計(jì)算思維引導(dǎo)下計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐

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摘要:高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革要以推進(jìn)計(jì)算思維為切入點(diǎn)，培養(yǎng)善于思維并不斷創(chuàng)新思維的復(fù)合型人才。通過(guò)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的具體實(shí)踐，提出將計(jì)算思維引入高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的“一三四三”模式，具體闡釋了一個(gè)課程體系、三個(gè)方面課程內(nèi)容、四種教學(xué)方法和三個(gè)效果評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，并探討該模式的教學(xué)實(shí)踐策略。

關(guān)鍵詞:計(jì)算思維;計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué);“一三四三”模式

計(jì)算思維作為一種思想能夠被人們用于管理日常生活，解決各領(lǐng)域問(wèn)題，并與他人交流和互動(dòng)，具備計(jì)算思維的人能夠通過(guò)比較、分類(lèi)、類(lèi)比等方法，將計(jì)算機(jī)科學(xué)中的設(shè)計(jì)思想和方法遷移到其他事物之中，以提高問(wèn)題的解決效率和準(zhǔn)確程度，同時(shí)，能夠善于對(duì)復(fù)雜事物進(jìn)行分析，通過(guò)規(guī)范的方式將復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為若干簡(jiǎn)單事物加以解決，并及時(shí)調(diào)整方式方法以適應(yīng)事物的發(fā)展變化規(guī)律。在教學(xué)領(lǐng)域，計(jì)算思維也能夠作為一個(gè)解決問(wèn)題的有效工具，對(duì)所有學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐都具有指導(dǎo)意義。

一、計(jì)算思維引入高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐的必要性

(一)“大數(shù)據(jù)”發(fā)展的時(shí)代要求

“大數(shù)據(jù)”不是單指技術(shù)形態(tài)，而是針對(duì)日益增長(zhǎng)的信息量和數(shù)據(jù)種類(lèi)而衍生出來(lái)的一種現(xiàn)象。高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)也同樣面臨“大數(shù)據(jù)”的時(shí)代沖擊，無(wú)論是教學(xué)內(nèi)容，還是教學(xué)方式方法，都被充分地?cái)?shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。對(duì)于高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的任何實(shí)踐活動(dòng)，都伴隨相應(yīng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，對(duì)數(shù)據(jù)的分析研究實(shí)質(zhì)上就是計(jì)算，這就是計(jì)算思維的用武之地。

(二)高校教師創(chuàng)新教學(xué)方法與模式的主觀訴求

計(jì)算思維為高校從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的教師提供了理解自然、社會(huì)以及計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的一個(gè)新視角，同時(shí)也為高校教師在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，創(chuàng)新教學(xué)方法與模式提供了一種新途徑，強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)造知識(shí)而非簡(jiǎn)單使用信息，提高了高校教師在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐中的創(chuàng)造和創(chuàng)新能力［1］。同時(shí)，能夠使學(xué)生在教師的指導(dǎo)下領(lǐng)悟計(jì)算思維的思維方式，并自覺(jué)運(yùn)用到自己的學(xué)習(xí)和工作中，為科技的發(fā)展創(chuàng)新提供準(zhǔn)備。

(三)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的客觀要求

基于計(jì)算思維對(duì)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革，在課程體系建設(shè)中注重培養(yǎng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維，使其掌握基于計(jì)算思維的問(wèn)題求解方法，為未來(lái)利用計(jì)算手段進(jìn)行學(xué)科創(chuàng)新研究奠定基礎(chǔ)?；谟?jì)算思維進(jìn)行教學(xué)課程改革，重點(diǎn)要進(jìn)行的是用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言表述形式來(lái)進(jìn)行現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的轉(zhuǎn)化，而不是單一地尋求解決問(wèn)題的技巧［2］。

二、計(jì)算思維引入高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的“一三四三”模式

(一)計(jì)算思維引入高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的課程體系設(shè)計(jì)

