葉文珺　王劍云　張超

摘要：本文首先介紹了計算思維的概念以及在計算機公共課程中引入計算思維的必要性，然后闡述了提高計算思維能力的多種途徑，包括：通過程序設(shè)計課程類課程培養(yǎng)學(xué)生計算思維、通過上機實驗培養(yǎng)計算思維、通過大學(xué)生科創(chuàng)提高學(xué)生計算思維等幾個方面。

關(guān)鍵詞：計算思維；程序設(shè)計；上機實驗

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）14-0115-02

一、引言

計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維同我們的閱讀、寫作能力一樣，是人類的基本思維方式。這種思維方式運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念和方法對問題進(jìn)行描述、建模、求解，是一種具有普適性的科學(xué)思維方法。

二、在計算機公共教學(xué)中引入計算思維的原因

有了計算機，人類就能用自身智慧解決那些計算時代之前不敢嘗試的問題了。然而，長期以來，信息技術(shù)只是被社會看成一種高科技工具，計算機科學(xué)技術(shù)也被構(gòu)造成一門專業(yè)性很強的工具性和輔助性學(xué)科，很多非計算機專業(yè)的學(xué)生從來就沒有體驗過計算的愉悅：基本原理的互相影響，計算思維的方式，以及有趣的問題解決。2006年，隨著周以真教授的“計算思維”課程（面向所有專業(yè)的一類“計算機科學(xué)導(dǎo)論”課程），以及Tim Bell教授領(lǐng)導(dǎo)的針對中小學(xué)生的“不插電的計算機科學(xué)”等不同類型的計算思維課程的成功開設(shè)，人們開始考慮用“計算思維”來全面改造傳統(tǒng)的大學(xué)計算機教育。2009年3月，ACM在網(wǎng)上公布的CS2008中，將原來在“導(dǎo)論”課程中的計算思維放到整個計算學(xué)科的教學(xué)過程中，認(rèn)為“計算思維”對計算機課程教學(xué)越來越重要，報告建議將“計算思維”放在計算機課程教學(xué)的中心地位。

由此可見，不能將程序設(shè)計、大學(xué)計算機這些計算機基礎(chǔ)課程簡單地看成工具性課程，而應(yīng)將其作為培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的重要課程來看待。那么，如何在課堂上結(jié)合課本的知識點培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，使得計算思維成為學(xué)生的一種思維習(xí)慣，并能夠運用計算思維的方法進(jìn)行問題的分析和思考？我們在計算機公共基礎(chǔ)課程的教學(xué)中，在這方面進(jìn)行了一些有益的探討及實踐。

三、多種途徑提高計算思維能力

程序設(shè)計類課程曾經(jīng)一度是只以講述程序設(shè)計語言的語法知識為主的應(yīng)試課程，課程枯燥乏味，遠(yuǎn)離應(yīng)用。為了把程序設(shè)計從應(yīng)試課程轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N實踐工具，目前程序設(shè)計類課程多以培養(yǎng)學(xué)生運用編程語言解決實際問題的編程能力為目標(biāo)，使學(xué)生掌握一門編程語言的基本語法、語句、控制結(jié)構(gòu)，以及程序設(shè)計的基本思想和方法，使學(xué)生認(rèn)識到算法、良好的程序設(shè)計風(fēng)格及實踐在的重要性，培養(yǎng)學(xué)生熟練使用一門編程語言分析和解決實際問題的能力。進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，使學(xué)生無論以后在學(xué)習(xí)、工作中使用什么語言編程，都能靈活應(yīng)用這些思想和方法的能力，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程打下堅實的基礎(chǔ)。

（一）在程序設(shè)計類課程的教學(xué)中，采用基于任務(wù)驅(qū)動及算法多樣化訓(xùn)練的計算思維培養(yǎng)方法

在程序設(shè)計類課程教學(xué)改革中，首先要轉(zhuǎn)變和更新教師的教學(xué)理念，從傳統(tǒng)的“以傳授計算機知識為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙耘囵B(yǎng)計算思維”為主，研究從“教給學(xué)生什么知識”轉(zhuǎn)為“教給學(xué)生什么思維方法和能力”，以及如何確保由“知識傳授”轉(zhuǎn)為“基于知識的思維傳授”的問題，旨在讓學(xué)生不僅“學(xué)會”，更要“會學(xué)”，不僅“愛學(xué)”，更要“學(xué)有所獲、學(xué)以致用”，不僅“學(xué)會知識”，更要“學(xué)會思維方法”。

