计算思维能力培养为核心的大学计算机课程改革

摘 要 ：大学计算机课程是大学通识教育的重要组成部分,与大学数学和物理同等重要,其核心价值在于培养学生的计算思维,促进学生创造性思维的形成.文章分析大学计算机基础教学目前面临的危机与挑战,阐述新形势下大学计算机的课程定位,着重从课程体系构建、教学案例设计、教学方法改革等几个方面探讨围绕培养学生计算思维能力的核心任务进行课程改革的基本思路和措施,

关 键 词 ：计算思维；大学计算机；课程体系；教学案例；教学方法

0.引言

自20世纪90年代末教育部倡议在大学开展“计算机文化”教育至今,大学计算机基础课程经历了以流行软件学习与掌握为主的“计算机文化基础”教育阶段,以素养和应用驱动的计算机共性知识讲授为主的“计算机应用基础”教育阶段.课程名称也从计算机文化基础变成大学计算机基础,直至现在的大学计算机.这是因为随着国家人才战略的实施以及国家对于人才培养质量的高度关注,计算机教育在大学整体教育中的重要性将会更加突出,计算机成为在通识教育中培养具有现代科学思维精神和能力的三大必修课程（数学、物理、计算机）之一.课程名称的变化反映了信息技术的发展、计算机教育的普及、社会的需求变化以及学生计算机基础的提高.

当各高校开始提倡素质教育、给学生更大的自学空间、不断压缩学时的时候,大学计算机基础首当其冲受到极大的冲击,学时被大大压缩,少数学校甚至取消了该课程.这不禁让从事计算机基础教育的教师和专家学者感到矛盾和困惑：该课程到底该如何发展?究竟还有没有存在的必要?我们的学生真的不需要学习计算机吗?他们需要学什么?

2006年,美国卡内基梅隆大学：（CMU）计算机科学系主任周以真教授（Jeante M.Wing）首次明确提出了计算思维（Computational Thinking,CT）的概念,为计算机教育的改革指明了方向.2010年7月,在首届“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”上,“985”首批9所高校就大学如何在新形势下提高计算机基础教学的质量、增强大学生计算思维能力的培养形成4点共识,提出要旗帜鲜明地把“计算思维能力的培养”作为计算机基础教学的核心任务.国内一些著名学者和专家率先开始研究计算思维的概念与内涵,思考计算思维对计算机科学研究以及计算机教育的启示,呼吁教育的转型：一些先行者大胆尝试在计算机基础课程中引入计算思维,践行新的教学理念和探索新的教学模式,陆续取得一些卓有成效的研究成果.

然而,思维毕竟是人类特有的一种精神活动,看不见摸不着.要想使学生接受计算思维行不是一件容易的事,问题的关键在于怎样做才能将计算思维的培养落到实处.例如,怎样构建一个包含计算思维典型特征的课程体系?怎样组织教学内容?通过何种教学模式能够更有效地培养学生的计算思维?笔者将就这些问题进行初步探讨并提出建议.

1.机遇与挑战

当今社会已步入数字化、信息化和网络化的新时代,信息技术的发展水平、运用水平和教育水平已成为衡量社会进步程度的重要标志,学习和掌握计算机的基础知识和技能是非计算机专业学生必须达到的基本要求,社会对各领域创新人才的需求对非计算机专业学生的计算能力提出了更高要求.如何针对社会需求重新定位大学计算机课程?怎样才能让学校和学生清晰准确地认识到该课程的重要性和价值?这是急需解决的一个关键问题.

在这种形势下,计算思维概念的提出正好为课程改革提供了一个难得的契机.按照周以真教授的定义,计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动；计算思维的本质是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）.陈国良院士指出,理论、实验和计算是推动人类文明进步和科技发展的三大支柱,计算思维是人类科学思维活动的三大组成部分（理论思维、实验思维、计算思维）之一,是数学思维与工程思维的互补与融合,计算思维无处不在.

然而,计算思维的养成和训练是一个长期、循序渐进、潜移默化的过程,不可能一蹴而就,与以往的教学有着不同的要求和目标,这些要求和目标对现有的教育观念和方式提出了新的挑战.对于如何在教学中实现计算思维的培养,还存在分歧和误区.有的教师认为计算思维不过是一些理论和概念,讲了也没有多大用处,还不如教给学生一些必需的计算机知识和技能；有的教师认为以往的教学中已经蕴含了计算思维的思想,没有必要专门讲解这个概念,而且思维是无形的,根本无法在课程或实践中传授,只能通过学生自己感悟；还有些教师则把计算思维的培养等同于理论知识的讲解,或者认为技能培养就是思维训练.