課程體系設(shè)計(jì)是高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的基礎(chǔ)，也是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的焦點(diǎn)。設(shè)計(jì)一個(gè)融入計(jì)算思維理念的高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程體系，需要考慮將計(jì)算思維各特征點(diǎn)多視角、寬領(lǐng)域、立體化地融入到課程體系設(shè)計(jì)中。引入計(jì)算思維將會(huì)對(duì)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)現(xiàn)有的課程體系進(jìn)行重新審視和定位，并進(jìn)行新的剪裁和增刪。在課程體系的構(gòu)建上，基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程體系設(shè)計(jì)從實(shí)例出發(fā)，緊緊圍繞各學(xué)科學(xué)生在計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)理論方面的系列課程進(jìn)行相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、部署、實(shí)施、開(kāi)發(fā)和高級(jí)管理［3］。一方面，要帶領(lǐng)學(xué)生熟悉和掌握分析問(wèn)題的能力，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握并自覺(jué)運(yùn)用抽象、約簡(jiǎn)、轉(zhuǎn)化等方法，將現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)世界的描述方式;另一方面，要借助計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)世界與現(xiàn)實(shí)世界的自動(dòng)化聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)思維進(jìn)行分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。課程體系的設(shè)計(jì)過(guò)程具體包括四個(gè)方面:一是現(xiàn)實(shí)情景描述，即根據(jù)各學(xué)科專業(yè)的實(shí)際應(yīng)用背景，對(duì)需要解決的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述，激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并描述問(wèn)題的潛能［4］。二是概括問(wèn)題，也就是將實(shí)際問(wèn)題經(jīng)過(guò)分析和抽象，提煉出要素并轉(zhuǎn)化成信息世界的描述方式，培養(yǎng)學(xué)生抽象、約簡(jiǎn)和歸納的計(jì)算思維能力。三是處理過(guò)程，即運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)上一階段中抽象到的問(wèn)題進(jìn)行求解，細(xì)化處理步驟，確定問(wèn)題的處理模式。四是確定課程體系的過(guò)程，對(duì)上述每個(gè)階段中細(xì)化得到的處理過(guò)程運(yùn)用計(jì)算思維的方法結(jié)構(gòu)表示出來(lái)，設(shè)計(jì)一個(gè)包括主干課程和分級(jí)課程的樹(shù)形課程體系結(jié)構(gòu)。

(二)計(jì)算思維引入高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的課程內(nèi)容確定

課程內(nèi)容是高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心。基于計(jì)算思維確定高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的課程內(nèi)容，以計(jì)算思維的引導(dǎo)、培養(yǎng)和鍛煉為目標(biāo)，從適應(yīng)各專業(yè)的實(shí)際需要出發(fā)，總體上確定三個(gè)方面內(nèi)容:計(jì)算思維意識(shí)培養(yǎng)課程、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論課程、計(jì)算機(jī)實(shí)踐課程。

1．計(jì)算思維意識(shí)培養(yǎng)課程主要是針對(duì)思維方式和主觀意識(shí)的培養(yǎng)訓(xùn)練，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算速度高、存儲(chǔ)量大和智能化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決現(xiàn)實(shí)中難以解決的問(wèn)題。利用計(jì)算機(jī)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，需要進(jìn)行思維轉(zhuǎn)換，將自然語(yǔ)言與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言在思維與認(rèn)知方面進(jìn)行等量轉(zhuǎn)換，在現(xiàn)實(shí)中自覺(jué)運(yùn)用這種轉(zhuǎn)換思維的能力就是計(jì)算思維意識(shí)課程培養(yǎng)的目標(biāo)［5］。培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)編程的思維和理論來(lái)描述并界定人類(lèi)的自然語(yǔ)言，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)為人類(lèi)解決問(wèn)題就是計(jì)算思維意識(shí)培養(yǎng)課程的課程內(nèi)容。

2．計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論課程以講解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)為主，課程內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)軟硬件的基本概念、組成與工作原理、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)及安全等方面的基礎(chǔ)性內(nèi)容。對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論課程教育，應(yīng)是面向各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，而不只是面向計(jì)算機(jī)學(xué)科。在計(jì)算思維引入高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)，培養(yǎng)應(yīng)用型人才的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握是基礎(chǔ)。

3．計(jì)算機(jī)實(shí)踐課程是指在教師的指導(dǎo)下，以提高學(xué)生計(jì)算機(jī)操作能力和實(shí)際動(dòng)手能力為目標(biāo)，由學(xué)生自主進(jìn)行的綜合性學(xué)習(xí)活動(dòng)，培養(yǎng)并體現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)綜合應(yīng)用的能力。在實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容中，融合多種計(jì)算機(jī)科學(xué)思維方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維的方式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和步驟。設(shè)計(jì)基于關(guān)注點(diǎn)分離的層次化實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系，有助于培養(yǎng)不同層次、不同專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

