五年制高職學生計算思維培養策略探究

鄧紅

關鍵詞：計算思維；Python語言；高職；抽象

現代社會新技術不斷涌現，如物聯網、人工智能、區塊鏈、云計算等，新技術推動著社會進步，社會的方方面面發生著深刻的變革，新技術提高了社會的整體效率、推動了各行業的發展進程。新技術在改變社會的同時，也影響著社會中的每一個人，新技術讓人們的生活更加便利、學習更加從容。人們在享受新技術帶來各種便捷的同時，也必須掌握相應的本領才能駕馭各種新技術，迎接新技術帶來的挑戰。計算思維（Computational Thinking，CT） 是一種思維方式，是利用計算科學的基本理念和方法，結合工程思維、數學思維等多種思維方式，進行問題求解、系統建構和人類行為理解的思維過程[1]。現在的大學生，尤其是理工科學生，基本都會學習一到數門編程語言，學習編程語言的目的是解決實際問題，如果學生擁有較好的計算思維，將會大大提高解決問題的效率。

1 相關研究現狀

1.1 計算思維相關研究現狀

2006年，美國卡內基·梅隆大學周以真教授[2]首次提出“計算思維”，即利用計算機科學的基礎概念來解決問題、設計系統、理解人類行為等的思維和能力。計算思維不僅對計算機科學具有很高的價值，也是學生必須具備的基本素養和能力[3]。2013年，英國南安普敦大學的Cynthia Selby和John Woollard兩位博士指出計算思維由算法思維（Algorithmic Thinking）、評估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalization）等要素組成[3]。2010 年在西安交通大學舉辦的首屆“九校聯盟計算機基礎課程研討會（C9） ”的會后聲明中提出：高校計算機基礎教育階段的首要任務是培養大學生的計算思維能力；國內學者對計算思維進行了許多卓有成效的研究[4-6]。

計算思維的特點是抽象化和自動化，并不等同于計算機編程，而是人類求解問題的一條途徑，因此每個人都應該具備計算思維。

1.2 國內高校培養學生計算思維模式

目前，國內高校針對計算思維的研究，主要集中在以C語言、Java語言、Python語言、計算機基礎的教學中進行[7-9]，一般情況下，老師首先講解程序設計語言中的語法和基礎知識，再學習各類語句和結構。但是由于大部分學生是首次接觸程序設計語言，不太容易理解程序設計語言中的語法和基礎知識，導致后續學習變得困難。國內部分學者將C語言、Java語言中復雜知識點抽象為現實世界中的元素，再將元素融入計算機的運行環境，如Visual C++6.0中，借助寄存器，將各元素連接起來，形成一個整體的、可以自動運行的系統，在考核方式上，以考查語言的語法知識為主轉變為以考查學生的系統整體設計為主。培養了學生的抽象思維和整合能力，訓練其解決問題的思路和方法，提升其計算思維，學生很容易將這些方法和思路擴展到其他編程語言中。

但是國內學者研究的對象一般為本科院校中的在校生，他們基礎扎實、學習主動性好，研究的成果也較為理想。但我國還有數量巨大的專科院校，其中五年制高職院校，招收的是初中畢業生，這些學生有自己的特點，本文研究對象是五年制高職學生。

2 五年制高職學生計算思維培養研究

2.1 五年制高職的特點

所謂五年制高職通常是指直接招收初中畢業生，前三年按照普通中等職業教育的管理辦法進行管理，學習語文、數學、英語、政治、歷史、地理等文化課與相關專業課；后兩年納入普通高等教育管理，開設專科層次的公共課和專業課，學生修業期滿成績合格者，由學院頒發普通高等學校全日制專科畢業證書[10]。其特點如下：

1） 招收的學生年齡小、可塑性強、有效學習時間較長；

2） 專業設置靈活、貼近社會需求，統籌兼顧公共基礎與專業課程；

3） 學生動手能力優于一般本科院校學生，知識結構較為齊全；

4） 自主性較強，學校可以根據學生特點進行個性化定制教學；

5） 學生基礎弱于高中生和本科院校學生；

6） 教學方向以應用技術為主，理論知識在應用中融入。

2.2 基于Python 語言下培養學生計算思維的研究

Python語言是一種計算機程序設計語言。簡單易學、上手快、移植性強，既支持面向過程的編程也支持面向對象的編程。我們針對Python語言的特點，并考慮到高職學生在初中階段已經系統學習過英語，學生已知曉學習自然語言的方法，將Python語言學習類比成英語學習，一方面可以提高學生對Python語言的掌握程度，另一方面可以訓練學生的計算思維，對應關系如表1。

編寫程序的過程是程序設計者和計算機溝通的過程，溝通的媒介就是Python語言，計算機可以讀懂編寫好的程序。這和人類的自然語言類似，這樣不僅可以讓學生減少畏難情緒，還可以讓學生建立學好Python語言的信心。

1） 將變量和常量當成是Python語言的基本元素，將它們比作英語中的字母；

2） 元組、數組、字典是由變量等按照一定規則組合而成的新的數據結構，而詞語是由字母組成；

3） 表達式是由運算符將各種變量、常量連接起來，可以表達一定的含義；

4） 函數可以實現某項功能，對應一篇英語文章；

5） 程序可以是多個函數組成，也可以解釋為由變量、常量、表達式、各種基本結構語句組成，故將其抽象為一本英語課本。

Python語言中的三種基本機構的執行方式較難掌握，本文中將其抽象成了英語課本中的段落，每個段落都有其段落思想，每個段落和文章的其他部分有一個簡單的分割，利用段落提高學生對Python語言中基本結構和程序執行方式的理解，提高其對計算思維中的自動化含義的理解。

