以培養(yǎng)計算思維能力為核心的計算機課程教學改革研究

姜丹　王輝

關鍵詞：計算思維；思維訓練；教育理念；教學方法

隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的飛速發(fā)展，現(xiàn)代社會對大學生提出了更高的要求，不但要求大學生深入學習專業(yè)知識，提高專業(yè)水平，打牢崗位任職基礎，更要求大學生具備強大的思辨能力和創(chuàng)新能力，能夠快速、有效地理解和認知突發(fā)問題，處理復雜多變的情況，符合信息化社會的高要求，這就對計算機課程教學提出了更高的要求。

一、計算機課程的教學改革核心

近年來計算機基礎課程教學改革不斷推進，不斷應用新的教學理念和教學方法，比如提出模塊化教學理念，采取案例分析、任務驅動、項目展開式等多種教學方法，但是在培養(yǎng)的核心問題上出現(xiàn)了偏差。例如，受“考試驅動學習、考試推動教學”的慣性影響，教學過程中重知識輕思維。在短期功利主義的思維模式下，大學生往往是考試考什么，大學生就重視什么，考試考知識點、方法和技能，學生就重視知識點、方法、技能的學習。教師的教學過程也容易陷入這樣的怪圈，過分強調計算機的基本術語、基本概念和語法規(guī)則，片面地追求如何把單個的知識點講清楚，而忽略運用計算機知識解決問題的計算思維，不注重思維的培養(yǎng)和訓練。雖然近年來的教學改革也逐漸側重思維的培養(yǎng)，但也只僅局限于程序設計中編程思維的培養(yǎng)。

圖靈獎得主Edsger Dijkstra 說“我們所使用的工作影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也深刻地影響著我們的思維能力”[1]。計算機作為人們學習、工作、生活不可或缺的工具，深刻地影響著人們的思維方式。計算思維能夠將問題清晰地描述出來，將解決問題的方案表示為信息處理的一系列流程，是一種強大的思維方法，對于提升大學生的認知能力、思維能力、創(chuàng)新能力都起著十分重要的作用。

計算機課程教學改革要以培養(yǎng)計算思維能力為核心，研究什么是計算思維，研究如何在課堂教學中培養(yǎng)計算思維能力。

二、計算思維的研究

為了能夠更好地在計算機課程教學中培養(yǎng)計算思維，首先必須搞清楚到底計算思維到底是什么，有哪些特征。

（一）計算思維的概念

2006 年3 月，美國卡內基梅隆大學計算機科學系主任周以真教授，在美國計算機權威期刊《Communicationsof the ACM》上發(fā)表了一篇題為《CommunicationsThinking》——“計算思維”的文章，首次明確提出計算思維的概念。在文章中周以真教授系統(tǒng)性地定義計算思維：計算思維是指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列的思維活動[2]。也就是說計算思維是一種運用計算機科學基本理念來分析問題、解決問題的思考方法。

（二）計算思維的本質

計算思維的本質是抽象（Abstraction） 和自動化（Automation）。運用計算思維進行問題求解的過程可歸納為理解問題、制定算法、執(zhí)行程序、總結評價等幾個基本環(huán)節(jié)。在這個過程中，人和計算機作為解決問題的兩大主體分別起到了重要作用。計算機作為自動化執(zhí)行的工具，是自動化這個本質的載體。同時，人對問題進行理解和分析，找出問題的已知條件和最終目的；然后運用多種方法將待解決的問題分離、提純、概念化成可描述、可執(zhí)行的內容，也就是抽象及建模，目的是制定計算機能夠理解并自動執(zhí)行的算法和程序；接著借用計算機其強大的計算能力，對制定的程序自動執(zhí)行從而得出問題的解。顯然，在這個過程中，人發(fā)揮了其特長——抽象（Abstraction），計算機也發(fā)揮了其特長——自動化（Automation）。這恰好是計算思維的本質。

（三）計算思維的特征

計算思維不等于計算機編程。雖然計算思維離不開計算機編程，編程中會使用到計算思維，編程思維也會培養(yǎng)計算思維，但是計算思維還要求更加廣泛的思維方法，能夠在多個層次上進行抽象思維，能夠進行系統(tǒng)設計，其涵義遠遠超過了程序設計。

