融入計算思維培養的大學物理實訓項目的開發

摘 要 “101計劃”是為了推動高校人才培養模式的轉變。我們以“101計劃”的核心思想為指引，依據計算機專業人才培養方案的要求，將計算思維的培養融入大學物理課程的教學中，開發了“光干涉現象的計算機模擬”的實訓項目。結果表明，項目的實施不但能加深學生對物理知識的理解，增強溝通協作能力，而且還有助于培養創新能力和解決真實問題的能力。

關鍵詞 101計劃;計算思維;大學物理;實訓

盡管對信息時代的定義存在爭議，但人們對身處信息時代的現實具有普遍共識，尤其在計算機技術得到高度發展和普及的今天，每個人都深切感受到信息對社會的影響正日益增強。在此背景下，教育部于2021年最后一天啟動了基礎學科系列的“101計劃”。其目的是實現高校人才培養模式從“知識為主”向“能力為先”的轉化。計算機科學作為“101計劃”首個試點領域，其教育教學改革受到了廣大高校教師的高度關注。

在計算機科學教育方面，計算思維的培養是其中最重要的內容之一。計算思維是周以真于2006年首次提出的[1] ，以計算機科學基礎概念和理論為基礎，涵蓋問題求解、系統設計和人類行為理解等一系列思維活動。經過多年的發展，人們對計算思維的認識發生了很大變化。如今，計算思維不再被認為是僅起源于計算機學科，只有計算機科學家才具備的思維方式;而是來自所有學科、所有領域科學家在應用計算和計算模型時采用的思維方式[2-3]，它與理論思維、實驗思維一起并稱為人類的三大科學思維方式。

物理學科是計算思維的主要起源之一。大學物理作為研究物質的結構運動及其相互作用的課程，對打好大學生必要的物理基礎，培養批判思維能力、邏輯推理能力以及問題解決能力等具有重要意義。在普通高等院校計算機科學專業的培養方案中，大學物理往往被劃為學科基礎課。然而，由于各種因素的影響，課程沒有得到計算機專業的師生的重視。課程的課時不斷被縮減甚至一度被從人才培養方案中刪除。因此，如何通過課程教學內容和教學方法的改革，讓計算機專業的大學生認識到課程的重要性是非常值得我們研究的。為此，我們遵循“101計劃”的主導思想，以計算思維為連接點，開發了“光干涉現象的計算機模擬”的實訓項目，希望學生通過體驗實訓過程，提升計算思維水平，增強利用物理知識解決問題的能力。

1 實訓內容的設計體現挑戰度與學科融合

雖然大學物理課程并非計算機專業的核心課程，“101計劃”中“建好一批核心實踐項目”也不是指一般的實踐項目，但我們仍可以通過大學物理課程的教學落實“101計劃”的核心思想———讓學生通過解決真問題來磨煉專業能力。

考慮到光學實驗對環境要求高，不容易在課堂上演示，而學生在實驗室中已做過相關實驗，清楚了解真實的實驗現象。我們選取大學物理中“光的干涉”的內容，以“小組自行選擇開發環境（如Python、Matlab、Origin、 Java等），在楊氏雙縫干涉、薄膜干涉、劈尖干涉及牛頓環四個實驗中任選其一，利用兩周時間完成實驗現象的計算機模擬”為題，設計了實訓項目。項目的實質就是要求學生利用所學的物理知識和計算機知識，通過對問題進行抽象、分解，建立計算模型，將物理問題轉化為計算機能理解的問題。由于計算思維的本質即抽象，它往往體現為計算模型[3]。所以，實訓過程就是學生計算思維形成與發展的過程。

按照計算機專業的培養方案，大二上學期的學生只學習了“程序設計基礎”“面向對象程序設計（Java）”“數據結構”和“數據庫原理”四門專業課程。而且，由于我校計算機專業的大學物理只有51課時，其中約10個課時用于光學知識的教學。這意味著，若要完成實訓項目，學生必須在掌握光學知識的基礎上，在兩周內自學并掌握其他計算機知識。此外，考慮到好的實訓成果可作為大學物理課程的教學資源，我們要求完成的作品必須是動態的，帶有可調參數的。這就要求學生不但要理解相關物理知識，還需要了解用戶（教師）的需求，才能保證作品有助于教學。由此可見，我們設計的實訓項目為學生構建了一個比較真實的職業場景，不但實現了學科的有效融合，而且還具有一定的挑戰度，有助于培養學生解決真實問題的能力。

2 項目的組織與實施促進溝通交流與團隊協作

計算機專業的人才培養不僅涉及學科知識與專業能力，而且涵蓋溝通交流能力與團隊合作能力的培養。大學物理作為基礎課程，設置的實訓項目理所當然要保證大部分學生具備完成實訓項目的知識和能力基礎。但學生的知識基礎與自學能力是存在差異的。為此，我們讓學生自由組隊，以4人一組的形式開展實訓，并結合班級人數，規定每個題目的制作小組不能超過6個，全班至少采用3種不同的開發環境進行模擬。這樣的設計既解決了學生基礎參差不齊、自學能力有強有弱的問題，而且還促使了大部分學生去自學其他知識。

除了小組內部的分工協調需要學生的溝通交流和合作外，我們還將項目實施過程及成果展示的組織權完全交給學生干部，其中包括分配課題、限定開發環境、保證規定時間內完成成果展示，以及準備方案應對成果展示時可能出現的技術問題等。

實訓項目的實施過程表明，學生小組內部能夠各取所長，充分發揮優勢完成任務;學生干部能提出合理方案分配任務，能全面考慮實施過程中可能出現的問題，保證教師與同學間的有效溝通，并按照項目設計要求，達到了讓所有小組順利完成成果展示的良好效果。

3 實訓成果展示顯露學生計算思維的發展

有關計算思維的研究指出，計算思維的培養應依托真實的、有意義的計算實踐。而“光干涉現象的計算機模擬”就是真實的問題。它需要學生構建相應的計算模型，將問題分解為更小、更易于管理的部分，并設計有效的步驟或規則來解決問題和執行任務。對此，不少學生在實訓的成果展示中呈現了他們構建計算模型的部分細節。