这些对计算思维的错误认识,导致计算思维的概念并没有与计算机基础课程的知识有机融合,知识的传授并没有转变为基于知识的思维传授,因此究竟怎样做才能避免只是简单地给课程贴上计算思维的标签,而是真正将计算思维的培养落到实处,让学生通过课程教学和实践体验到计算思维的魅力和价值,这是必须解决的另一个关键问题.

2.改革思路与措施

针对上述两个关键问题,我们以培养计算思维能力为主线,着重从以下几个方面对大学计算机课程进行改革.

2.1分析社会需求,明确课程定位

在很长一段时期内,大学计算机基础教学普遍注重计算机知识的传授和计算机应用技能的培养,学生学到的是有关计算机的一些概念及通用计算手段的应用,但是当今社会处于急需各种创新人才的高科技时代,学生仅仅具备这些能力是不够的.高速发展的经济社会要求非计算机专业学生未来应具备的计算能力是掌握支持各学科研究创新的新型计算手段并应用计算手段进行各学科的研究与创新,因此,大学计算机应定位于以计算思维为核心,以计算机知识为背景,使学生理解典型的计算思维,掌握基于计算技术/计算机的问题求解思路与方法,提高学生的计算机应用能力,培养学生应用计算思维和计算工具分析和处理专业领域实际问题的能力,为今后的创新活动奠定坚实基础. 2.2构建计算机知识与计算思维有机融合的课程体系

以计算思维能力培养为核心的计算机基础教学改革并不意味着一定要将现有的课程体系和教学内容“重来”,而是在原有课程体系的基础上,以计算思维为主线,重新组织教学内容,适当增加新的能体现计算思维的知识点,删除一些陈旧的知识或技术细节,大幅度调整课程内容的结构,最终构建一个计算机知识与计算思维相融合的课程体系.

1）分析研究计算思维的内涵和特征.

在明确课程定位后,我们应首先仔细分析计算思维的内涵,研究计算思维包含哪些基本组成部分,这些基本组成部分的特征和表现是什么,确定在大学计算机知识体系中涉及计算思维的哪些概念；然后将知识体系分解为知识单元和知识点,研究这些知识点如何与计算思维的典型特征有机融合.

对计算思维内涵的解读有很多.2010年,Peter J.Denning在ACM关于“什么是计算”的研讨会上指出：计算思维是一种解决问题的思维方法,这种方法将问题表示为关于某个计算模型（该模型必须被发明或发现）的信息处理过程,并寻求一种算法上的解决方案.2012年,李廉教授指出：“计算思维是人类科学思维中,以抽象化和自动化,或者说以形式化、程序化和机械化为特征的思维形式.计算思维的标志是有限性、确定性和机械性.计算思维的结论应该是构造性的、可操作的、能行的”.

战德臣教授提出的“计算之树”很好地描绘出融入计算思维后的大学计算机所面对的知识空间,即“核心”的计算思维,主要有“计算之树”的树根――计算技术与计算系统的奠基性思维：0和1、程序、递归；“计算之树”的树干――通用计算环境的进化思维：冯诺依曼机、个人计算机、并行与分布计算环境、云计算环境；“计算之树”的树枝――计算与（社会/自然）环境的融合思维；“计算之树”的双色枝杈――交替促进与共同进化的问题求解思维：算法与系统等.

2）选取典型的计算思维,构建新的课程体系.

从上述知识空间中选取非计算机专业学生需要掌握的典型计算思维,对现有的教学内容进行重新审视和定位,适当裁剪和增删；围绕问题的分析解决思路组织相关知识,设计课程教学内容,最终构建一个计算机知识与计算思维有机融合的课程体系.

北京航空航天大学于2012年开始参与教育部大学计算机课程改革项目“理工类高校计算思维与计算机课程研究及教材建设”,初步构建大学计算机课程体系,见表1.

由表1可见,课程分为7个教学单元,要求在每个教学单元的教学内容中,描述清楚计算机知识背后蕴含的计算思维是什么,指出哪些知识体现了计算学科的素养.例如,在计算原理教学单元中,计算思维主要涉及0和1的思维（基于电信号的硬件实现、逻辑真/假以及基于逻辑的理论与实现,任何信息都可以表示成0、1串,也就都能被计算,被计算机处理）、计算机语言发展进程蕴含的思维（语言与编译器）、计算机系统的思维（系统由基本动作以及基本动作的各种组合构成,可以按照“程序”控制“基本动作”的执行以实现复杂的功能）；在算法描述与程序设计教学单元中,既要培养学生的计算思维,如指令与程序、算法、递归的思维,又要培养学生的计算学科素养,即程序设计方法与典型算法的基本素养.

