計算機類專業本科生計算思維的培育路徑研究

摘要：文章旨在探討計算機類專業本科生計算思維的培育路徑。通過分析計算思維在計算機類專業中的重要性及其影響因素，提出了一套系統的培育方案。該方案強調從教學目標、教學環節、教學模式及教學評價四個維度入手，以強化學生的計算思維體驗和實踐為核心。通過明確教學目標，重視計算思維的實踐與感悟過程，創新教學模式以打造實踐環境，并對計算思維過程進行評判與強化，以期有效提升學生的計算思維能力。

關鍵詞：計算思維；計算機類專業；培育路徑

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）35-0174-04開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

0引言

在注重創新解決計算機實踐問題的背景下，計算機類專業越來越重視思維的培養。計算思維，作為一種分析、解決實際問題并推動創新的思維方法，與強調創新實踐、以編程和系統設計為核心的計算機類專業高度契合。計算思維不僅能夠促進計算機類本科生的能力發展，還能推動課程教學的改革與進步，為培養高素質人才提供有力支撐。然而，當前的研究對計算思維在計算機類專業領域的定位尚顯不足，這導致在計算機本科課程設計中，計算思維的體現不夠充分，學生的編程和系統設計作品多為模仿，對計算的深層次理解不夠深刻。為了應對這些問題，本研究以湛江科技學院物聯網專業為例，聚焦于計算機類專業本科生的計算思維培養。嘗試深入解析計算思維的內涵，明確其在計算機類專業中的重要價值。同時，分析影響計算機類專業學生計算思維發展的各種因素，如教學方法、課程內容、實踐機會等。從教育教學的角度出發，提出針對計算機類專業本科生的計算思維培養路徑。這包括優化課程設置，融入更多涉及計算思維的實踐項目；改進教學方法，鼓勵學生主動運用計算思維解決問題；加強與企業的合作，為學生提供更多真實的實踐場景等。通過這些措施，期望能夠為計算機類專業的建設提供指導，更好地滿足社會各領域對具備計算思維的計算機類專業本科生的人才需求。這不僅有助于提升學生的專業素養和創新能力，也為學生未來的職業發展奠定堅實的基礎。

1計算思維的內涵解析

Shute等人[1]指出計算思維是有效和高效地解決問題的概念基礎，有6個主要方面：分解、抽象、算法設計、調試、迭代和概括。它不僅僅是一種解決問題的技巧，更是一種深入骨髓的思維方式，它幫助人們理解并改造世界。在一個技術驅動的復雜社會中，計算思維對于解決問題至關重要[2]。Zacharis等人[3]指出計算思維通過將創造力、邏輯和批判性思維與數字技術相結合，增強解決問題的能力，促進協作和解決問題。Jake等人[4]認為將計算思維融入課程可以提高解決問題的能力和鞏固邏輯技能，使小學、中學和高等教育的學生受益。在信息技術日新月異的今天，對計算思維的內涵進行深入解析，不僅有助于人們更好地掌握計算機科學，還能為其他領域提供新的視角和工具。

計算思維的核心在于抽象和自動化[5]。抽象是將復雜問題簡化的過程，它讓人們能夠忽略不相關的細節，專注于問題的本質。在計算機科學中，抽象表現為數據抽象和過程抽象[6]。數據抽象是將現實世界中的對象表示為計算機可以處理的數據結構，而過程抽象則是將解決問題的步驟提煉為可重復使用的算法。通過抽象，可以將復雜問題分解為更小、更易于管理的部分，從而降低問題的難度。

