计算机基础教学中计算思维能力培养研究

何啸峰, 李海燕, 鹿江春

(南华大学 计算机学院, 湖南 衡阳 421001)

1 计算思维能力培养研究的缘起

2006年, 美国卡内基·梅隆大学计算机系主任周以真(Jeannette M.Wing)教授在美国计算机权威杂志CommunicationoftheACM正式提出“计算思维”概念并给出了相应的定义与说明。周以真认为,计算思维不是计算机科学家的专属技能,而是数字化时代每一个人都应具备的基本技能,“2050年前,要让地球上每一位公民都具有计算思维能力”[1]。2007年,周以真教授在卡内基·梅隆大学成立了计算思维研究中心,并修订了该大学一年级学生的课程,籍此培养该校非计算机专业学生的计算思维能力。

我国面向非计算机专业大学生大规模开展计算思维能力培养始于2010年。教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会2010年5月，在安徽合肥会议中要求将计算思维融入到计算机基础课程中去传授,以此培养高素质的研究性人才[2]；2010年7月西安会议发布了“九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明”,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[3],标志着计算思维教学面向所有大学生全面展开。2013年,教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会正式发布了“计算思维教学改革宣言”,进一步明确了计算思维培养在大学计算机基础课程教学中的中心地位,并把计算思维的培养提升到了创新人才培养和国家发展的高度[4]。

2 计算机基础教学中计算思维能力培养现状

2.1 从课程内容来看,存在内容重组与全面更新2种观点

在对计算思维内涵与特征进行了深入研究与解读之后,对于计算思维在大学计算机基础教学的内容体现被提上了研究日程。目前,对于计算思维教学内容改革主要有2种观点：内容重组与全面更新[5]。前者认为已有的知识内容已蕴含计算思维规律和特点,只是需要对课程内容结构以计算思维为主线重新组织,突出计算思维这一主题的直接性与系统性。后者认为应将课程教学知识点进行大幅度更新,加大和突出与思维训练有关的知识点,开设类似“计算思维概论”的通识课程。内容重组这一观点比较符合目前的计算机基础教学实际情况,也是业内主流观点,而全面更新这一观点则更多实施于计算机相关专业。

2.2 从教学方法来看,传统方法与新方法并存

新的概念与新的教学内容势必会引起教学方法与模式的变革,大学计算机基础中计算思维教学方法改革以传统方法为主,不断探索新方法、新模式。教学方法主要分为3类：问题式教学法、游戏化教学法以及思维可视化教学法。计算思维的外显行为就是运用“抽象”“形式化描述”等思维进行问题求解的活动,十分契合采用基于问题的教学模式,这也是目前计算思维的主流教学模式；游戏化教学法分为2种,一是将计算机科学经典问题以游戏化的方式呈现,二是运用计算思维设计(不需要实现)游戏,在游戏设计过程中理解抽象、聚类等概念,掌握问题求解的方式,籍此培养学生的计算思维能力[6]。计算思维可视化教学法是目前计算思维能力培养的一种新趋势,是计算思维的一种具体实现与外显技术,目前计算思维教学中采用的思维可视化教学法主要是图示法,如思维导图、流程图、模式图等。

2.3 从教学组织来看,基本实现了分层教学、分类培养

计算机技术已渗透至各行各业,成为各行各业不可或缺的基本工具,计算思维方式也成为数字化时代人们基本的思维方式,而不同专业学生对于计算技术应用以及计算思维方法指导也各有侧重。因此,在大学计算机基础教学中按专业类别进行分层教学、分类培养是十分必要的。

在一些综合性大学中,将专业类别大体分为文史类、理工类、经管类等,并面向不同专业类别设置了不同的教学内容,或者通过设置选修课的形式引入计算思维概念,力求使教学内容更加契合专业应用需求与行业发展需要；一些专科类院校，如农林院校、医科院校也纷纷结合自身需要设置了具有学科特色的大学计算机课程体系。由于教育资源较为紧张,目前计算机基础教学仍以大班授课为主,无法满足不同基础学生的个性化学习需求。一些院校通过网络教学的优势实现分层、分类教学,以满足不同基础与不同专业学生的学习需求,弥补传统教学课时不够的难题[5],计算思维教学基本实现了分层教学、分类培养。

2.4 从资源建设来看,仍以改造为主,全新开发为辅

教学资源是教学得以有效开展和顺利实施的前提和基础。对于课时严重不足的计算机基础课程来说,优质教学资源的重要性更加凸显,是支持学生个性化学习、培养计算思维能力的重要保障。大学计算机基础教学已经开展多年,积累了丰富的教学资源,这些资源中虽蕴含了计算思维思想,但计算思维主线不清晰,也不够完善。因此,计算思维教学资源建设一般有2种形式：对原有资源进行改造与全新开发。

目前计算思维教学资源形式主要以课堂录制视频、PPT和习题库等形式呈现,而微课程、在线开放课程(MOOCS)等新兴资源形式较为少见。在开放教育资源运动蓬勃发展的今天,精品课程转型升级已成为必然趋势,冯博琴提出了建设计算机基础精品资源共享课程群的设想和初步的实践[7]。但搜索国内各大公共课程平台，如爱课程、网易公开课,计算思维在线开放课程只有南华大学阳小华教授主讲的“计算思维漫谈——数字化时代的生存智慧”。建设优质教学资源仍然任重而道远。

