基于计算思维的信息化思维课程教学研究

赵卫东 蒋丹妮

摘要：以计算思维为核心的信息化思维已经成为推动社会进步的重要因素之一，是大学生信息化思维培养的重要组成部分。文章以计算思维为基础，结合学科特点的教学改革理念构建分层次的课程内容体系和项目式教学模式，借助于MOOC平台，根据学生的基础知识和学科特点，将课堂上计算思维基础知识的传授过程转移到线上完成，为学生提供个性化的自主式学习过程

关键词：计算思维；信息化思维；MOOC；课程改革

0、引言

随着信息化技术的高速发展，人们以形形色色的方式生活在网络社会中，学习和思维方式也悄然改变。计算机科学在生活各个领域的广泛应用使得人们迫切希望借助计算机更好地完成工作，尤其是在大数据时代，科学研究工作更需要各类信息技术作为支撑，以带来新的思路和方法。电子商务、密码学、生物计算机等交叉学科交叉专业的不断涌现进一步表明计算机科学在各个专业发展中举足轻重的地位。提高信息素养和信息技术使用水平是适应信息化社会发展的必然要求，然而在当前各学科的计算机专业教育及计算机基础教育的教学中还存在很多问题。例如，计算机教学多采取“理论+操作”的教学方式，偏重对知识和技能的灌输，对信息化思维的培养重视不足。另外，很多高校没有采用分类、分层次的系统化教学体系，难以针对不同专业和不同层次的学生制订相应的培养计划和目标，影响学生实践能力和创新能力的培养。

为了更好地迎接信息化时代的到来，让我国专业人才的储备与国际接轨，计算机基础教育和计算机专业教育不能仅仅从技术和知识水平的角度进行改革，必须从更高层次的思维维度深化和提高。传统以技能为核心的计算机教学缺乏对学生计算意识和计算思维的培养，尤其是对非计算机专业的学生。许多人错误地将计算机科学理解成计算机编程，在学习和实践的过程中只见树木不见森林。现代计算机教育需要以计算思维的培养为核心，围绕着提升学生的计算思维开展教学工作，将思维培养囊括进“知识+能力”的培养框架，全面提高学生的信息化素养。此外，如何针对各专业学生的特点，培养学生的信息化思维和创新精神，是各高校当前面临的重要问题。信息化思维教学是适应数字化、信息化和计算机发展，培养高层次的优质复合型和通用型人才的必然诉求，而计算思维是整个信息化思维的核心，可为学生提供新视角和新方法，对其学习和就业都具有重要的指导意义。

目前，国内一些高校已经开设了计算思维课程，出版了多本相关教材。从这些课程和数材的内容看，大多还局限在计算思维的基本概念、办公自动化软件的使用、计算机软硬件知识、算法和编程初步以及计算文化等。然而，对于计算思维能力的培养，尤其是如何将计算思维应用到实际项目的讨论甚少，学生难以从庞杂的现象中抽象概括并分析问题的本质，为此，斯坦福大学、麻省理工学院等国外名校纷纷开设MOOC课程，强化设计思维（design thinking）以及从实际问题中抽象出数学模型并给出优化问题解的能力培养方案。这不仅强调学生对实际问题进行创新思考能力的培养，还对团队协作智能的培养有所帮助，同时也是当今社会对各专业人才的基本要求。在吸收国内外相关课程建设经验的基础上，复旦大学软件学院从2009年开始面向全校开设本科教育通识核心课程“信息化思维”，内容涉及计算思维、互联网思维和设计思维，以培养学生信息化时代的思维方法为核心。几种思维及能力培养的关系如图1所示。