自動化是計算思維的另一個重要方面。它指的是通過計算機程序來自動執行一系列操作，以達到預期的目標。自動化極大地提高了工作效率，減少了人為錯誤，并釋放了人力資源以從事更有創造性的工作。在計算機科學中，自動化體現為各種自動化工具和平臺，如編譯器、解釋器、操作系統等，它們能夠自動執行代碼編譯、程序運行、資源管理等任務。除了抽象和自動化之外，計算思維還強調邏輯思維和系統性思維。NazanSezen等人[7]指出邏輯思維是在皮亞杰發展階段的具體運算階段和抽象運算階段影響學生成功的一種認知能力。它要求學生按照嚴格的邏輯規則來思考問題，確保推理的有效性和正確性。在計算機科學中，邏輯思維體現為算法設計和程序編寫的嚴謹性。

2計算思維在計算機類專業中的價值意蘊

在計算機類專業中，計算思維不僅僅是一種工具或方法，更是一種深刻的思維方式，它貫穿于整個學科的學習和實踐過程[8]。計算思維的培養對于計算機類專業的學生而言，具有多方面的價值，以下從社會需求、學科發展和能力培養三個方面展開論述。

2.1基于社會實際需要，強化理論與實踐的結合

在信息化社會的今天，計算機技術已經融入各行各業的方方面面，社會對具備計算思維能力的人才需求日益旺盛。計算思維作為一種以解決問題為核心的思維方式，強調將理論知識與實際問題相結合，通過抽象、分解、算法化等方法，尋找問題的最優解決方案。例如，在軟件開發領域，一個優秀的軟件工程師需要具備強大的計算思維能力，才能將復雜的業務需求抽象為清晰的軟件模型，并設計出高效、穩定的軟件系統。在計算思維的引導下，軟件工程師能夠將理論知識與實踐經驗相結合，不斷優化軟件設計，提升軟件質量，從而更好地滿足用戶需求。

2.2基于學科進步，推動學科的開拓與創新發展

計算機科學是一門快速發展的學科，新的理論、技術和應用層出不窮。計算思維作為一種開放的、創新的思維方式，為計算機科學的發展提供了新的視角和思路。例如，在人工智能領域，計算思維為機器學習、深度學習等算法的設計和實現提供了有力支持。通過運用計算思維，研究人員能夠更好地理解數據特征，設計出更加合理的算法模型，從而推動人工智能技術的不斷進步。此外，在網絡安全、數據庫管理等領域，計算思維同樣發揮著重要的作用，為學科的創新發展提供了源源不斷的動力。

2.3基于能力提升，全面深入地思考教育問題

計算思維是人工智能時代教育發展的核心目標[9]。它是對閱讀、寫作和算術的補充，是21世紀解決問題、邏輯推理和分析能力的基本技能[10]。在計算思維的培養過程中，學生不僅需要掌握計算機科學的基礎知識，還需要學會運用系統的方法來分析問題、解決問題。例如，學生可以利用計算思維來系統地分析教學過程中的問題，如教學資源的配置、教學方法的選擇、教學評價的實施等。通過運用計算思維，學生能夠更加全面地了解教學系統的各個要素及其相互關系，從而提出更加有效的優化方案，提升教學質量。

3計算機類專業計算思維的影響因素

計算機類專業中，計算思維的培養與發展受到多重因素的影響，其中主要包括內部因素和外部因素兩大類。內部因素構成了計算思維發展的底層支撐，而外部因素則為計算思維的可持續發展提供了重要保障。

3.1內部因素：計算思維發展的底層支撐

內部因素主要涉及個體的認知結構、先驗知識、學習能力以及思維模式等。在計算思維的培養過程中，個體的認知結構起到了基礎性作用。先驗知識的豐富程度直接影響了學生對新知識的接受速度和理解深度，進而影響了計算思維的發展進程。An?istyasari等人[11]的研究表明數學能力，語言技能，性別和信息通信技術素養依次影響計算思維的水平。同時，學習能力也是計算思維發展的關鍵。一個具有較強學習能力的學生能夠更快地掌握新的計算方法，更有效地運用計算思維解決問題。此外，思維模式也對計算思維的發展產生了重要影響。一個習慣于系統性、邏輯性思維的學生更容易形成全面、深入的計算思維。

