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将计算思维的培养引入计算机基础教学
作者:未知 如您是作者,请告知我们
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  [摘 要]文章从独立学院现有计算机基础教学的现状出发,提出将计算思维引入基础教学中,目的在于培养学生具备以设计和构造为主要特征的思维能力。这种教学改革需要对现有教学从目标、内容、方法和考核手段等方面进行优化。其改革成果对于今后的独立学院教育转型具有重要意义。 
  [关键词]计算思维;独立学院;计算机基础 
  [中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2018)11-0126-03 
  计算机基础教学在大学教育中地位非常重要,它对学生知识结构、思维方式以及创新能力的培养等有积极的作用。但近几年在“狭义工具论”[1]的影响下,计算机基础教学也暴露出一些问题。为了适应计算机科学技术发展的新趋势,高等院校特别是独立学院的计算机基础教学更应该积极转变教学思路,不能简单地将如何使用计算机作为培养学生的最终成果,而是应该将具备以设计和构造为主要特征的计算思维能力的培养作为教学目标。这不仅为独立学院的基础教育开拓了新思路,也对着力于打造应用型本科人才的教育起到重要的作用。 
  一、独立学院计算机基础教学的目标及现状 
  以江苏省独立学院为例,现阶段计算机基础教学的目标是使非计算机专业的学生不仅掌握计算机的操作使用方法,而且还要了解计算机信息处理的知识、原理与方法。南京师范大学中北学院具体的教学实施办法是入学第一学期安排非计算机专业的学生接受计算机信息技术的基础通识教育,第二学期在通识教育的基础上,理科学生进一步接受程序设计课程的学习。学生在课程学习结束后统一参加江苏省高等学校计算机等级考试,其中文科和艺术类专业学生参加一级考试,理科专业学生参加二级考试。笔者从事计算机基础教学十几年,深刻体会到此种教学模式在独立学院中有其积极的一面,也不可避免地存在一些问题。 
  1.信息技术发展过快与教学内容之间存在矛盾。信息技术的飞速发展对教学内容的设计提出严峻的考验。在有限的教学课时中过多地强调计算机理论知识会使学生失去学习的兴趣和积极性,然而过多地讲解前沿知识,又会使缺乏基础知识支撑的学生产生无源之水、无本之木的疑惑。 
  2.计算机基础教育的作用在教学中存在误解。长期以来计算机和信息技术被社会看作高科技工具,这种狭隘的“工具论”完全忽略了计算机技术与其他学科之间的渗透融合,有些学生甚至有些教师简单认为计算机基础课程旨在教会学生如何使用一些软件,与专业学习无关。因此有些高校错误地将计算机基础课程压缩课时,甚至安排学生自学完成。 
  3.学生入学时计算机基础水平不一给统一课堂授课带来困难。现阶段随着计算机的大量普及,学生接触计算机的程度明显加强,但由于我国地域经济发展不平衡以及各地区中学对计算机教育重视程度不同,导致高等学校入学新生的计算机知识和操作使用能力参差不齐。如何弥合零起点和非零起点学生的知识与技能的差异,是教师在教学过程中需要着力解决的问题。 
  4.教学内容与学生所学专业之间无关联使教学双方产生教学困惑。在实际教学中,一方面由于教学课时有限而课程知识点繁多,教师在讲授计算机基本知识时多半是讲解复杂的概念和抽象的定义,根本无暇顾及所教学生的专业知识背景;另一方面授课教师一般是计算机专业出身,而所教的非计算机专业则涉及文、史、经济、生化等各个学科,如何按照专业的不同需求分类分层次组织教学,也给授课教师带来一定的困难。 
  二、计算思维的提出 
  计算思维的提出,为今后的计算机教学工作指明了新的方向。九校联盟(C9)计算机基础课程研讨会上达成一致共识:要旗帜鲜明地把“计算思维能力的培养”作为计算机基础教学的核心任务[2]。 
  (一)计算思维的概念 
  思维是在表象、概念(脑中所想事物)的基础上进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程。计算思维(Computational Thinking)是2006年3月由时任美国卡内基.梅隆大学(CMU)计算机科学系主任、现任美国基金会(MSP)计算机和信息科学与工程部(CISE)主任的周以真(Jeannette M W)教授在美国计算机权威刊物Communications of the ACM上首次提出的概念。他认为“计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为。它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”[3]。 