計算思維不等于計算機操作技能。很多人誤解地認為：計算機僅僅是一種工具，只需掌握其操作技能，運用其來幫助人類解決問題。實際上，計算機作為一種工具，在人類的使用過程中，也反過來潛移默化地改變了人類的思維方式。計算思維是融合了計算機學科的基礎概念，以及廣泛的思維方法的思想，有了這種思想人類才有創(chuàng)造能力。

計算思維融合了數(shù)學思維和工程思維，一方面它具有數(shù)學的抽象、嚴謹與精確，很多時候也以數(shù)學模型為基礎上，但是它又廣泛應用了工程學的各種方法，使用工程思維建立與實際世界互動的系統(tǒng)，所以計算思維其核心思想是兩者之精華，計算思維= 數(shù)理思維+ 工程思維。

三、計算機課程中計算思維能力的培養(yǎng)方法

（一） 課堂教學圍繞計算思維能力培養(yǎng)開展

當前計算機教學中既有面向對象的思想，又有面向過程的思想，既涵蓋了計算機的基本概念，又涵蓋了計算思維的基本方法。在教學過程中，要求教員要認真研究教學內容及其特點，挖掘其中隱含的計算思維，針對計算思維的培養(yǎng)和訓練進行課程課堂教學設計，全面地培養(yǎng)和訓練大學生的計算思維能力。

例如程序設計中，自己調用自己的方法稱為遞歸（Recursion），其作為一種思維方式，在程序設計語言中廣泛應用。遞歸通思維常把一個大型復雜的問題，層層轉化為一個與原問題相似的，但是規(guī)模較小的問題來求解，大大地減少了解決問題的復雜度。遞歸思想是計算思維中非常典型且用途非常廣泛的一種思想，掌握遞歸思想對于培養(yǎng)計算思維非常重要。

在《計算機程序設計基礎》中有一個教學進度為“函數(shù)的遞歸調用”，在教學實踐中，借助這個教學內容的學習，不但教會大學生掌握遞歸函數(shù)的定義及調用方法，會使用遞歸函數(shù)解決實際問題，更有意識地培養(yǎng)大學生的遞歸思維，提高大學生的計算思維能力。

所以“函數(shù)的遞歸調用”這一進度的教學線索為“知識——技能——思維”：通過本次課的學習要求大學生掌握函數(shù)的遞歸調用方法，會使用遞歸函數(shù)解決實際問題，并在教學過程中體驗計算機學科解決問題的思維規(guī)律和思考方法，培養(yǎng)遞歸的思維方法，提高計算思維能力。

（二）利用BOPPPS 模型培養(yǎng)計算思維能力

BOPPPS 教學模型從教學組織實施層面，給出了遵循“導入－－目標－－前測－－參與式學習－－后測－－總結”的教學過程，使得教師能夠有效地組織課堂教學，同時該模型還能夠幫助學生思考問題、分析問題、解決問題，探尋學習難點，反思學習盲點，能夠培養(yǎng)學生的計算思維。

以上述“函數(shù)的遞歸調用”這一進度為例，具體的教學環(huán)節(jié)按照BOPPPS 模型進行設計，具體如下：

Bridge-in（導入）：以野外駐訓為場景，以“如何選擇食物才能使得背包里的食物總熱量最高？”為引題，拋出0-1 背包問題，同時激發(fā)大學生的學習興趣。

Objective（學習目標）+Pre-assessment（前測）：帶領大學生對0-1 背包問題進行分析，試圖通過已有的思路來解決問題，在分析的過程中，完成對大學生思維方法的檢測，注意觀察大學生是否有遞歸思想的雛形。在進行各種嘗試后仍沒有找到合適的解決方法后，此時另辟蹊徑提出遞歸的概念，明確本次課的學習目標，帶著目標進行學習。

Participatory Learning（參與式學習）：此環(huán)節(jié)分為3 個小環(huán)節(jié)，首先以求N 的階乘為例，帶領著大學生對簡單問題進行分析，嘗試著由大學生總結遞歸函數(shù)的定義及調用方法；然后以求Fibonacci 數(shù)列為例，初步使用遞歸思維進行問題分析與求解；最后使用遞歸函數(shù)解決0-1 背包問題。在整個過程中，教員起到啟發(fā)引導、歸納總結這樣的牽引作用，而作為學習主體的大學生，則一直處于主動思考、積極探索的狀態(tài)。

