沿、面向傳統(tǒng)文化的傳承與創(chuàng)新、面向?qū)嶋H行業(yè)和產(chǎn)業(yè)和面向區(qū)域的協(xié)同發(fā)展。由此可以清晰地知道，卓越工程師和“2011計(jì)劃”是一脈相承，息息相關(guān)的，對(duì)高校的人才培養(yǎng)提出了基本的規(guī)格和目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)卓越工程師和2011計(jì)劃的人才培養(yǎng)的需求，就需要在我們高校的教學(xué)中深入的探索創(chuàng)新性人才培養(yǎng)的手段和模式。本文作者長(zhǎng)期從事計(jì)算機(jī)計(jì)算原理、數(shù)據(jù)庫等方面的一線教學(xué)，對(duì)計(jì)算思維的原理有著深入的認(rèn)識(shí)，并且一直嘗試著將計(jì)算思維作為教學(xué)手段融入教學(xué)中，所以本文在結(jié)合本校申請(qǐng)“2011計(jì)劃”的過程和實(shí)際實(shí)施“卓越計(jì)劃”的情況，重點(diǎn)闡述我校在卓越工程師培養(yǎng)過程中，計(jì)算思維培養(yǎng)的重要性以及計(jì)算思維在教育教學(xué)應(yīng)用實(shí)例。

2計(jì)算思維概念

思維教學(xué)本身不是一個(gè)新的提法，它的歷史由來已久，其核心理念是通過思維能力的訓(xùn)練使學(xué)習(xí)者能夠以“思維”為技能思考和解決問題。

美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授指出：“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[3]”。

計(jì)算思維是每個(gè)人所具有的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，而且是我們大家都有必要掌握的技能。計(jì)算思維的核心思想是以遞推的方式并行處理計(jì)算問題，如此一來，原本復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)就會(huì)被抽象和離散為若干簡(jiǎn)單和熟知的分散任務(wù)，且以并行的方式輕松處理問題，其基本流程都是“化簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真”。

計(jì)算思維具有三個(gè)顯著特征：（1）計(jì)算思維不是亙古不變的固定程序，而是具有普適性的思維模式;（2）計(jì)算思維是智能化的人-機(jī)互動(dòng)式的“高級(jí)算法”，可以優(yōu)化問題處理的方法;（3）計(jì)算思維是離散數(shù)學(xué)和工程思維緊密結(jié)合的產(chǎn)物，天生具有強(qiáng)烈的創(chuàng)新和廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。

從上述的分析中，可以知道計(jì)算思維有很好的普適性和可操縱性，能夠更便捷、更有效的轉(zhuǎn)遷到教育教學(xué)中。

3卓越工程師培養(yǎng)狀況分析

在以往的人才培養(yǎng)中，當(dāng)學(xué)生走向工作崗位后總是發(fā)現(xiàn)學(xué)校里知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)的工作局面“失聯(lián)”，很多實(shí)際問題不能得到解決，理由是“學(xué)校老師沒有教給我們，我們?cè)谡n本中沒有遇到類似的問題”，這樣的培養(yǎng)效果讓高校的教育者很是尷尬。工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)都在迅速地更新中，如此迅猛的趨勢(shì)我們不可能阻擋，教師也不能實(shí)時(shí)的傳授最新的動(dòng)態(tài)。

我校在“土木工程”和“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”兩個(gè)優(yōu)勢(shì)特色專業(yè)設(shè)立了“卓越班”。如何把土木工程或者機(jī)械工程等工科專業(yè)中涉及的具體技術(shù)進(jìn)行合理抽象和概括？如何潛移默化地讓學(xué)生體會(huì)計(jì)算機(jī)技術(shù)中的思維方式等等？都是擺在我們面前的緊迫問題。

作為工科的學(xué)生來說，了解和掌握計(jì)算思維的學(xué)習(xí)方式，對(duì)于將來成為具有創(chuàng)新意識(shí)和競(jìng)爭(zhēng)力的人才至關(guān)重要。因此，在工科的人才培養(yǎng)中，要擺脫傳統(tǒng)教學(xué)的模式，有必要?jiǎng)?chuàng)新的將計(jì)算思維的精髓融入工科教學(xué)中，為卓越人才的培養(yǎng)提供先進(jìn)的理念。