1、以计算思维为基础的信息化思维课程建没

1）计算思维。

曾任美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任的周以真教授于2006年3月提出计算思维的概念：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等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动；在2010年又重新给出计算思维的定义：计算思维是与形式化问题及其解决方案相关的一个思维过程，其解决问题的表示形式应该能有效地被信息处理代理执行。计算思维反映了计算机学科的核心方法和本质，从计算思维的角度讲授计算机科学或许是更为普适的一般学科思想与方法，这一理念在国内外教育界得到广泛支持。ACM前主席Denning教授曾指出：“计算思维并不是计算机科学唯一和独有的特征，如果人们不谨慎地认识和看待它，那么它将会把人们引向思维的陷阱”。同时，他认为计算过程是信息处理的过程，在自然界中无处不在。由于计算思维所代表的是一种普遍的状态和通用技能，而不仅仅是计算机科学家所具有的，因此每一个人都应该学习和运用计算思维，使之成为一种常识。这与本科牛通识教育课程培养学生独立思考和对不同的学科有所认识，最终将不同知识融会贯通的目的相一致。

利用计算思维能够引导学生在不确定的情况下规划、学习和调度，从而完成庞杂的学习任务或者设计复杂的系统，并利用启发式推理获得问题的最佳解决方案。需要注意的是，区别于向学生灌输死板的技能或是机械地重复，课程建设过程中我们强调在抽象的多个层次上进行思维活动。为了让学生能够将计算思维视为一种思维习惯而不是空洞的理论，我们必须在教学过程中贯穿计算思维的培养。计算机基础课程讲授的不仅仅是编程语言和软件开发的技能技术，实际上更是基于抽象级环境的问题求解过程，其本身固有的特性对计算思维的培养具有重要意义。为了使计算思维对信息化思维课程教学起到更好的促进作用，教师需要在教学过程中以计算思维为核心对教学的方法、内容和过程进行重新组织和调整，从而使学生在掌握计算机基础理论的同时得到足够多的汁算思维训练，更加突出计算思维在综合教学培养中的运用。

2）信息化思维课程建设。

信息化思维，英文翻译为thinking in inform-ation society，意思是信息化时代如何更好地优化思维方法，提高学生未来工作后业务决策和科研的能力。信息化思维利用现代信息技术如云计算、大数据分析等，对企业商务模式进行创新性思考，以求差异化带来竞争的优势。这种思维以计算思维为基础，强调运用计算机科学基础概念解决实际问题的能力。同时，如图1所示，信息化思维还包含设计思维和互联网思维，设计思维以“在行动中进行创意思考”的方式理解问题产生的原因并催生洞察力及解决方法，强调群体合作和创新能；互联网思维则是对全生态重新审视的一种思考方式。计算思维、设计思维与互联网思维相互促进，共同构建信息化思维的核心内容。信息化思维在行业中的应用多种多样，如在互联网商务模式创新中常用的一些方法、使用计算思维对现实问题进行深层次分析以便得到优化的解决方案等。

在信息化思维的教学中，教师除了应教会学生计算机基础知识和技能外，还要培养学生利用计算思维解决学科问题的能力。计算机基础教学改革需要注意将形象思维、逻辑思维与计算思维相结合，让学生掌握利用计算思维和计算工具解决领域问题的思路，培养学生的信息素养与能力。对于以计算思维为基础的信息化思维课程建设，课堂讨论的方法可以拓展到研究领域，包括每个专业的科研研究。毕竟科研也是一项创新性的活动，无论是新问题的提出，还是问题的新求解方法，都需要创新意识和计算思维的指导。这就要求我们能够在信息时代充分掌握信息，对问题进行抽象并在此基础上利用抽象的思维方法，得出创新的成果，因此信息化思维对于各科学生的发展都是不可少的。

结合上述几点，我们确立“以计算思维为基础、结合学科特点”的教学改革理念，改革的目标是全面培养学生的计算思维和创新意识，提高学生利用计算思维解决学科实际问题的能力，提倡学生把计算思维应用到各个学科解决实际问题。教学改革的目的在于更高效地利用有限的学时，以信息化社会几种典型的创新性思维方式讨论为主线，结合实际案例并进行适量实验，讨论企业信息化过程中这些思维方式的魅力，揭示创新的机理，致力于使计算思维成为一种常识。

2、信息化思维课程教学模式探究

为了使“以计算思维为基础、结合学科特点”的教学改革理念充分融入课堂并顺利实施，笔者以信息化思维的培养为中心，结合学生的个性特点，从课程的内容体系、教学方式、教学平台等方面探究信息化思维课程的教学模式，从而使信息化思维课程与其他计算机基础课程紧密协调，创建符合本科教育通识类核心课程特色的计算思维教学体系。

