如何在計(jì)算機(jī)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)員的計(jì)算思維能力

郭留英

摘要：本文從計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)員計(jì)算思維能力出發(fā)，對(duì)“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革展開了一些探討和研究，并將思維訓(xùn)練融入到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以期能夠有效地提升學(xué)員的綜合素質(zhì)和能力，挖掘?qū)W員的學(xué)習(xí)潛能。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)教學(xué)；優(yōu)點(diǎn)；存在問題；如何培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2015）22-0100-03

● 概述

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的普及、應(yīng)用以及人們計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能的不斷提高，計(jì)算思維的培養(yǎng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。2010年《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》的核心要點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，“需要把培養(yǎng)學(xué)員的‘計(jì)算思維’能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)”。因此，教師在培養(yǎng)學(xué)生解析能力，提高其閱讀、寫作和算術(shù)能力的同時(shí)，還應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生使其具有計(jì)算思維。

● 計(jì)算思維及特點(diǎn)

2006年，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M. Wing）教授對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行了清晰系統(tǒng)的闡述。周以真教授認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。

其特點(diǎn)是，計(jì)算思維建立在計(jì)算過程的能力和限制之上，由人操作機(jī)器執(zhí)行。計(jì)算方法和模型使人們敢于去處理那些原本無法由個(gè)人獨(dú)立完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且計(jì)算思維中的抽象完全超越物理的時(shí)空觀，并完全用符號(hào)來表示，其中，數(shù)字抽象只是一類特例。與數(shù)學(xué)和物理科學(xué)相比，計(jì)算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復(fù)雜。數(shù)學(xué)抽象的最大特點(diǎn)是拋開現(xiàn)實(shí)事物的物理、化學(xué)和生物學(xué)等特性，而僅保留其量的關(guān)系和空間的形式，而計(jì)算思維中的抽象卻不僅僅如此。

當(dāng)前，計(jì)算科學(xué)與理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)并列成為推動(dòng)人類文明進(jìn)步和促進(jìn)科技發(fā)展的三大手段，而作為計(jì)算科學(xué)基礎(chǔ)的計(jì)算思維是創(chuàng)新思維培養(yǎng)的重要組成部分，是創(chuàng)新思維不可或缺的部分。美國(guó)著名心理學(xué)家吉爾福特（J.Guilford）提出：創(chuàng)造力是整個(gè)教育的關(guān)鍵，也是解決人類最嚴(yán)重問題的關(guān)鍵。因此，教師在進(jìn)行“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)時(shí)，不僅要培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新思維能力，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

● “大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程中存在的問題

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是學(xué)員進(jìn)入大學(xué)后的第一門計(jì)算機(jī)課程。近年來，許多高校都把該課程列為必修的公共基礎(chǔ)課程之一。在教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)提出的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)四個(gè)方面的能力目標(biāo)中，涉及計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)能力的有對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)知能力和應(yīng)用計(jì)算機(jī)的問題求解能力。而這兩方面的能力恰好反映了計(jì)算思維的兩個(gè)核心要素，即計(jì)算環(huán)境和問題求解。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是要求學(xué)員不僅掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，而且應(yīng)初步具備利用計(jì)算機(jī)分析和解決問題的意識(shí)與能力，從而為學(xué)員終身學(xué)習(xí)以及更好地使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)解決本專業(yè)領(lǐng)域問題奠定基礎(chǔ)。

然而，目前大學(xué)計(jì)算機(jī)課程只是局限于對(duì)某些方面知識(shí)的學(xué)習(xí)，且以學(xué)期為周期。課程的學(xué)習(xí)僅注重知識(shí)的傳授，距離使學(xué)員初步具備利用計(jì)算機(jī)分析和解決問題的意識(shí)與能力，為學(xué)員終身學(xué)習(xí)以及更好地使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)來解決本專業(yè)領(lǐng)域問題的目標(biāo)還有很大的差距。例如，學(xué)員在高年級(jí)課程學(xué)習(xí)中，專業(yè)課的教師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，當(dāng)要求學(xué)員通過整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，最終要得到一個(gè)結(jié)論時(shí)，學(xué)員往往茫然無措，不知該如何下手。

這一現(xiàn)象說明當(dāng)前的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程在教學(xué)方面出現(xiàn)了問題，主要有三個(gè)方面：

首先，大部分學(xué)生認(rèn)為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程可有可無。一直以來，部分教師和學(xué)生都存在著把計(jì)算機(jī)作為工具，如“計(jì)算機(jī)會(huì)用即可”“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程就是講解軟件工具使用”等片面觀點(diǎn)。這些觀點(diǎn)的流行對(duì)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)造成了巨大的沖擊，如大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)學(xué)時(shí)在專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中被壓縮；計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)資源得不到充分的配置；大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程成了可有可無的課程；學(xué)員學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程滿足于掌握計(jì)算機(jī)的基本操作、基本軟件的使用或基本程序設(shè)計(jì)語言，等等。

其次，學(xué)員學(xué)習(xí)目的不明確，積極性不高。非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)所開設(shè)的課程一般是應(yīng)用基礎(chǔ)和一門程序設(shè)計(jì)語言，而一部分學(xué)員認(rèn)為這些課程與自己將來所要從事的工作沒有關(guān)系，所以導(dǎo)致學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中興趣不大。還有一部分學(xué)員在開始學(xué)習(xí)時(shí)的信心較大，但隨著學(xué)習(xí)難度的增大，逐漸產(chǎn)生了厭學(xué)情緒。