(三)計(jì)算思維引入高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的教學(xué)方法

1．雙向互動(dòng)法。在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)，從計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)技能的講解轉(zhuǎn)向計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。教師的角色發(fā)生轉(zhuǎn)變，成為學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)的促進(jìn)者和引導(dǎo)者。教師可靈活采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、自主學(xué)習(xí)、案例教學(xué)、構(gòu)建主義教學(xué)等教學(xué)方法，引導(dǎo)并激發(fā)學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行多樣性及重構(gòu)性的思維活動(dòng)，在問(wèn)題的抽象、求解思路及方法的探討中導(dǎo)出計(jì)算機(jī)在不同學(xué)科的應(yīng)用思想及方法，以增強(qiáng)學(xué)生的計(jì)算思維意識(shí)和計(jì)算思維能力。

2．實(shí)驗(yàn)教學(xué)法。融合多種計(jì)算機(jī)科學(xué)思維方法構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟具有開(kāi)放性，教師負(fù)責(zé)給出參考步驟和引導(dǎo)方法，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力和計(jì)算思維的培養(yǎng)。

3．反饋遞進(jìn)法。教師指導(dǎo)學(xué)生采用遞歸的思想，把復(fù)雜的問(wèn)題變?yōu)榕c原問(wèn)題相似的簡(jiǎn)單問(wèn)題，減少重復(fù)計(jì)算，學(xué)生利用并行處理和逆向思維，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述，反饋給教師，師生雙向溝通，進(jìn)一步設(shè)計(jì)并確定求解問(wèn)題的方案。

4．二維教學(xué)法。既注重計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)廣度，又注重其深度。廣度教學(xué)是指從自然、社會(huì)中的廣義計(jì)算拓展到計(jì)算機(jī)科學(xué)中的計(jì)算，將日常生活中的概念映射到計(jì)算機(jī)科學(xué)中的概念和理論，使學(xué)生易于理解、掌握并進(jìn)行概念抽象。深度教學(xué)是指基于學(xué)生深度理解與思維相關(guān)的理論與概念，進(jìn)一步探討思維本質(zhì)和應(yīng)用，進(jìn)而強(qiáng)化思維的作用和價(jià)值。將廣度教學(xué)與深度教學(xué)有效結(jié)合，從廣度教學(xué)延展到深度教學(xué)，形成二維教學(xué)法。

(四)計(jì)算思維引入高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的效果評(píng)價(jià)

計(jì)算思維引入高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的效果評(píng)價(jià)包括三個(gè)環(huán)節(jié)，即評(píng)價(jià)、反饋和優(yōu)化。

1．評(píng)價(jià)是對(duì)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)程度的量化考核，科學(xué)的評(píng)價(jià)體系能夠較好地反映教學(xué)效果。在以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力為核心目標(biāo)的高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)評(píng)價(jià)體系中，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生探索發(fā)現(xiàn)并構(gòu)建知識(shí)的自主學(xué)習(xí)能力和問(wèn)題求解及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中計(jì)算思維能力程度的考核，加大實(shí)踐成績(jī)權(quán)重，重點(diǎn)檢測(cè)學(xué)生在分析解決問(wèn)題上的思維能力。

2．反饋是通過(guò)教學(xué)評(píng)價(jià)，使教師和學(xué)生了解教學(xué)過(guò)程的結(jié)果，及時(shí)提供反饋信息。反饋信息在計(jì)算思維引導(dǎo)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中具有重要的調(diào)節(jié)作用。只有通過(guò)反饋信息調(diào)節(jié)教學(xué)行為，及時(shí)調(diào)控課程計(jì)劃，才能達(dá)到計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)目標(biāo)。

3．優(yōu)化是在評(píng)價(jià)與反饋的基礎(chǔ)上，通過(guò)改革創(chuàng)新教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)行為而達(dá)到教學(xué)的最佳狀態(tài)。遵循教學(xué)規(guī)律，合理確定優(yōu)化教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展計(jì)算思維引入計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)踐的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和教學(xué)改革，尋求合理的教學(xué)結(jié)構(gòu)，爭(zhēng)取最好的教學(xué)效果。