1）分层次的课程内容体系构建

在当前的计算机基础课程体系基础上，教师可围绕着信息化思维的培养创建分层次的课程体系，确立各知识层次的教学内容和培养目标。该课程体系包括3个层次：基础层、专业层和学科层，如图2所示。

在基础层开设所有专业学生都需要学习的计算机基础课程，包括操作系统、Word、Exccl、PPT、多媒体基础等，培养学生基本的计算机知识和软件操作技能，同时在本阶段开设计算思维导论，介绍计算思维的起源、概念和基本方法，引导学生形成初步的信息化思考意识。专业层以选修课的形式开设计算机网络、数据库、图像处理、网页设计等高级计算机应用课程，供学生根据自身学科需要和兴趣选择。目的在于培养学生运用软件解决问题的动手能力并进一步提高计算机科学素养，同时启发学生在解决实际问题的过程中理解和运用计算机科学的基础概念。学科层着重培养学生的思维能力，即利用计算思维解决学科实际问题的能力，如市场营销专业的学生可以利用或设计数据分析算法，对客户的数据进行分析，实现精准的数字营销。学科层的课程设置可以因材施教，满足不同专业、不同基础学生的需要。

信息化思维课程的教学主要集中在学科层，通过与各个学科的教学相结合，培养学生利用信息化思维方法解决具体学科问题的能力，最终实现从知识、能力的提升到计算思维的培养。学科层通过开设与学科联系紧密的信息化思维和计算机课程，帮助学生理解并掌握计算思维在自身学科中的应用，促进计算机科学在各个学科中的渗透。整个课程体系凸显以计算思维培养为核心和多层次、全方位的培养理念，有望显著提高学生的信息化素养和能力。

2）项目式教学。

我们在分层次的课程内容体系下，对信息化思维课程的教学方式进行探究。计算思维的本质是对问题的抽象即抽象思维，如何引导学生对实际问题进行抽象，利用计算思维进行专业问题求解是教学的难点。对学生而言，掌握计算机知识很容易，但将这些知识贯通形成思维并最终化为能力则需要不断训练，为此课程改革拟采取项目式教学的方式，以任务为驱动，帮助学生在完成项目的过程中锻炼信息化思维能力。

以计算思维为核心的信息化思维培养的关键就是把计算思维看作求解问题的过程性思维，包括发现问题、确定问题和求解问题，并能够清楚地描述求解问题的操作规则和问题约束。项目式教学模式则通过引入任务或教学情景展开教学，以电子商务物流配送的路径规划为例，根据具体网商的客户分布、以往交易情况以及交通地理数据设计合理的配送网络，这实际上是很多智能物流项目要解决的问题。通过教师分配项目和学生分析项目、完成项目、总结项目的模式，学生可以提高利用信息化思维分析问题并利用计算机解决问题的能力。整个教学过程中，教师主要扮演任务引导和思路总结的角色，而学生则成为整个课堂的中心，充分锻炼思维能力。

项目式教学的另一大优势是让学生在实践中领悟计算思维的本质。文献中认为身份、知识、行动、能力都是实践参与的产物，实践参与是丰富学习体验的重要手段，而高度依赖教师、机械记忆和过少的自主投入会导致认知理解的匮乏和无意义学习。尤其是对于以计算思维为核心的信息化思维课程教学，项目式教学不仅仅是简单地传授知识和技术，还可以有效规避认知理解匮乏和无意义学习的风险，让计算思维在真正意义上从抽象的理论变成可操作的工具。

3） MOOC和传统教学充分结合。

计算机教学内容涉及范围广且知识点多，学生需要具备一定的计算机基础知识才能更好地理解和掌握计算思维，而且学生的基础差异较大，可能会给课堂教学内容的组织带来一定困难。针对这些问题，课程改革拟采用新型的在线教学模式——大型开放式网络课程（MOOC），将网络教学和传统的课堂教学有机结合。