內部因素之間的相互作用也是不可忽視的。例如，先驗知識和學習能力之間存在著正向的促進關系。豐富的先驗知識可以提升學生的學習能力，而學習能力的提升又可以反過來促進學生獲取更多的先驗知識，從而形成良性循環。這種良性循環為計算思維的發展提供了持續的動力。

3.2外部因素：計算思維可持續發展的重要保障

外部因素主要涉及教學環境、教學資源、課程設置、師資力量以及社會文化等。良好的教學環境是計算思維發展的基礎條件，它可以為學生提供充足的實踐機會和優質的學習資源。教學資源的豐富程度則直接決定了學生能夠接觸到的計算問題的廣度和深度。此外，課程設置和師資力量也是影響計算思維發展的重要因素。合理的課程設置能夠幫助學生系統地掌握計算機科學的基礎知識，而優秀的師資力量則可以為學生提供專業的指導和建議，引導他們更好地發展計算思維。

同時，社會文化環境對計算思維的影響也不容忽視[12]。一個重視科技創新、鼓勵實踐探索的社會文化環境更有利于學生形成開放、創新的計算思維。在這種環境中，學生能夠接觸到更多的實際問題，通過解決這些問題來鍛煉和提升自己的計算思維能力。

內部因素和外部因素共同作用于計算機類專業學生的計算思維發展過程，二者缺一不可。為了更好地培養學生的計算思維，應該注重優化內部因素，同時積極創造良好的外部條件，為學生的計算思維發展提供全面的支持。

4計算機類專業本科生計算思維的培養路徑

計算機類專業課程是物聯網專業人才培養的基石。考慮到物聯網專業計算思維培養的多重因素，從教學目標和內容、教學環節、教學模式、教學評價四個維度出發探索物聯網專業本科生計算思維的培養路徑，如圖1所示。

4.1從教學目標和內容切入：借助“宏觀理念”實現素養的培育目標

在計算機類專業本科生的教育中，培養計算思維的首要任務是從教學目標和內容入手，明確并落實素養目標。這些目標應圍繞計算思維的核心要素，如問題分解、抽象建模、算法設計、評估優化等，構建課程體系。教學內容上，要引入“宏觀理念”，即那些能夠貫穿多個知識點、具有普遍性和遷移性的核心概念。湛江科技學院物聯網專業的教學目標，圍繞物聯網行業的核心技能和未來發展趨勢，結合國家教育方針政策以及學校自身的辦學特色，確立清晰、具體、可操作的目標體系。教學目標的設定體現以下幾個方面：

1）知識融合：強調跨學科知識的整合，使學生不僅掌握物聯網技術本身，還能理解其與經濟、社會、文化等多方面的聯系，形成寬廣的知識視野。

2）能力提升：注重學生實踐能力和創新創業精神的培養，通過項目驅動、案例分析等教學方法，提升學生解決實際問題的能力。

3）素養培育：將職業素養、信息素養、創新素養等融入日常教學，幫助學生形成正確的價值觀、職業觀和終身學習的意識。

教學內容是實現教學目標的重要載體。湛江科技學院物聯網專業在選擇教學內容時，堅持以下原則：

1）基礎性與前沿性相結合：既要確保學生掌握物聯網領域的基礎理論知識，又要及時引入行業最新技術和發展動態，保持教學內容的時效性和前瞻性。

2）理論教學與實踐教學并重：構建理論與實踐相結合的教學體系，通過實驗室實踐、企業實習、創新創業項目等多種形式，增強學生的動手能力和實踐經驗。

3）模塊化與個性化相結合：設計靈活多樣的課程模塊，滿足不同學生的學習需求和興趣愛好，同時提供個性化的學習路徑和指導，促進學生的全面發展

4.2從教學環節切入：強調計算思維的實踐與感悟過程

計算思維的培養不僅依賴于知識的傳授，更需要在實踐中體驗和內化。因此，在教學環節中，要特別重視計算思維的實踐與感悟過程，在湛江科技學院物聯網專業的教學過程中，為了使學生更好地掌握計算思維，并將其應用于實際問題的解決中，教學環節的設計至關重要。通過強調計算思維的實踐與感悟過程，可以幫助學生形成系統化的問題解決思路，提高其在物聯網領域的綜合素質。實踐環節的設計如下：

