杭月芹　管致錦　陳德裕

摘要：計算思維已成為現(xiàn)代多學(xué)科人才必須具備的一項基本素質(zhì)。為了在計算機導(dǎo)論課程的教學(xué)中大力培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，文章依據(jù)計算思維的內(nèi)涵和計算機導(dǎo)論課程的構(gòu)建目的，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念、教學(xué)方法及教學(xué)評價4個方面介紹課程改革情況，指出這種改革充分體現(xiàn)以人為本、傳授知識、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)、協(xié)調(diào)發(fā)展的現(xiàn)代教育理念。

關(guān)鍵詞：計算機導(dǎo)論；計算思維；課程改革；自由文理；團隊教學(xué)

0 引言

針對國內(nèi)外計算機教育發(fā)展的新動向，教育部高等學(xué)校計算機專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會聯(lián)合中國計算機學(xué)會教育專業(yè)委員會、全國高等學(xué)校計算機教育研究會，特別就計算思維能力的培養(yǎng)問題形成幾點認識。計算機專業(yè)教育應(yīng)該在計算思維能力培養(yǎng)中做出表率，將系統(tǒng)化計算思維能力的培養(yǎng)貫穿在計算機專業(yè)的教育中。計算機導(dǎo)論是計算機專業(yè)的一門先導(dǎo)必修課程，是作為計算機專業(yè)學(xué)生進入大學(xué)后的第一門專業(yè)課程，其主要作用可以歸納為“五導(dǎo)”：導(dǎo)知識、導(dǎo)方法、導(dǎo)思維、導(dǎo)意識和導(dǎo)職業(yè)。我們認為“導(dǎo)思維”是首要的，也是最為核心的，同時也是最難做到的，“導(dǎo)思維”在引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的過程中，可以很好地、潛移默化地達到其他4項引導(dǎo)作用。

如何建立計算思維能力的培養(yǎng)要求、實施途徑、評測規(guī)范與方法一直是當(dāng)前計算機教育者從事計算思維研究的一項重要課題。我們結(jié)合教學(xué)團隊多年的經(jīng)驗積累，依據(jù)計算思維的本質(zhì)和特征及計算機導(dǎo)論課程的構(gòu)建目的，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念、教學(xué)方法及教學(xué)評價等方面探討如何在計算思維驅(qū)動下對計算機導(dǎo)論課程進行一系列的改革和探索。

1 計算思維與計算機導(dǎo)論

計算思維（Computational Thinking），籠統(tǒng)地講，是指受過良好訓(xùn)練的計算機科學(xué)工作者面對問題所習(xí)慣采用的思維方法，體現(xiàn)為在過去半個多世紀以來成就計算機和信息技術(shù)輝煌發(fā)展過程中行之有效的若干分析問題與解決問題的典型手段與途徑。其具體內(nèi)涵在近年來發(fā)表的文獻資料中均有豐富論述。而有關(guān)計算機導(dǎo)論課程的構(gòu)建問題，在1989年ACM攻關(guān)組所提交的“計算作為一門學(xué)科”（Computing as a discipline）報告中認為，該課程要培養(yǎng)學(xué)生面向?qū)W科的思維能力，使學(xué)生領(lǐng)會學(xué)科的力量，以及從事本學(xué)科工作的價值所在。報告希望該課程能用類似于數(shù)學(xué)那樣嚴密的方式將學(xué)生引入到計算學(xué)科各個富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之中。

2008年6月在網(wǎng)上公布的ACM對CC2001（CS2001）進行的中期審查報告（CS2001 Imerim Review）（草案）中，開始將美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系教授周以真（Jeannette M.wing）倡導(dǎo)的“計算思維”與計算機導(dǎo)論課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計算思維的本質(zhì)。

綜上所述，計算機導(dǎo)論這門課程不是解決對計算機功能的工具性認識問題，而是要對學(xué)生進行專業(yè)引導(dǎo)和思維引導(dǎo)，應(yīng)該以面向計算學(xué)科的思維能力，也即計算思維能力的培養(yǎng)為核心。學(xué)生如果有了良好的計算思維品質(zhì)，不管環(huán)境、知識需求如何變化，都可以靈活應(yīng)變，從而為今后的專業(yè)學(xué)習(xí)以及走上工作崗位打好堅實的基礎(chǔ)。