三、“一三四三”模式的實(shí)施策略

(一)注重提升教師認(rèn)識(shí)與素質(zhì)

計(jì)算思維對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)出身的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教師來(lái)說(shuō)并不陌生，在工作、教學(xué)和生活中都在潛移默化地應(yīng)用，只不過(guò)沒(méi)有上升到理論的高度或者作為一個(gè)系統(tǒng)的理念提出來(lái)，并傳授給學(xué)生［6］。課程體系的建設(shè)、內(nèi)容的講解、案例的設(shè)計(jì)的實(shí)施最終都將由教師來(lái)完成，教師在本輪改革中將起到主導(dǎo)作用。通過(guò)培訓(xùn)、自身學(xué)習(xí)、同行之間的討論交流，在認(rèn)識(shí)、方法上全面提升教師自身的素質(zhì)和認(rèn)識(shí)，達(dá)成共識(shí)，形成合力，通過(guò)集思廣益和研討制定適合本校學(xué)生特點(diǎn)的教學(xué)體系。

(二)及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容

要實(shí)現(xiàn)在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)既使學(xué)生的應(yīng)用的能力得到有效提升，又要在學(xué)生的能力結(jié)構(gòu)中融入計(jì)算思維的要素，幫助學(xué)生更有效地建立計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解意識(shí)，就需要在教學(xué)內(nèi)容上更新。在教學(xué)內(nèi)容上，提升學(xué)生的操作能力、提升信息素養(yǎng)，進(jìn)而形成問(wèn)題求解能力。通過(guò)上機(jī)的實(shí)踐教學(xué)，在講練結(jié)合的情況下，提升學(xué)生的操作能力。在內(nèi)容的選擇上，從學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，既要有通識(shí)知識(shí)，又要符合專業(yè)技術(shù)人才專業(yè)技能的培養(yǎng)要求。另外，對(duì)于不同層次、不同專業(yè)類(lèi)別的學(xué)生在內(nèi)容的設(shè)置和案例的設(shè)計(jì)方面要有針對(duì)性，確保學(xué)生是在原有基礎(chǔ)上的一個(gè)遞進(jìn)式的知識(shí)的提高和思維習(xí)慣的不斷養(yǎng)成。

(三)有效融合教學(xué)過(guò)程思維培養(yǎng)與應(yīng)用能力培養(yǎng)

很多高校過(guò)去注重的是能力的培養(yǎng)，在教學(xué)過(guò)程中以此為目標(biāo)，但新的教學(xué)改革是在這個(gè)目標(biāo)上更進(jìn)一步的提升，最終實(shí)現(xiàn)思維培養(yǎng)與應(yīng)用能力培養(yǎng)要融合?！坝?jì)算思維”應(yīng)體現(xiàn)出既能感知又能實(shí)現(xiàn)的、具有可操作性的思維方式，科學(xué)融合當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)類(lèi)的課程內(nèi)容，在教學(xué)實(shí)踐中滲透“計(jì)算思維”的本質(zhì)特征，并在課程內(nèi)容編排和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面體現(xiàn)具有“計(jì)算思維”特征的創(chuàng)新性。課程內(nèi)容體系貫穿理解計(jì)算機(jī)的知識(shí)、應(yīng)用、方法等三個(gè)層面。在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生越來(lái)越依賴網(wǎng)絡(luò)查找資料、購(gòu)買(mǎi)東西等，但是學(xué)生只是會(huì)簡(jiǎn)單地通過(guò)搜索引擎輸入關(guān)鍵詞，而一些高級(jí)的搜索技巧幾乎都不會(huì)。在學(xué)生的信息查詢的教學(xué)中，要將知識(shí)(計(jì)算機(jī)信息檢索的技術(shù))、應(yīng)用(信息檢索的技巧和高級(jí)檢索方式)、方法(培養(yǎng)計(jì)算思維)進(jìn)行融合，不僅是具體應(yīng)用，還要舉一反三，歸納分析，總結(jié)規(guī)律，上升為思維。

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作者：鄭麗坤 關(guān)紹云 郭丹 單位：哈爾濱商業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院