借助于MOOC平台，教师可以根据学生掌握的基础知识和学科特点，将课前计算思维基础知识的准备、课堂任务提交、作业答疑和讨论转移到线上完成，为学生提供个性化的自主式学习过程。学生在课堂学习之余能够按照自己的步调，利用MOOC强有力的支持工具开展学习，从而完成持续的、迭代的学习和经验积累。基于网络空间的MOOC平台保存了大量的学习日志和行为记录，这将有利于学生反思学习过程和理清思路，将个体注意力从学习结果转移到认知过程。

在以计算思维为核心的信息化思维课程建设中，课堂教学主要针对重点和难点问题进行讨论，探讨如何把计算思维的方法应用到本专业。教师需要充分发挥课堂教学的优势，向学生讲授计算思维的基本方法和案例分析，可在MOOC平台上开设讨论区，利用社交网络调动学生学习计算机知识的热情，鼓励学生在线上围绕项目随时随地进行积极的思想交流、协作和互相学习。学生通过MOOC平台提交作业和项目报告并拥有自己的个人学习档案，以便于制订个性化学习方案。教师借此平台能够及时发现课堂教学过程中存在的问题并给予学生反馈意见；同时可以充分利用线上资源，对课堂教学内容进行补充和拓展，满足不同学生对课程知识的个性化需求。

4）课程基本内容设计。

信息化思维课程主要介绍信息化社会几种典型的创新思维方法，主要包括Apple、SAP等公司使用的设计思维方法、互联网思维、计算思维等方法，并结合实际案例分析这些方法在典型企业创新和各学科中的应用。互联网思维的某些方面会借助计算思维的方法如大数据思维、迭代思维、极致思维、简约思维等，在一定程度上体现了计算思维的精髓。设计思维以用户为中心，利用群体的智慧，以解决方案为基础不断迭代设计以满足用户高体验的需求。这种思维方法也在一定程度上支撑着互联网思维的发展，如针对高校学生网络购物接收快递存在的问题，利用头脑风暴，由学生小组共同给出智能型的存物柜管理信息系统，解决物流配送难题。

通过分析信息化时代下政府、企业、个人3类不同角色所面临的现状，教师可从各个角度启发学生应用计算思维解决实际问题，将这些思维方法渗透到汁算机学科的常用技术与解决方案中，并结合数据分析的思路提升学生对实际项目的创新性思维与实践能力；采用体验式课程实验取代传统的期中考试，进一步让学生体会计算思维、互联网思维和设计思维的实际运用。在具体的教学过程中，教师还可通过设定解决方案确认能够使目标达成的足够多的因素，优化通往目标的路径，体现设计思维的构思方法和过程；在移动互联网、云计算、大数据等科技不断进步的基础上，启发学生重新审视互联网生态圈，培养学生的互联网思维；从计算思维出发，促进学生进行有意义的深度学习。此外，教师还可通过师生研讨和体验式实验，促使学生对解决问题的方法进行深入思考；同时教师在MOOC平台上补充最新的应用案例、开源学习资料等，拓展和丰富有限课堂学时外的内容，为学生信息化思维的培养创造良好环境。

3、结语

以计算思维为基础的信息化思维已经成为推动社会进步的重要因素之一，是大学生创造性思维培养的重要组成部分。信息化思维课程建设对于培养学生的群体合作能力、创新能力和问题求解能力有着至关重要的作用。将计算思维贯穿到信息化思维课程建设中，引导学生培养高阶思维和认知能力是一项复杂的系统工程，我们需要长期规划和统筹兼顾。首先，对于分层次的课程内容体系由易到难各个击破，打造进阶式学习体验，巧妙地体现在不确定情况下规划、学习和调度的计算思维培养；其次，项目式教学模式则以任务为驱动，让学生在完成项目的过程中培养信息化思维，同时，结合MOOC平台为学生打造自主的网络学习空间，以有效地提高学生学习积极性并拓展学习的广度与深度；最后，由始至终将计算思维融人信息化思维课程建设中，让学生学会从信息处理的角度理解并应用专业知识，培养学生具有从计算机科学的角度出发解决实际问题的理念。