2 計算思維驅(qū)動下的課程改革

2.1 統(tǒng)一教學(xué)目標，靈活教學(xué)內(nèi)容

美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授認為：計算思維是運用計算機科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維一大特征是數(shù)學(xué)和工程思維的互補與融合。計算機科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，其形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計算機科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維，基本計算設(shè)備的限制迫使計算機學(xué)家必須計算性地思考，不能只是數(shù)學(xué)性地思考。所以計算思維的研究存在多維性，它緊密地同數(shù)學(xué)、科學(xué)和工程結(jié)合在一起。另一方面，計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人和機器去執(zhí)行，在求解問題時必須從人的認知、心理、思維活動和學(xué)科發(fā)展角度去入手，故存在研究角度的多態(tài)性。

因此，計算思維多維、多態(tài)的復(fù)雜特征決定了計算機導(dǎo)論課程當(dāng)前培養(yǎng)方案的多樣性與差異性。當(dāng)今計算機的理論和技術(shù)發(fā)展太快，新的知識大約每兩年就會增長一倍，教材根本無法實現(xiàn)實時地對新知識、新技術(shù)進行跟進。因此，我們主張教材為輔，“導(dǎo)思維”為主的原則，在統(tǒng)一的數(shù)學(xué)目標指導(dǎo)下靈活課程的講授內(nèi)容，留給教師和學(xué)生最大的思考空間。沒有了教材的“束縛”，教師有了更多的掌控空間，學(xué)生也不會因教科書而將概念固定化，更不會出現(xiàn)臨考抱“教材”的現(xiàn)象。

我們確定計算機導(dǎo)論課程的教學(xué)目標是：在學(xué)生建立計算機專業(yè)學(xué)科知識體系框架的同時激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力、洞察問題及解決問題的能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程、參與創(chuàng)新課題等打下堅實的基礎(chǔ)。在教學(xué)內(nèi)容的劃分和安排上，由于課時有限，我們主張理論教學(xué)內(nèi)容在劃分上盡可能地簡單分明，前后知識可以很好地呼應(yīng)起來，這樣更有利于知識點的系統(tǒng)化，不會因為章節(jié)龐雜、知識點太多而導(dǎo)致學(xué)生難于消化。為此將課程的講授內(nèi)容簡單劃分成3大部分：

（1）介紹計算學(xué)科各領(lǐng)域的發(fā)展史及前沿，揭示各主要領(lǐng)域的基本規(guī)律及相互之間的內(nèi)在聯(lián)系；認識當(dāng)前社會和職業(yè)問題等。

（2）介紹計算機學(xué)科中的經(jīng)典科學(xué)問題，初步認識和理解抽象、理論和設(shè)計3種學(xué)科形態(tài)。

（3）講解計算機學(xué)科中的核心概念（如算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序、軟件、硬件、信息表示等），探討研究學(xué)科中的數(shù)學(xué)方法和系統(tǒng)科學(xué)方法，培養(yǎng)計算思維能力。

在講授過程中，我們借助精心制作的多媒體課件，結(jié)合授課內(nèi)容和計算思維的培養(yǎng)目標，隨時有針對性地調(diào)整和豐富自己的講授內(nèi)容。例如，講解計算機學(xué)科各領(lǐng)域的發(fā)展史時，通過引薦吳軍老師的《浪潮之巔》，讓學(xué)生對整個信息產(chǎn)業(yè)有個整體了解，明鑒信息技術(shù)之興衰和發(fā)展；而王偉老師的《計算機科學(xué)前沿技術(shù)》則系統(tǒng)展示了計算機學(xué)科各領(lǐng)域中令人激動的前沿技術(shù)，揭示未來計算機的發(fā)展方向，很好地體現(xiàn)了計算思維及其重要性。endprint