再次，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程具有孤立性。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的開設(shè)比較獨(dú)立，它只是依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行。在課程設(shè)置上沒有和其他的專業(yè)課程相聯(lián)系；在課程的延續(xù)性上很少有教師與后續(xù)專業(yè)課程的教師進(jìn)行溝通、探討；在學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)時(shí)，大部分學(xué)生只是機(jī)械、單純地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)操作原理，缺乏實(shí)際應(yīng)用的有效環(huán)節(jié)，甚至存有只要將教師布置的任務(wù)完成就可以的想法，而且學(xué)員在學(xué)習(xí)中遇到有關(guān)專業(yè)方面的問題，不知道該如何解決，也不知道該請(qǐng)教哪位教師。

● 應(yīng)如何培養(yǎng)學(xué)員的計(jì)算思維

上述的問題嚴(yán)重制約了對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，因而我們必須對(duì)“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)進(jìn)行改革。

首先，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)為學(xué)員創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)，不僅承載著優(yōu)化學(xué)員知識(shí)結(jié)構(gòu)的使命，也是培養(yǎng)學(xué)員動(dòng)手實(shí)踐能力的重要課程載體，更是訓(xùn)練學(xué)員掌握計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域獨(dú)特思維方式的基石。因此，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中，教師不僅要教授學(xué)員怎么使用計(jì)算機(jī)或進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，更要積極地培養(yǎng)其綜合素質(zhì)與計(jì)算思維能力。同時(shí)，在指導(dǎo)學(xué)員學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程時(shí)，不僅要使學(xué)員了解計(jì)算機(jī)是什么，計(jì)算機(jī)能夠做什么、如何做，更重要的是使他們知道本學(xué)科領(lǐng)域解決問題的基本方法與特點(diǎn)，即學(xué)習(xí)并掌握計(jì)算機(jī)領(lǐng)域解決問題的基本思維方法?？傊?，計(jì)算機(jī)作為通識(shí)教育的重要內(nèi)容，不只是簡(jiǎn)單地拓展學(xué)員在計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)面，更需要展現(xiàn)計(jì)算機(jī)學(xué)科的思維方式。

其次，教師在課堂教學(xué)中應(yīng)盡量采取師生互動(dòng)討論的方式，讓每一位學(xué)員都參與進(jìn)來，并通過學(xué)員講述、教員引導(dǎo)，歸納出問題所在，最后達(dá)到解決問題的目的。教師所設(shè)計(jì)的每次課都應(yīng)有一條思維主線，教學(xué)內(nèi)容圍繞這條主線展開和延伸。例如，在講授“計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)”時(shí)，教師可以先讓學(xué)員討論并說一說計(jì)算機(jī)所擁有的基本部件，然后再由教師歸納并繪制出經(jīng)典的計(jì)算機(jī)工作的原理圖，同時(shí)，還要讓學(xué)員思考影響系統(tǒng)工作效率的因素及改進(jìn)方法，進(jìn)而繪制出現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工作的原理圖。又如，在講授“什么是信息技術(shù)”時(shí)，教師應(yīng)先由概念引出人類獲取信息的方式，然后引導(dǎo)學(xué)員討論身邊有哪些信息技術(shù)以及這些技術(shù)的作用，從而引出利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行信息處理的優(yōu)勢(shì)，接著思考計(jì)算機(jī)如何進(jìn)行信息處理，這就涉及文字、圖片、聲音等如何在計(jì)算機(jī)里表示，進(jìn)而引出二進(jìn)制以及如何將我們最熟悉的數(shù)值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的方法。

整個(gè)課堂教學(xué)由“學(xué)員發(fā)言→教員引出思考→學(xué)員提出解決方案→共同進(jìn)行可行性分析→教員總結(jié)歸納”幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師要引導(dǎo)學(xué)員對(duì)問題進(jìn)行抽象、分析，并使其掌握所涉及的計(jì)算原理，形成問題求解的思路。特別要設(shè)計(jì)好師生互動(dòng)環(huán)節(jié)，給學(xué)員提出問題的機(jī)會(huì)，同時(shí)還要善于引導(dǎo)學(xué)員積極有效地思考、討論，鼓勵(lì)學(xué)員積極回答問題，探索問題的求解方法，從而使學(xué)員能在學(xué)習(xí)中思考，在思考中逐步培養(yǎng)計(jì)算思維。

再次，結(jié)合專業(yè)背景開展計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)由不同專業(yè)背景、從事計(jì)算機(jī)研究與應(yīng)用的教師組成，并結(jié)合不同院系的專業(yè)背景進(jìn)行計(jì)算機(jī)教學(xué)。同時(shí)，教師在教學(xué)中要結(jié)合實(shí)例，重點(diǎn)介紹計(jì)算機(jī)在不同學(xué)科的應(yīng)用和解決問題所涉及的方法和思想。從而達(dá)到既有闡釋計(jì)算機(jī)學(xué)科的普適思維，又有面向特定學(xué)科專業(yè)案例的教學(xué)效果，這樣則有利于學(xué)員對(duì)本專業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的認(rèn)識(shí)和理解。

● 結(jié)束語

計(jì)算思維既然與人們的工作和生活如此密切相關(guān)，理所當(dāng)然地應(yīng)當(dāng)成為人類不可或缺的一種生存能力。計(jì)算思維無處不在，當(dāng)其真正融入人類活動(dòng)的整體時(shí)，它作為一個(gè)問題解決的有效工具，人人都應(yīng)掌握，處處都會(huì)被使用。自然，它應(yīng)當(dāng)有效地融入到我們的每堂課中。同時(shí)，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，是一個(gè)較為長(zhǎng)期的過程，需要我們不斷探索與實(shí)踐。

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