基于任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法及算法多樣性訓(xùn)練可以激發(fā)學(xué)生的思維活動，強化計算思維訓(xùn)練。

1.采用基于任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法。為了將計算思維的培養(yǎng)和課堂教學(xué)有機地融合，我們在教學(xué)過程中綜合采取任務(wù)驅(qū)動教學(xué)、整班教學(xué)與小組教學(xué)、多媒體教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等多種方法開展教學(xué)，充分發(fā)揮各種教學(xué)方法的優(yōu)勢，積極采取多種途徑幫助學(xué)生在算法課程的教與學(xué)中有意識地加強計算思維的培養(yǎng)。

運用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的教學(xué)形式是：提出任務(wù)→師生共同分析完成任務(wù)的方法和步驟→適當(dāng)講解或自學(xué)或協(xié)作學(xué)習(xí)→完成任務(wù)實踐→交流或歸納。而傳統(tǒng)的教學(xué)形式是：基本概念介紹→舉例解釋→鞏固型獨立練習(xí)→小結(jié)評講→上機練習(xí)。在這個過程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)基本上是被動的。采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，在課堂教學(xué)中，首先提出一個需要完成的具體任務(wù)，與學(xué)生共同分析解決該問題所需的知識、方法和步驟，圍繞具體任務(wù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母拍罱虒W(xué)和舉例講解，或引導(dǎo)學(xué)生來獨立完成，也可以合作完成。目的是通過完成任務(wù)，掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)會學(xué)習(xí)，培養(yǎng)綜合能力。在這個過程中，教師要參與一些學(xué)生的討論去發(fā)現(xiàn)問題，個別的問題個別回答，帶有普遍性的問題在全班回答或講解。要引導(dǎo)學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容，適時交流，發(fā)現(xiàn)新思路，推廣新思路，鼓勵創(chuàng)新。教師進(jìn)行比較、評講、歸納，或由計算機執(zhí)行，學(xué)生從中得出結(jié)論，共同進(jìn)步。

采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)，教師的教和學(xué)生的學(xué)都是圍繞如何完成一個具體任務(wù)進(jìn)行的。教師教學(xué)思路清晰，學(xué)生學(xué)習(xí)目的明確，學(xué)習(xí)就變成了學(xué)生的主動行為，更容易掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。

2.尊重學(xué)生不同的認(rèn)知方式，重視算法多樣化訓(xùn)練。算法多樣化的本質(zhì)是尊重學(xué)生不同的認(rèn)知方式，在教學(xué)過程中由于學(xué)生認(rèn)知方式的差異，必然會導(dǎo)致算法多樣化。教師應(yīng)該尊重每位學(xué)生的個體特征，鼓勵學(xué)生從不同角度認(rèn)識問題，用不同方式表達(dá)算法，用不同方法實現(xiàn)問題求解。同時教師給予適當(dāng)?shù)脑u價，就是尊重學(xué)生不同的認(rèn)知方式。

在教學(xué)過程中，教師不但要倡導(dǎo)算法多樣化，還要引導(dǎo)學(xué)生對算法進(jìn)行反思和進(jìn)一步探索，從而達(dá)到簡化并優(yōu)化算法的目標(biāo)。將一個計算任務(wù)用多種思路、多種算法進(jìn)行求解，可以發(fā)展學(xué)生計算思維的靈活性。算法多樣化讓學(xué)生可以用自己喜歡或能夠理解的算法，通過交流、評價得到計算結(jié)果。

研究表明，問題可以更好地激發(fā)學(xué)生的求知欲，使學(xué)生注意力集中。學(xué)習(xí)不應(yīng)是簡單地接受課本一成不變的知識，而應(yīng)在原有問題的基礎(chǔ)上不斷引導(dǎo)學(xué)生從不同的角度發(fā)現(xiàn)新的問題，拓展思維方式，培養(yǎng)創(chuàng)造精神。教師可以在講解完課本上的經(jīng)典例子后，啟發(fā)學(xué)生將其修改后應(yīng)用于一個實際問題中。教師在備課時，不僅要熟悉消化教材內(nèi)容，更要精心設(shè)計課堂情境，準(zhǔn)備好“問題”，設(shè)置好“陷阱”，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，逐步培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