2.2 主張自由文理教育，突顯學(xué)生主體

作為國家建設(shè)未來的棟梁，需要的不是僅有技能的人才，重要的是有思想、精神、獨立思考能力和良好的身體。技能是容易學(xué)的，但一個人的素養(yǎng)和教養(yǎng)不是一蹴而就就能培養(yǎng)的。大學(xué)教育的目的應(yīng)該在于培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的能力，比如閱讀、寫作、計算思維，而不是一時的某項職業(yè)技能。如果學(xué)生進入大學(xué)僅是為了將來的飯碗，那必然會羈絆他的頭腦，抑制他的求知欲。所以大學(xué)的專業(yè)學(xué)習(xí)需從“學(xué)什么”（內(nèi)容）轉(zhuǎn)到“如何學(xué)”（過程），將“導(dǎo)思維”放置課程建設(shè)的首位。

我們主張自由文理（Liberal Arts）的教學(xué)理念，力爭引導(dǎo)一種自由的環(huán)境，激起學(xué)生主動學(xué)習(xí)的欲望，成為真正熱愛學(xué)習(xí)的人，即在沒有外界利益驅(qū)使下仍然在學(xué)習(xí)的人。對于自由的學(xué)生，他們的時間，他們的大腦和心靈在學(xué)習(xí)的時刻才真正受他們自己所支配，這樣的學(xué)習(xí)過程才可能專注且快樂。

在教學(xué)中，我們堅持以學(xué)生為本，打破傳統(tǒng)的教師講學(xué)生聽的單向模式，在課堂上采用提問式教學(xué)，注意引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動機；嚴格地遵循計算機學(xué)科的發(fā)展規(guī)律，定期給出具有一定挑戰(zhàn)性的課題，通過分組合作的方式，以師生間討論、辯論的形式，自律地學(xué)習(xí)獲取知識的方法及分析問題的原則；利用平時的小論文，引導(dǎo)學(xué)生收集資料，增強自我學(xué)習(xí)的能力，建立抽象立體的概念；通過對科學(xué)大師的解讀沉淀一種學(xué)者的尊嚴和對真理的敬重和向往，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任心。

2.3 遵從螺旋式組織方式，提升學(xué)生思維

若將教學(xué)比作爬山，通常的教學(xué)習(xí)慣是一口氣從山下直線攻頂，而布魯納在《教育過程》中所提出的螺旋式課程（Spiral curriculum）則是繞著山轉(zhuǎn)，在相同的角度看到的風(fēng)景雖然都一樣，但每次繞回來時的高度不同，能看到的廣度和深度都不一樣。等到達山頂時學(xué)生不僅對山有具體認知，也能掌握四周環(huán)境全面性的關(guān)聯(lián)知識。計算機導(dǎo)論課程幾乎涵蓋了計算機領(lǐng)域所有的理論、技術(shù)和研究課題，內(nèi)容太過廣泛，若前后不能很好地呼應(yīng)起來，學(xué)生往往會因孤立地學(xué)習(xí)太多的知識點而導(dǎo)致前面學(xué)的內(nèi)容到后面就忘記了，理解起來也相對困難。對于計算機科學(xué)這樣一個有機的、龐大的學(xué)科體系，教師應(yīng)該引發(fā)學(xué)生對計算機學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的理解，精熟其基本原則、原理，以此產(chǎn)生類化的能力，而不是零碎概念、知識點的描述。

我們在課程實施中，遵循螺旋式課程的組織方式。首先結(jié)合教學(xué)團隊多年的教學(xué)經(jīng)驗和團隊成員之間的合作討論對課程知識進行合理的結(jié)構(gòu)化；然后從學(xué)生認知發(fā)展角度出發(fā)，沿認知發(fā)展的動作表象、形象表象、符號表象3個階段來組織課程內(nèi)容。講授內(nèi)容如2.1節(jié)所述，知識點在組織安排上前后呼應(yīng)，螺旋式地擴展和加深，直至復(fù)雜、抽象的現(xiàn)代知識領(lǐng)域；最后在教學(xué)過程中我們采用合理的教學(xué)方式和緊密相連的學(xué)習(xí)節(jié)目來配合教學(xué)過程。比如教學(xué)中我們注重學(xué)習(xí)情境的安排，在講授算法時，注重引導(dǎo)學(xué)生感受其產(chǎn)生背景，摸索過程，走過什么道路，不同階段產(chǎn)生什么改變，將來的發(fā)展趨勢是什么，它還可以做什么改進等。引導(dǎo)學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)活動，提供學(xué)生更多自行探索的機會，最終實現(xiàn)將“知識個人化”。為使學(xué)生站在同一角度看到更大的廣度和深度，我們主張采用團隊教學(xué)制。計算機學(xué)科發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域廣，學(xué)科交叉和滲透十分突出，而計算機學(xué)科教師掌握和積累知識的廣度是有限的，往往限于個別研究方向，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的思維和視野，在不同的知識領(lǐng)域會組織邀請相應(yīng)有所“專”的教師來講授，這樣可以發(fā)揮團隊互補優(yōu)勢，實現(xiàn)對學(xué)生全方位的指導(dǎo)，收到良好的人本教育的效果。