  计算思维是指培养学生养成一种“像计算机科学家一样思考”的能力,这种能力应该如同我们在成长过程中学会的掌握阅读、写作和算术(Reading,Writing and Arithmetic——3R)能力一樣,作为人类进行问题求解的有效工具,具有普适性,即是每个人都应该掌握并学会使用的。具备这种以设计和构造为主要特征的思维能力,才能在今后的专业学习和工作中高效率地解决复杂和大规模的问题。 
  (二)计算思维的提出开拓了现阶段计算机基础教学的新思路 
  计算思维是具有普适性的思维训练,将它引入计算机基础教学,不仅可以避免由“狭隘工具论”带来的错误思想,而且开拓了计算机基础教学的新思路。随着地区经济与教育水平的不断提高以及计算机信息技术在操作友好性方面的不断改善,学生对于计算机具体操作方面的能力越来越强。如果大学计算机基础教学还在重复简单的操作教学,其实是在浪费宝贵的教学资源。 
  1.计算机不再仅仅局限于计算工具,现阶段它的广泛应用不仅影响着我们的生活、思维方式和思维习惯,而且也深刻影响着我们的思维能力。培养学生具备计算思维能力,真正做到授人以渔,使受教育者掌握了“像计算机科学家一样思考”的能力,才是计算机教学遵循的最高目标。 
  2.计算思维能力是现阶段人才培养不可或缺的组成部分。具备通用性的计算机信息技术以其飞快的发展速度推动了各个学科的不断进步。同时,如同早期的数学学科一般,几乎每个学科都会与计算机学科产生交集,发展交叉学科。所以,今后的人才培养不能仅局限于本学科的知识传授,更需要塑造能涉及多门学科的全方面人才,其中计算思维能力是必备素质之一。
  3.计算思维的培养提供了计算机基础教育的新内容。计算机技术发展之快令人始料未及,几乎没有哪所高校、哪本教材能够完全跟上它的发展节奏,学校里传授的知识总是滞后的。所以掌握最基本的计算机原理,培养计算思维能力,才是计算机基础教学的核心任务所在。 
  4.计算思维作为学生必须具备的素质,为其专业学习提供了更多的学习方法。当计算思维与学生专业知识背景有效地结合起来,可以使他们更有能力解决复杂的实际问题,进而激发学习热情和创新能力,拓展对周围世界的理解。 
  三、计算思维的培养需要对计算机基础教育多个方面进行革新 
  计算思维概念的提出,使得计算机基础教育摒弃了以往简单地针对计算机理论和操作的教学思路,将培养学生形成持续地利用计算机学科中约简、嵌入、转化和仿真等方法,来解决今后工作学习中专业问题的思维习惯作为主要目标[4]。这需要在教学目标、内容、方法和考核方式等多个方面进行革新。 
  (一)转变思想,将计算思维能力的培养作为长期的教学目标 
  计算机技术教育的学科价值不仅是让学生掌握必要的计算机知识和技能,更重要的是培养学生运用这些知识和技能解决实际问题的能力。思维的培养是个长期渐进的过程,不能局限于在大学计算机基础一门课程中。“九校联盟声明”中指出:“将计算思维能力培养作为计算机基础教育的核心任务,是一个较为长期的过程,也是需要我们不断探索、努力实践的过程。”这充分说明“培养学生计算思维能力”这个任务的长期性和艰巨性。 
  多年以来,计算机基础课作为本科教学的入门公共基础课程被安排在高校非计算机专业的低年级科目中,课程结束后就鲜有与计算机相关的后续课程。但事实上培养学生形成一种运用计算机科学的基础概念来求解问题、设计系统和理解人类行为的能力不是一学期一门课可以形成的,因此计算思维的培养应在计算机基础课程的基础上发展衍生课程,纵向贯穿于各个专业的通识教学阶段。 
  (二)优化教学内容,引入计算思维的训练 
  计算思维的培养具体来说可以分为学生的逻辑推理、算法思维、问题解决的设计和结构等方面能力的培养。笔者根据自身多年的教学经验以及计算思维的指导思想,试探性地提出将计算思维的一般方法融入教学内容中,摒弃以往的概念理论式的说教,针对独立学院学生的具体情况采用不同的教学侧重点,将课程内容做相应的调整。 
  独立学院的学生入学时的分数线属于本科招录的第二批次,相对来说成绩中等偏下。这部分学生往往基础相对较弱,学习的主动性和自主性不强,因此在教学培养目标上应适当减弱对理论知识的研究,多重视学生解决实际问题能力的培养。第一门课强调的是思维训练而不是具体实现[5]。 