2.3设计能够体现计算思维显著特征的教学案例

教学案例是教学内容的重要载体,如果采用抽象枯燥的理论讲解方式,学生将难以理解计算思维的抽象概念,更谈不上通过学习培养计算思维能力,因此需要设计能够体现计算思维显著特征的教学案例.我们通过分析计算机解题的思路和方法,着重讲解如何运用知识将实际问题转化成机器语言的思考过程,如提炼问题、转换问题、构建模型、设计算法、用合适的程序语言描述、用计算机解决问题,以促进学生对计算思维抽象和自动化本质特征的理解,掌握计算思维面向典型计算环境的问题求解方法.

此外,我们还创设教学情境,提出基于计算思维的探究性问题,以激发学生的学习兴趣和探究问题的求知欲.在教学中启发学生运用计算思维的方法解决问题,可以有两个途径：根据已有工具对问题进行分析、抽象和建模,最终建立现有工具能处理的模型；利用所学的基本算法、建模方法创造算法或系统.例如,在计算原理教学单元中,教师可以设计“在计算机中信息是如何被存储的”教学案例.一方面,通过该案例阐述的“0和1的思维”,学生可以了解为什么在计算机中要使用二进制而不是十进制；体会一切信息皆可抽象为符号,而在计算机中一切信息都是由0、1串表示,0、1逻辑易于硬件实现、便于计算；进而掌握“语义符号化、符号0（和）1化、0（和）1计算化、计算自动化、分层构造化、构造集成化”这种最重要的计算思维.另一方面,通过该案例阐述的“计算机系统的思维”,学生从系统的角度了解计算机如何被构造以及信息如何被存储和处理；通过处理器→Cache→内存→虚拟内存→磁盘存储器的介绍,学生能够体会到“在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷”的计算思维方法.

2.4改革教学方法,促进学生计算思维能力的养成

恰当的教学方法才能展现计算思维的魅力和基本思想方法.过去以讲授知识点为主线的教学方法必须改变,应以讲授认识和应用计算机的思维过程为主线,使知识随着思维的展开而介绍,思维随着知识的贯通而形成,能力随着思维的理解而提高,这样循序渐进地促进学生计算思维能力的养成.

一方面,在课堂教学中采取基于计算思维的探究教学模式.探究教学就是将科学问题作为探究过程来讲授,让学生像科学家进行科学探究一样在探究过程中发现科学概念和规律,掌握科学方法,培养学生的探究能力和科学精神.在课堂教学中,教师提出基于计算思维的探究性问题,引导学生运用计算思维的一系列方法探索、发现问题的本质,通过简化、转换、递归、抽象、分解、建模等计算思维的基本方法,将一个复杂问题转换成许多简单的子问题并构建求解模型,进而充分利用计算机的运算能力实现问题求解.当学生掌握这种思维方法以后,教师再启发学生运用所学方法自主探究并解决更深层次的问题,从而达到知识巩固、迁移和内化为能力的目的.

另一方面,在实验教学中采取任务驱动的实验教学模式.教师只给出实验任务,要求学生自主完成一个系统或一个解决方案从设计到实现的全过程.学生主动思考,自主梳理知识,构建学习模式,规划解决方案,运用计算思维的方法自主设计和独立完成实验任务.基于计算思维的任务驱动实验教学模式将有利于培养学生自我建构知识、计算思维和创新的能力.

3.结语

大学计算机基础教学是大学通识教育的重要组成部分,更是培养大学生潜移默化地养成用计算思维方式解决专业问题、成为复合型创新人才的基础性教育.当然,还有许多问题值得我们思考和研究,例如,如何针对不同的专业进行学科融合,引入跨学科元素?怎样设计配套的实验环节才能令计算思维真正落地?通过何种方式对学生掌握计算思维的程度进行考核?如何有效地评价融入计算思维后的教学效果?

教学改革是一个长期的过程,我们期望通过广大计算机基础教育工作者的研究、探索和改革实践,真正实现普及计算机文化、训练学生计算思维养成、培养学生运用计算思维方法解决专业领域问题的能力、提高学生创新能力的目标,从而为国家培养大量创新人才.