基于计算思维的大学计算机基础课程改革研究

张欣 贠永刚 王希

摘 要：本文阐述了计算思维素质培养的背景，通过分析大学计算机基础课程教学面临的问题，提出了从“计算思维意识”、“计算思维方法”和“计算思维能力”三个层次培养学员计算思维能力的教学改革思路。

关键词：计算思维；课程改革；大学计算机基础

1计算思维概念

第一次系统明确提出计算思维概念的是美国卡内基.梅隆大学的周以真教授。周以真教授提出，计算思维的本质是自动化和抽象化，它是运用计算的基础概念去设计系统、理解人类行为和求解问题的一种方式方法，它是大多数人必须具备的思维能力。但是，该定义体系没有明显的结构，没有完整的方法体系和思想基础，而且没有实际操作性。

计算机科学教师协会和国际教育技术协会给计算思维下了一个操作性较强的定义：它是一个问题求解的过程，该过程包括以下要素：①提出问题，该问题能利用计算机技术解决；②要能够逻辑地分析和组织实施相关数据；③能通过抽象的方法，比如模拟仿真等得出相关数据；④问题具有一定的算法，支持用程序实现自动化解决；⑤能应用各种可能的办法，从中找到最合理的解决方案，并且能综合这些方案内容；⑥问题的求解过程能进行推理判断。

2大学计算机基础教学面临的问题与挑战

目前，在大学计算机基础课程的教学中出现了一些问题，主要是“狭义工具论”的问题。“狭义工具论”就是认为计算机基础教学就是教学员怎么将计算机作为工具使用。应该说这种认识对计算机的教育非常有害，这样会使学员对计算学科的认识淡化，无助于计算技术中最重要的核心思想与方法的掌握。作为“狭义工具论”显然不好，但在过去一段时间里，在高校中的确某种程度上存在这种倾向。

再来看教程，我们大学计算机基础的教程名称很多，诸如入门、文化等等，都被认为是计算机基础课的教材。内容基本上是有关领域的浓缩版，把它压缩在一起。好像网络也讲一点，人工智能、数据库也讲一点，都很浓缩。这会产生怎样的后果？那就是：学员进入大学后，对第一门计算机课程的期望值普遍较高，但实施效果与学员的期望值差距较大，其根本原因是该门课程的定位及设计出现了偏差。有限的课堂时间无法满足在“狭义工具论”的认识下，对于熟练使用各种计算机工具的目标要求。而计算思维的培育正是克服“狭义工具论”的有效途径，及解决其他信息科技难题的坚实基础。传统计算机基础知识的教学忽视了计算思维能力的培养，带来了诸多问题，必须进行相应的改革。

3课程改革的主要内容和思路方法

3.1強化计算思维意识的学习途径

计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为。它包括了涵盖计算机科学领域的一系列思维活动。计算思维并不是一种新的发明，而是早已存在的思维活动，是每一个人都具有的一种技能，与理论思维、实验思维一起构成了人类的三大思维。计算思维强调问题求解的操作过程和机器实现，形式规整、问题求解和人机共存是其本质特征。

计算机基础教学的对象是全体一年级学员，无论是基本概念还是进一步原理阐述，对于大多数大一新生而言都可能显得晦涩难懂，教学可操作性不强，需要进行进一步探索研究。在计算机基础教学中，计算思维的案例也是处处存在。在大学计算机基础课程中，几乎每一个概念都可以对应一种或多种计算思维方法。例如，Cache是预置和缓存方法，多核处理器是并行处理方法；在程序设计基础中，各种常用算法以及各类问题的求解方法，如迭代法、递归法等，都是没有争议的计算思维方法。而计算机应用课程中，每一门课程、每一个项目都是多种计算思维方法的集合。在实践课的教学上，可通过开展以上机实验为重点的计算思维训练，以及通过求解问题多样化训练计算思维等学习模式，以达到大学计算机基础课程的终极目标，即培养学员的创新能力，提高学员的信息素养。

3.2丰富计算思维方法的教学内容

如何恰当、明确地将计算思维融入大学计算机基础课程教学中，以提高学员运用计算机知识描述问题、抽象问题和解决问题的能力，对新形势下计算机基础教学而言是一个必须面对的课题。

3.2.1以思维为导向，设计理论与实践的授课内容。学员具备思维意识到思维方法再到思维能力，是一步步实践的过程。以计算思维为导向，采用面向能力培养的教学方法，围绕计算核心原理的内容梳理与组织教学内容，明确什么是学员需要的，什么是学员不需要的，是教学改革的总体思路。针对不同基础的学员，在案例和实践项目中融入计算思维，分层次设计，以体现计算的原理和核心方法，激发学员兴趣。同时，采用启发式、探索式等多种方式授课，结合课内外知识，强化学员理解，推动学员自主运用所学内容。

3.2.2以案例做牵引，引入计算思维的讲述方法。大学计算机基础的课程教学在完成课程目标的同时，引入计算思维的讲述方法。事实上，课程中很多内容都为计算思维能力的锻炼提供了很好的诠释和翔实的案例。如在讲授计算机系统组成时，介绍图灵机模型思想；在计算机硬件系统的设计中体现抽象化、自动化和流水线等计算思维思想；在介绍操作系统、进程控制、存储管理等内容体现着抽象、并发、共享等计算思维的概念；讲授计算机网络时，介绍协议、约定等内容引出的抽象、分层、共享等计算思维思想等。因此，在教学过程中教员必须以教学内容的设计和实施为出发点，引导学员对问题进行抽象、分析，掌握所涉及的计算思维原理，使学员形成利用计算思维求解问题的思路。

3.3培养计算思维能力的教学措施

3.3.1为学员提供计算机学习环境。能力的培养离不开实践的环节，为了培养学员的计算思维，要形成良好的氛围，尤其是良好的学习环境。计算机公共实验室，不仅要建立满足需求的软硬件环境，而且在开放时间上也要满足学员需要。

3.3.2建设可持续的计算机学习形式。计算机必修课和选修课都是以某方面的知识讲授为目的的阶段性课程，而且集中在一、二年级，容易形成断层，不利于培养计算思维。因此，在扩大计算机课程范围的同时，更需要建立多种形式的计算机学习方式，例如定期讲座、科研项目、学员实践项目等。

4结束语

计算思维是人类三大科学思维方式之一，它作为一个问题解决的有效工具，正在改变着大学计算机基础教育的教学模式。本文在课程教学中以计算思维为牵引，从课堂教学和实践环节探析了在大学计算机基础教学中培养计算思维的思路和方法，能够让学员深入领会计算思维，应用计算思维理念解决问题，可提升学员信息素质和创新能力。

（作者单位：空军勤务学院）