（二）嘗試以上機實驗為重點的計算思維教學(xué)模式

程序設(shè)計類課程是實踐性學(xué)科，上機實驗是培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的重要手段，是程序設(shè)計課程教學(xué)的核心。

1.實驗內(nèi)容分層次。按照難度不同將實驗內(nèi)容分成了概念基礎(chǔ)實驗、應(yīng)用基礎(chǔ)實驗和應(yīng)用提高實驗三種類型。我們將概念基礎(chǔ)實驗設(shè)計為驗證性實驗，如某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表示和實現(xiàn)并將此種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)封裝為一個類，并要求所有的學(xué)生都必須實現(xiàn)；應(yīng)用基礎(chǔ)實驗，則是利用已實現(xiàn)的某種算法或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的一個簡單應(yīng)用；應(yīng)用提高實驗，是利用已實現(xiàn)的某種或某幾種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的一個綜合應(yīng)用。后面兩種類型的實驗又分設(shè)若干實驗題，每個實驗題都設(shè)有難度系數(shù)。我們要求每個學(xué)生必須完成概念基礎(chǔ)實驗和一道應(yīng)用基礎(chǔ)實驗題，選做一道提高實驗題，所選應(yīng)用基礎(chǔ)實驗題和提高實驗題的難度將作為成績評定的一個依據(jù)。

2.增強實驗內(nèi)容的趣味性和綜合性。通過計算任務(wù)的趣味性、綜合性等來增強實驗內(nèi)容的難度，從而強化計算思維訓(xùn)練。大學(xué)生一般對新鮮事物好學(xué)、好問并富于幻想，初遇計算任務(wù)時往往興致盎然，幻想編寫程序。但在傳統(tǒng)教學(xué)中，缺少趣味性和綜合性，進(jìn)而導(dǎo)致同學(xué)們沒有學(xué)習(xí)興趣，所以，設(shè)計實驗內(nèi)容盡量生活化、趣味化。例如，我們在C語言程序設(shè)計的實驗教學(xué)中，引入了學(xué)生熟悉并感興趣的“學(xué)生點名系統(tǒng)”、“四則運算測驗系統(tǒng)”等題目，從分支程序設(shè)計開始就引入這類實驗，進(jìn)而在循環(huán)、數(shù)組、函數(shù)、文件等部分的實驗中不斷改進(jìn)完善系統(tǒng)功能。當(dāng)學(xué)生完成實驗的最終版本時，已經(jīng)綜合運用了這門課程中的所有知識，同時享受到了完成一個作品的成功感，極大提到了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）通過指導(dǎo)大學(xué)生科創(chuàng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力

大學(xué)生科創(chuàng)旨在進(jìn)一步推動高等教育教學(xué)改革，促進(jìn)人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法的創(chuàng)新，鼓勵和支持大學(xué)生盡早參與科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和社會實踐等創(chuàng)新活動，不斷提高大學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)精神和實踐能力。通過指導(dǎo)學(xué)生科技創(chuàng)新項目，以現(xiàn)實中的實際項目為驅(qū)動，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并在實際的項目中，深入培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，讓學(xué)生在邊做、邊思考、邊學(xué)習(xí)的過程中養(yǎng)成良好的計算思維。近幾年來，完成的比較優(yōu)秀的科創(chuàng)項目，每年都參加市級甚至全國的程序設(shè)計大賽，都能取得不錯的成績，這反過來又能激發(fā)學(xué)生對程序設(shè)計的學(xué)習(xí)熱情，也為教師的課堂教學(xué)提供案例。

四、結(jié)論

計算思維的培養(yǎng)不是通過一兩門課程的教學(xué)就能夠解決的，而是應(yīng)該貫穿于整個專業(yè)課程的教學(xué)中。但計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)卻肩負(fù)著提高學(xué)生學(xué)習(xí)計算機的興趣和培養(yǎng)學(xué)生從生活中的問題求解過渡到學(xué)會用計算機進(jìn)行問題求解的重任，因此，計算機公共課程的教師應(yīng)當(dāng)從計算思維的層面看待所授的課程，梳理和提煉課程中所蘊含的計算思維的概念、方法和思路，有目的有意識地從各個角度培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，以期學(xué)生能夠利用這種思維方式自主解決實際問題，并在解決實際問題中鍛煉自己的能力。

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