Post-assessment（ 后測）： 以講故事的方式提出Hanoi 塔問題，帶領大學生分析問題并解決問題，查看大學生是否會使用遞歸思想進行問題求解。

Summary（總結）：帶領大學生分析歸納遞歸思維的特點，介紹遞歸思維的應用，使得大學生掌握遞歸的思維方法，能夠使用遞歸思維思考和解決問題。

在整個教學過程中如何解決0-1 背包問題是教學主線，圍繞主線函數(shù)的遞歸定義與調用是知識線，而分析問題、解決問題的思考過程中使用到的遞歸思維則是思維線，知識線與思維線交叉融合，相輔相成，不但注重知識學習，更加注重計算思維的培養(yǎng)。

（三）通過思維可視化技術培養(yǎng)計算思維能力

思維是人腦對客觀事物間接的、概括的反映，體現(xiàn)了事物的本質以及事物之間的聯(lián)系。人腦的思維活動是非常龐大的，常常會變得雜亂無序。思維可視化是運用一系列的圖示技術，將人腦的思維活動梳理并呈現(xiàn)出來，包括思考方法、思考路徑、思維規(guī)律等，使本來不可見的思維清可視化。被可視化的思維更加容易被理解、被記憶，可以提高信息加工和信息傳遞的效能。

在教學過程中采用思維可視化技術，把“將思維盡可能地展現(xiàn)出來”，不但有利于傳遞知識，更有利于培養(yǎng)大學生的計算思維能力[3]。通過思維可視化技術培養(yǎng)計算思維的方法主要有三個方面：知識框架的預先植入、教學線索和知識線索的展示、知識體系的構建。

1. 知識框架的預先植入。

在預習環(huán)節(jié)或者課堂前測環(huán)節(jié)，首先要將教學目標提前交代清楚，使得大學生對本章內容和本次課的教學所涉及的教學內容，以及要達到什么樣的目標，有一個總體的把握，帶著目的去開展學習。傳統(tǒng)的教學方法只是將教學內容或者教學目標進行簡單的文字闡釋或者羅列，首先可讀性和可記憶性比較差，大學生面對陌生的知識的文字描述本身就比較難以理解，更加難以記住。采用思維導圖技術，將本章或者本節(jié)內容的知識框架展示出來（并不展示細節(jié)），同時配以該知識框架所對應的教學目標，圖文并茂，條理清晰，更加形象且直觀。信息編碼與數(shù)據(jù)表示的教學目標及內容如圖1 所示。

2. 教學線索和知識線索的展示。

在授課過程中，根據(jù)教學線索繪制思維導圖，并動態(tài)播放該思維導圖，一個知識點牽引出下一個知識點，將知識點之間的相互關聯(lián)展現(xiàn)出來，更加注重思維的發(fā)散和邏輯的梳理，培養(yǎng)大學生的發(fā)散思維和邏輯思維能力。例如圖2 所示。

3. 知識體系的構建。一次課教學結束，一章教學結束，以及一個模塊教學結束后，要求大學生在課下使用思維導圖整理出該次課、該章節(jié)、該模塊的知識體系。使得大學生在將知識點串聯(lián)起來，形成知識體系的同時，更能注重整個思維的梳理和搭建的過程。

通過以上三種方法，在教授知識的同時，更注重思考的過程和思維的梳理，更有助于培養(yǎng)大學生的計算思維能力，在教學實踐中也取得了良好的教學效果。

四、結束語

計算機課程中所涉及的基本概念、方法以及思考方式都滲透著計算思維，在課堂教學實踐中，圍繞著計算思維的培養(yǎng)，將計算思維的培養(yǎng)融入日常的課堂教學各個小環(huán)節(jié)中，使得大學生在學習知識、方法、技能的同時，潛移默化地培養(yǎng)了計算思維，從而訓練和提高大學生的思維能力和創(chuàng)新能力，為當今社會培養(yǎng)高素質高思辨能力的人才。

作者單位：姜丹 王輝 海軍大連艦艇學院 基礎部計算機教研室