1）問題導向學習：在教學過程中，設計具有挑戰性和實際意義的問題，引導學生運用計算思維進行分析和解決。通過問題的引導和討論，激發學生的學習興趣和探究欲望，培養其獨立思考和解決問題的能力。

2）項目式學習：將課程內容與實際應用場景相結合，設計物聯網相關的項目任務。學生在完成項目的過程中，需要運用計算思維進行需求分析、系統設計、算法實現等，從而加深對計算思維的理解和應用。

3）實驗室實踐：通過物聯網實驗室的實踐操作，讓學生親身體驗物聯網系統的構建和運行過程。在實驗過程中，引導學生運用計算思維進行系統的分析和優化，提高其動手能力和實踐經驗。

從以下幾方面進行感悟環節的設計：

1）課堂互動與討論：在課堂上，教師應鼓勵學生積極參與互動和討論，分享自己在運用計算思維解決問題過程中的體會和感悟。通過交流和碰撞，幫助學生更深入地理解計算思維的內涵和價值。

2）反思與總結：在每個課程階段結束后，引導學生對所學內容進行反思和總結，特別是對自己在計算思維方面的進步和不足進行梳理。通過反思和總結，幫助學生形成對計算思維的深刻感悟和持續改進的動力。

3）課程作業與展示：設計具有開放性和創新性的課程作業，要求學生在完成作業的過程中充分運用計算思維。同時，組織學生進行作業展示和評價，讓他們在展示和評價中感悟計算思維在解決實際問題中的重要作用。

4.3從教學模式切入：構建計算思維的實踐場景

教學模式是培養計算思維的關鍵因素之一。傳統的教學模式往往側重知識的灌輸，而忽視了計算思維的實踐性和創新性。因此，需要創新教學模式，打造有利于計算思維發展的實踐環境。在湛江科技學院物聯網專業的教學中，為了有效培養學生的計算思維，并將其應用于物聯網領域的實際問題解決中，通過構建計算思維的實踐場景，可以為學生提供更加真實、具體的學習環境，幫助他們更好地理解和應用計算思維。主要從以下幾方面構建實踐場景：

1）模擬真實環境：利用物聯網實驗室、虛擬仿真軟件等工具，模擬真實的物聯網應用場景，如智能家居、智能農業等。學生在這樣的場景中，可以親身體驗物聯網系統的運行過程，并運用計算思維進行系統的分析和設計。

2）項目驅動教學：將課程內容與實際應用項目相結合，以項目為驅動，引導學生在完成項目的過程中學習和運用計算思維。通過項目的實施，學生可以更加深入地了解物聯網系統的構建和運行原理，同時鍛煉其計算思維能力和實踐技能。

3）跨學科融合：鼓勵物聯網專業與其他相關學科進行融合教學，如計算機科學、電子信息工程等。通過跨學科的融合，可以為學生提供更加寬廣的知識視野和多樣化的思維方式，有助于培養其計算思維和創新能力。

4）校企合作：建立與北京某企業合作建立實習實訓基地，讓學生在真實的工程環境中鍛煉計算思維和實踐能力。

4.4從教學評估切入：對計算思維的形成與實施進行評判與鞏固

教學評價是培養計算思維的重要環節。傳統的教學評價往往側重知識的考核和技能的測試，而忽視了計算思維過程的評價[13]。因此，需要改革教學評價方式，對計算思維過程進行判定與強化。在湛江科技學院物聯網專業的教學中，從以下幾方面實施評估：

1）設立明確的評估標準：針對計算思維的培養，制定具體的評估標準，包括學生對計算概念的理解、問題解決的策略選擇、算法設計的邏輯性和創新性等方面。這些標準應既體現計算思維的核心要素，又適應物聯網專業的特點。