2.4 采用分級評價手段，有效監(jiān)管教學(xué)過程

計算思維能力的培養(yǎng)是一個長期的過程，學(xué)習(xí)和思維不是彼此獨立的，是緊密而互補地聯(lián)系在一起的。所以為了內(nèi)化學(xué)生的計算思維能力，我們必須有效監(jiān)管整個教學(xué)過程，對每個個體在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)做出正確評價，這樣才可以實施因材施教，兼顧那些因各種原因而落后的學(xué)生。

我們采用螺旋式教學(xué)法，非常注重引導(dǎo)學(xué)生課前進行預(yù)習(xí)。在講授新內(nèi)容之前，我們要求學(xué)生課前收集相應(yīng)的材料加以了解，課堂上通過實施提問式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生積極討論，同時依據(jù)學(xué)生參與情況及時做出相應(yīng)的評價，對未準備的學(xué)生要給予相應(yīng)懲罰，并在下次課中加重對其進行考察。相應(yīng)地，在平時作業(yè)中我們不會布置常識性的題目，而是根據(jù)授課內(nèi)容布置一些能夠引發(fā)思考、對計算機學(xué)科整體認知有幫助的題目，這樣就避免了作業(yè)抄襲的現(xiàn)象，增加了學(xué)生主動思考的機會，教師也可及時捕獲學(xué)生思維能力的變化，調(diào)整和改進后續(xù)的講解內(nèi)容。

我們所采用的團隊教學(xué)制為實施團隊合作式學(xué)習(xí)提供了很好的平臺。在整個課程結(jié)束后，教學(xué)團隊中的每個成員會給出一些具有挑戰(zhàn)性和合作性的題目，學(xué)生根據(jù)自身對學(xué)科分支的理解和把握情況來挑選導(dǎo)師，在導(dǎo)師的牽頭引領(lǐng)下開展以小組為單位的研究型學(xué)習(xí)。學(xué)生最終需按照要求提交論文或報告，并在小組內(nèi)通過上臺演講的方式進行答辯，最終以個人和小組的共同表現(xiàn)綜合給出評定。

期末考試是課程教學(xué)的最后環(huán)節(jié)，也是整個評價的最后一部分。為了與課程“導(dǎo)思維”的目的一致，我們與平時授課和作業(yè)結(jié)合起來，在大量減少客觀性的、死記硬背式題目后，增加大量探討性的、主觀性題目，給予學(xué)生足夠的思考空間。這樣一方面在某種程度上減少考場作弊的機會，另一方面也能夠更好地檢驗學(xué)生對計算機學(xué)科整體認識的程度。

3 結(jié)語

計算機科學(xué)與技術(shù)不僅為不同專業(yè)人員提供了解決相關(guān)問題的有效方法和手段，而且提供了一種獨特的處理問題的思維方式。因此在計算機導(dǎo)論課程中，我們堅持將“導(dǎo)思維”放在第一位，在授課過程中以學(xué)生為主體，選擇合適的教學(xué)方法，充分調(diào)用學(xué)生的積極性和主動性，通過多級評價體系強化教學(xué)效果，為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)奠定理論和方法論的基礎(chǔ)。當(dāng)然有關(guān)計算思維能力的培養(yǎng)是個漫長的過程，是一個終生學(xué)習(xí)的過程，對于每一位教育工作者都應(yīng)在教學(xué)中堅持“授之以漁”，而不是簡單化為“授人以魚”。

（見習(xí)編輯：劉麗麗；編輯：郭田珍）endprint