計(jì)算思維是一劑“良藥”，可以以計(jì)算思維的不變應(yīng)對(duì)技術(shù)革新的快變，以計(jì)算思維的巧妙應(yīng)對(duì)工程問題的復(fù)雜性。在就業(yè)越來越困難的今天，掌握了計(jì)算思維，無疑是給培養(yǎng)的人才增加了在職場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。如果學(xué)生真正掌握了這樣的思維方式，往往要比記住若干的專業(yè)名詞實(shí)用的多。為培養(yǎng)出符合我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》創(chuàng)新型工科技術(shù)人才的需要，我校在“卓越計(jì)劃”人才培養(yǎng)方面重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維的培養(yǎng)。本文作者在教育教學(xué)活動(dòng)中，利用自身在計(jì)算思維的科研和教學(xué)便利計(jì)算思維的理念充分的融入教學(xué)環(huán)節(jié)中。

4卓越工程師培養(yǎng)與計(jì)算思維的有機(jī)結(jié)合

通過上述的分析，我們知道計(jì)算思維的教學(xué)方式是可以應(yīng)用于“卓越計(jì)劃”和2011的工科人才培養(yǎng)過程。本文分別從工科的人才培養(yǎng)過程中的課堂引入和課堂教學(xué)兩個(gè)環(huán)節(jié)深入探討如何具體實(shí)現(xiàn)“卓越計(jì)劃”的人才培養(yǎng)過程與計(jì)算思維培養(yǎng)理念的有機(jī)結(jié)合。

4.1計(jì)算思維的先前課堂引入

在進(jìn)行專業(yè)課程講授之前，教師就明確指出計(jì)算思維能力在未來專業(yè)課程體系中的重要地位。學(xué)生在經(jīng)歷四年的系統(tǒng)培養(yǎng)，所具有的能力不單單是自己專業(yè)內(nèi)的簡(jiǎn)單知識(shí)點(diǎn)的簡(jiǎn)單應(yīng)用，而是應(yīng)用這些知識(shí)構(gòu)建更復(fù)雜的專業(yè)模型，解決實(shí)際情況的工程問題。

例如：計(jì)算思維中大量的算法都可以巧妙的計(jì)算工程問題中高階項(xiàng)，可以很好地計(jì)算提高精度，這些算法曾成功的運(yùn)用到了波音777飛機(jī)的研發(fā)中，成為歷史上應(yīng)用計(jì)算機(jī)算法的最成功的案例，它完全通過計(jì)算機(jī)仿真模擬和設(shè)計(jì)，沒有經(jīng)過風(fēng)洞測(cè)試，不但大大地縮減了研發(fā)周期，還降低了機(jī)身重量、減少了浪費(fèi)并節(jié)省制造成本。再比如，我們所熟知的全球定位系統(tǒng)GPS，它可以為我們計(jì)算出各種不同需求的、從出發(fā)地到目的地最優(yōu)路徑，可以是花費(fèi)時(shí)間最短，也可以是過路費(fèi)最少，也可以是避免擁堵等等，其實(shí)GPS的原理的就是動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法中尋找最優(yōu)路徑的做法。

因此，教師可以通過大量諸如上述的實(shí)例分析，說明計(jì)算思維不僅僅是計(jì)算機(jī)專業(yè)在編程方面的應(yīng)用，而且是解決工程問題過程中的需求，激發(fā)學(xué)生掌握計(jì)算思維的興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索計(jì)算思維在專業(yè)課程中的應(yīng)用。

4.2計(jì)算思維與課堂教學(xué)的緊密結(jié)合

要實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維與課堂教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，需要從如下兩個(gè)角度來確保實(shí)現(xiàn)：

首先，基于計(jì)算思維的基本理念，將“抽象”和“自動(dòng)化”的核心思想在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中用大量的實(shí)例講透，將煩瑣的推理過程先用規(guī)定的符號(hào)進(jìn)行確切的定義，對(duì)概念進(jìn)行定量的公式推演。舉個(gè)例子：假設(shè)有面值分別是1元、5角、1角的3種硬幣，小孩買了價(jià)值6元2角的食品，給了售貨員10元錢，售貨員希望找給小孩硬幣數(shù)目最少。這種簡(jiǎn)單地從具有最大面值的幣種開始，按遞減的順序考慮各種幣種的方法稱為“貪心法”。貪心法體以當(dāng)前和局部利益最大化求解問題，具體過程：①分解：將原問題分解為若干個(gè)相互獨(dú)立的階段;②解決：對(duì)每個(gè)階段求局部的最優(yōu)解，即進(jìn)行貪心選擇;③合并：把各個(gè)階段的解合并為原問題的一個(gè)可行解。看似一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子闡明了貪心法的本質(zhì)，這是最接近于人類日常思維的一種問題求解方法，它已在人類工作和生活的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因此，將計(jì)算機(jī)科學(xué)中的抽象思維變成工科學(xué)生更容易接受的具體表達(dá)形式，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維與工科學(xué)生的“無縫對(duì)接”。形成良好的計(jì)算思維的技能的是每一個(gè)學(xué)生必須掌握的，是學(xué)生未來充分發(fā)揮職場(chǎng)能力的前期條件。