2）采用多樣化的評估方法：結合物聯網專業的實踐性強的特點，采用多種評估方法，如課堂觀察、作業分析、項目評價、口頭報告等。這些方法可以全面反映學生在不同情境下計算思維的應用能力和水平。

3）注重過程性評估：計算思維的培養是一個漸進的過程，因此教學評估應貫穿于整個教學過程。通過定期的檢查、討論和反饋，教師可以及時了解學生的學習動態，發現計算思維形成與實施中的問題和不足。

5結束語

本研究通過深入分析了計算機類專業本科生計算思維的培育路徑，并探討了其內外影響因素。研究發現，計算思維在計算機類專業中占據核心地位，對于學生未來職業發展和社會需求具有重要意義。研究表明為有效培養本科生的計算思維能力，應從明確教學目標、優化教學環節、創新教學模式和完善教學評價等多個方面入手，共同構建一個全面而系統的培育體系。通過這一體系的實施，不僅能夠提升學生的計算思維能力，還能夠推動計算機類專業的創新與發展，更好地滿足社會對于高素質計算機人才的需求。本研究結論對于指導計算機類專業本科生計算思維的培養具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]SHUTEVJ，SUNC，ASBELL-CLARKEJ.Demystifyingcompu?tationalthinking[J].EducationalResearchReview，2017，22：142-158.

[2]LEEI，MARTINF，DENNERJ，etal.Computationalthinkingforyouthinpractice[J].ACMInroads，2011，2（1）：32-37.

[3]ZACHARISKV，NIROSAD.Computationalthinking：activities[M].AdvancesinEarlyChildhoodandK-12Education.IGIGlobal，2020：140-158.

[4]QUALLSJA，SHERRELLLB.Whycomputationalthinkingshouldbeintegratedintothecurriculum[J].JournalofComput?ingSciencesinColleges，2010，25（5）：66-71.

[5]KIMYC，KWONDY，LEEWG.Computationalmodelingandsimulationforlearninganautomationconceptinprogrammingcourse[J].InternationalJournalofComputerTheoryandEngi?neering，2014，6（4）：341-345.

[6]GIUNCHIGLIAF，WALSHT.ATheoryofAbstraction.Artif[J].Intell，1992（57）：323-389.

[7]SEZENN，BüLBüLA.Ascaleonlogicalthinkingabilities[J].Procedia-SocialandBehavioralSciences，2011，15：2476-2480.

[8]孟鴻偉.面向數字化未來的“計算思維”[J].中國教育信息化，2024，30（2）：3-12.

[9]詹澤慧，鐘煊妍，鄒萱萱，等.以評促教：基于事理圖譜的計算思維水平評價方法[J].現代遠距離教育，2024（1）：45-57.

[10]KHINEMS.Strategiesfordevelopingcomputationalthinking[M]//ComputationalthinkingintheSTEMdisciplines.Singa?pore：Springer，2018：3-9.

[11]ANISTYASARIY，EKOHARIADI，MUNOTO，etal.Analysisofcomputationalthinkingskillpredictorsoninformationtechnol?ogyeducationstudents[C]//Proceedingsofthe2ndInterna?tionalConferenceonEducationInnovation.Surabaya：AtlantisPress，2019：109-114.

[12]RELKINE.Factorsinfluencinglearningofcomputationalthinkingskillsinyoungchildren[C]//Proceedingsofthe2021AERAAnnualMeeting.April1-4，2021.WashingtonDC：AERA，2021.

[13]ALLSOPY.Assessingcomputationalthinkingprocessusingamultipleevaluationapproach[J].InternationalJournalofChild-ComputerInteraction，2019（19）：30-55.

【通聯編輯：王力】

基金項目：湛江科技學院2022年度校級本科教學質量與教學改革工程項目“卓越物聯網工程創新型人才培養計劃”（項目編號：ZLGC-2022555）