順序結構比較好理解，程序按代碼的先后自動執行，這和正常閱讀英文文章形式類似。選擇結構語句中，根據要求，執行部分語句，忽略部分語句，閱讀英文文章時，根據要求只需閱讀其中部分段落。Python 語言的循環結構與重復閱讀某個段落類似，Python語言循環次數是由循環變量決定的，閱讀某個段落的次數是由老師決定的。

2.3 Python 教學中注意提升學生的計算思維

高職新生大多是首次接觸編程語言，將Python語言中元素抽象為英語學習，可以幫助學生對Python語言整體把握，讓學生腦海中形成Python語言整體的框架。日常教學中，需要對其中的概念進行擴展，由淺入深進行教學，在框架上用相關知識進行填充，幫助學生掌握學習Python語言編程的方法，不僅可以提高教學質量，還可以提高學生計算思維能力。

在教授Python時候，具體做法如下：

1） 注重基礎知識的理解，培養學生具備解決問題的理論基礎，Python是基于C語言發展而來，但是比C 語言簡單、更容易上手，學生第一步需要掌握Python 的語言特點，如熟悉Python中關鍵字含義、強制縮進等概念。在進行講解的過程中，可以結合英語學習中單詞、短語的學習進行比較，讓學生明白語法和關鍵字等，就像是構成Python程序中的基本材料，只有熟悉基本材料的特性，才能編寫出功能強大的程序。

2） 閱讀和實現具有某項功能的代碼段，培養學生的模仿和再現的能力，學生在掌握基礎知識后，可以嘗試閱讀并再現具有某些功能的代碼段，一方面可以強化對基礎知識的掌握，另一方面將知識點串聯起來，使學生可以再現具有簡單功能的Python程序，提高學生學習好Python編程語言的信心。

3） 獨自編寫具有某項功能的代碼段，培養學生邏輯判斷能力，Python程序具有較強的邏輯性，通過獨立編寫代碼段，提高學生代碼編寫能力和邏輯思維能力，讓學生對Python語言有一個整體概念。

4） 通過引入模塊，讓Python程序的層次和結構更加清晰，學生掌握單個模塊的功能，組合成一個具備完整功能的程序，培養學生整合各項資源的整合能力。

2.4 實驗

2.4.1 參與者

選取同一專業（軟件工程）的兩個班級，學生的入學成績基本相同，隨機分配為兩個班級，人數大體相同。一班34人，其中男生29人，女生6人；二班35人，其中男生30人，女生5人。學生年齡在15～16周歲，學生都來自江蘇省，教育背景相似。

2.4.2 實驗方法

學習課程前，對兩個班級采用西班牙學者Roman-Gonzalez所開發的學習者計算思維發展水平評價工具ComputationalThinkingtest（CTt） 進行評價。該評價工具中共有28個測試題，每題以“迷宮”或“畫布”的形式顯示，測試內容包含if條件、if-else 條件、while條件、循環-固定循環、簡單函數、帶參數的函數等。測試時長45分鐘，每題1分，共28分，通過CTt測試方法可以測量學習者對基本的計算概念的掌握情況，以及使用編程來解決相關問題的能力。

兩個班級同時學習Python編程語言，由同一老師進行授課，一班采用常規教學法，任課老師直接介紹Python里的語法知識、函數等知識，再由學生練習Py?thon程序的編寫。在二班進行教學時，有意識地加入訓練計算思維的方法，將Python學習方法抽象成為學習英語，以計算思維的方式鍛煉學生解決問題的能力，在學生已有的知識框架上更新成新的知識學習，降低學生學習新知識的心理障礙，將已有的框架上拓展變換成新的知識框架，便于學生理解新知識，同時鍛煉學生解決新問題的思維模式，在二班授課中，培養學生用計算機的處理流程來培養學生解決問題的思維，將問題進行抽象，結合英語學習，以計算機的思維指引學生學習Python編程語言。

2.4.3 實驗結果

學習Python學期前和學期后，兩次對兩個班級進行CTt測試，學習前后兩個班級得分如下：

經過一個學期的學習后，兩個班級學生的CTt測試分數較學期開始前均有所提高，其中一班提升幅度為4%，二班提升幅度為15%，二班的提升幅度較一班高11%，兩個班級分數提升既與學生年齡增加、智力提升有關系，也與學生了學習新的知識、知識結構更新有關，但二班進步比一班快，說明在教學過程中，如果有意識的加入計算思維模塊，讓學生在學習過程中，潛移默化的接受計算思維的思想，學生可以更早更好地以計算思維來處理和解決問題。

3 總結

計算機已經從誕生之初的科學計算輔助工具，變成了人們生產生活必不可少的好“伙伴”，這個“伙伴”不僅影響了我們的生產生活方式，而且還影響了我們的思維，本文主要研究培養五年制高職學生的計算思維能力。

主要工作：1） 研究國內外計算思維研究現狀和計算思維的重要性，總結目前國內培養學生計算思維的各種模式；2） 研究高職學校學生的特點；3） 以高職新生學習Python語言為例，研究如何在Python語言學習中提高學生的計算思維能力，具體方法為將Python語言學習抽象為英語學習，再將Python語言中的三種基本結構自動化為英語中段落閱讀方式。本文對Py?thon語言的教學內容進行分類和總結、結合高職新生的特點和高職生的知識結構，提出提高高職學生計算思維的新方法，學生反映學習Python語言的興趣增加，同時對Python語言學習的整體把握增強，實驗表明學生的計算思維有一定提高。