  针对大部分非计算机专业的学生,在现有的教学内容上适当压缩删减计算机复杂的理论知识和简单的计算机操作练习,将整个系统学习分为两个阶段。第一学习阶段保留最基本的计算机相关原理,引入计算思维培养与训练;第二学习阶段涉及少量的高级计算机应用,如编程、开发信息系统等,旨在提高计算思维的应用能力。由此大致分配教学侧重点,比例安排如图1所示,以“大学计算机基础”课程为例介绍具体教学内容和方法则如表1所示。 
  (三)教学方法需要转变成为知识传授加思维训练的模式 
  将计算思维能力的培养作为教学的核心任务,需要一套适合思维训练的教学模式,其中关键点是要激发学生的兴趣,引导学生积极地参与思考和创新。就具体的课堂组织教学模式而言,教师可以采用任务驱动、翻转课堂等方法,即在学生课前充分预习的基础上,教师先抛出案例或者与知识点相关的问题,然后归纳、描述问题,接下来组织学生讨论或者实践来寻找解决问题的方法,讨论完之后再由教师系统地介绍解决问题的方法和知识,最后进行方法和知识的推广并渗透到其他知识领域中去。在教学过程中注重培养学生采用逻辑推理、算法设计等方法解决问题的能力。 
  下面以第三章“计算机软件”中操作系统的部分知识点为例说明引入计算思维培养的课程授课方法。 
  1.教师在课堂授课环节中首先介绍操作系统的主要任务是“对计算机的软硬件资源进行管理和调度”。 
  2.抛出生活中的问题供学生思考讨论,如“在超市排队结账过程中,如何安排顾客的先后顺序比较高效?在强调效率的前提下如何兼顾公平?”“两只山羊要从两个方向过桥,如何才能让它们不在桥上僵持?”等。 
  3.由生活中的例子引申到操作系统中,学习操作系统中的作业管理、死锁等知识点。 
  4.学习作业调度算法、避免死锁的银行家算法等,并鼓励学生根据问题设计自己的相关算法。 
  5.教师归纳总结,针对不同学生的专业背景进行知识推广和渗透。 
  教师在授课过程中,由于不同专业学生有不同的学科背景,因此对学生计算思维的培养侧重点也应有所不同。对于文科、经济类学生,计算思维的培养可以倾向于数据的收集与挖掘,使其更多地掌握从数据中获得知识和规律的方法;对于理科专业学生,可重点培养算法的学习与应用,使其在今后研究问题和解决问题时可以利用计算思维创建模型和进行模拟仿真。 
  (四)改革考核方式,将是否具备计算思维能力作为考核的重点 
  将计算思维的培养引入计算机基础教学,就不能仅仅考查学生使用计算机的能力,而要考查学生是否具备了计算思维的能力。考查内容建议可以分为以下三个部分:第一部分为计算机相关知识考核,分值比例可以为20%-30%,考试形式可以为闭卷笔试或上机实践。第二部分重点考查学生利用递归思维、抽象与分解、启发式推理等方法具体解决实际问题的能力,分值比例可以为60%-70%,考试形式可以是论文阐述、课程设计、学习报告等形式。第三部分可以将每次课堂的讨论与学生的算法设计作为考核的补充部分,分值比例可为10%-20%,用于激发学生的学习动力与创新能力。 
  多种考核形式相结合,重点突出,难易相辅,既考查学生计算机基础知识的掌握程度,又加入计算思维能力的评估,体现重视能力培养的多元化教学方针。 
  四、结语 
  摆脱以操作技能培养学生计算机能力的狭隘观点,将计算思维能力的培养作为计算机信息技术基础课程的教学核心,使学生掌握采用抽象和分解来解决庞杂的任务的方法,从而提高了学生的综合素质。这对独立学院的教师、学生都提出了更高的要求,而从长远角度看,这对于信息时代背景下的独立学院转型、人才培养以及教育改革都具有十分重大的意义。 
  [ 参 考 文 献 ] 
  [1] WING J M.Computational thinking[J].Visual Languages and Human-Centric Computing,2006,49(3):3. 
  [2] 何钦铭,陆汉权,冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养:《九校联盟(C9)計算机基础教学发展战略联合声明》解读[J].中国大学教学,2010(9):5-9.
  [3] 陈国良,董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学,2011(1):7-11+32. 
  [4] 牟琴,谭良.计算思维的研究及其进展[J].计算机科学,2011(3):10-15+50. 
  [5] 李波:计算思维与大学计算机基础[J].中国大学教学,2012(7):43-45. 
  [责任编辑:庞丹丹]


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