然后，用土木工程或者機(jī)械工程專業(yè)課程中工程實(shí)例，反演抽象的計(jì)算思維用途，通過對(duì)比傳統(tǒng)解決問題的方式和采用了計(jì)算思維的解決問題的異同，重點(diǎn)突出計(jì)算思維在解決問題中優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生體會(huì)計(jì)算思維的巧妙之處。例如，讓學(xué)生搜索專業(yè)課中的相關(guān)資料，那就可以讓學(xué)生充分的利用“搜索引擎”的思想，即設(shè)計(jì)一些策略、運(yùn)用計(jì)算機(jī)編輯程序，從互聯(lián)網(wǎng)上自動(dòng)搜索信息，最后對(duì)專業(yè)信息進(jìn)行組織和后處理，將專業(yè)課相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)和脈絡(luò)清晰地展現(xiàn)出來。其實(shí)就是運(yùn)用計(jì)算思維中的“網(wǎng)絡(luò)爬蟲”法，其原理是：圖的遍歷，以圖的某個(gè)頂點(diǎn)出發(fā)，遍歷圖中所有頂點(diǎn)，且使每個(gè)頂點(diǎn)僅被訪問一次。看起來很簡(jiǎn)單，但是如果在百度和谷歌上手工的鍵入每個(gè)關(guān)鍵詞，根據(jù)搜索到的條目再一一篩選結(jié)果，找到需要的專業(yè)知識(shí)，會(huì)浪費(fèi)很多的時(shí)間，而且人工的操作難免會(huì)遺漏一些重要的知識(shí)點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)的重復(fù)性計(jì)算能力是最為擅長(zhǎng)的，而其中的計(jì)算算法卻是人為定義和操作的，其實(shí)就是計(jì)算思維為“幕后的操作者”。所以，將計(jì)算思維發(fā)揚(yáng)和應(yīng)用到知識(shí)的學(xué)習(xí)中，是一種智慧的表現(xiàn)，也是課堂教學(xué)必然的選擇。

4.3基于計(jì)算思維的知識(shí)體系構(gòu)建

計(jì)算思維由于自身優(yōu)勢(shì)的存在，不但能有效提高學(xué)生的課堂掌握知識(shí)的效率，更能使學(xué)生對(duì)自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分類和構(gòu)建，形成系統(tǒng)的技術(shù)體系，有利于今后創(chuàng)新性的工作，這正是國(guó)家對(duì)人才培養(yǎng)最終追求的目標(biāo)。

在工科教學(xué)具體活動(dòng)中，教師通過“推理、反演和重現(xiàn)”等方式努力促成學(xué)生形成基于計(jì)算思維的思考和解決問題的意識(shí)，數(shù)理邏輯的基本概念就可以游刃有余的引入課堂，離散數(shù)學(xué)中數(shù)理邏輯的真正效果也就體現(xiàn)出來了，學(xué)生的專業(yè)知識(shí)點(diǎn)就成為完整的體系，枯燥與無序的專業(yè)課程可以彼此融通和應(yīng)用。

5總結(jié)

學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)和邏輯思維不是彼此孤立的，而是應(yīng)該取長(zhǎng)補(bǔ)短，緊密結(jié)合在一起的。本文借助在計(jì)算機(jī)技術(shù)中的計(jì)算思維的長(zhǎng)期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出將邏輯性很強(qiáng)的計(jì)算思維與卓越工程師人才培養(yǎng)計(jì)劃的教學(xué)活動(dòng)相結(jié)合，重點(diǎn)闡述我校在卓越工程師培養(yǎng)過程中，提出計(jì)算思維培養(yǎng)的重要性以及計(jì)算思維在教育教學(xué)應(yīng)用實(shí)例，為卓越人才的培養(yǎng)提供先進(jìn)的理念。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】