3 计算机基础教学中计算思维能力培养存在的问题

从总体层面来看,基于计算思维能力培养的大学计算机教学改革实施时间较短,仍处于小范围的实验与探索阶段,计算思维能力培养在计算机基础教学中仍表现出隐性的、无意识与低效的特点,存在不少需完善的地方。

3.1 对计算思维能力的认识存在误区,教学目标不明确

相当数量的一线教师对现阶段大学计算机基础教学的教学目标存在认识上的误区,主要体现在2方面。一是将计算思维能力等同于程序设计能力,认为训练计算思维能力就是讲授程序设计知识,未能上升到计算机系统与思维科学核心思想与方法论层面；二是刻意“为计算思维而计算思维”,将“计算机应用”与“计算思维能力培养”两者割裂开来。大学计算机基础教学目标经历了3个阶段的演变,这3个阶段目标既有传承融合,又有发展深入。而现阶段目标“培养学生计算思维能力”与前一阶段“培养学生计算机专业应用能力”存在脱节现象,未能注意两者的延续性与系统性,极少见到某专业或学科在计算机应用技能中训练学生计算思维能力的文献。导致大学非计算机专业计算机课程存在知识型/技能型教学与未来计算能力需求之间的鸿沟[8]。

3.2 未能发掘独特的计算思维训练方法,教学效果不显著

大多教师在进行计算机基础教学时缺乏课程顶层设计思想,未能从计算科学与思维方法的高度组织教学。如在程序设计教学过程中过分重视语法结构的讲解,对能够体现问题求解的思维过程缺乏总体规划,往往一笔带过。更为关键的是未能根据计算思维的特点与内部发生机制形成独特的、适用于思维能力训练的新的教学模式。很多教师对计算思维的培养还停留在无意识、隐性教学状态,没有达到有意识地设计和显性教学层面[9]。

思维可视化能够将人们头脑中内在的、不可见的思维过程显性化地表示出来,从而能够帮助人们理解思维过程、探索思维规律、形成思维方法,为计算思维教学提供了新思路,但目前计算思维教学可视化主要以程序流程图等图示工具为主,还处于思维训练的初级与低效阶段,教学效果不显著,较难养成对问题求解、系统设计和行为理解的计算思维能力。

3.3 过多关注教学内容与模式的变革,教学系统发展不均衡

教学失衡就是指在教学过程中因缺乏系统整体观的指导,在整合系统各因素以实现整体功能过程中所产生的偏离、片面和失衡状态。现今计算思维教学过多关注教学内容与教学模式的变革,忽视了其他教学环节。计算思维教学系统发展失衡主要表现在2个方面：

一是优质的教学资源极其匮乏。目前,大学计算机基础课程的课时普遍被压缩、削减,计算思维能力培养单靠压缩了课时的课堂教学是无法实现的,必须结合多样化的优质学习资源进行弥补,现有的学习资源普遍以PPT等教学文档为主,而能够支持计算思维教学的新型资源,如微课、计算思维可视化工具、游戏化学习软件等非常缺乏。

二是计算思维评价体系尚未建立。目前对于计算思维评价研究与实践存在一定的缺失,计算思维能力评价基本上都局限于认知层面,对计算思维能力的外在行为尚未体现,教学效果优劣无法衡量,失去了教学评价对于教学环节的诊断、调控与改进作用。

3.4 计算思维教学内驱力不足,培养目标落实不到位

尽管九校联盟(C9)和教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会，先后明确了计算思维在大学计算机基础教学中的中心地位,但在实际的教学过程中,计算思维教学仍显得内驱力不足。

从教师层面来看,由于长期从事计算机基础教学,部分教师在思想认识与教学理念上已经形成了较为固定的思维方式,对教学改革兴趣不高,对“培养学生计算思维能力”这一核心任务重视和参与程度不够,且许多一线教师自身尚未能很好地理解和把握计算思维本质[10]；从管理层面来看,大部分高校内部缺乏计算思维教学内容督导机制与质量监控体系,计算思维教学基本上取决于教师的自发性与随意性。比如是否在大学计算机基础教学中进行了计算思维能力训练？学生的计算思维能力是否得到了有效迁移,而不仅仅是认知层面的提高？这些问题均未得到应有的重视,国内大多数高校计算思维教学仍处于混乱、无序状态,计算思维能力培养落实不到位。

4 大学计算机计算思维能力培养策略与建议

4.1 加快制定评价机制与体系,构建模块化的计算思维课程内容

现有的评价体系更多体现在计算思维认知层面的测量,对计算思维外显能力的评测用处不大,对计算思维能力有何具体表现认识不清,这也是目前计算机基础教学中计算思维教学内容显得大而空、不接地气和难以落实的重要原因。因此,应根据计算思维能力的外在行为表现，开发相应的能力测评工具,加快制定计算思维能力评价体系,根据计算思维能力的构成构建模块化的计算思维课程内容,充分发挥评价的监测、诊断与指导作用。

模块化的计算思维课程内容可从计算思维意识培养、计算思维内容学习与计算思维实践训练3方面着手,从体现计算思维经典问题出发,紧密联系计算思维在各学科中的应用,分知识、应用、方法3个层面构建模块化的计算思维课程内容,体现计算思维能力培养课程内容的渐进性与层次性。

4.2 加强立体化教学资源建设,探索新的计算思维训练方法与手段

除了PPT、习题库等传统教学资源外,还要建设一批新型的、符合计算思维能力培养的新型教学资源,在此基础上探索独特的计算思维能力训练方法与手段。

一是引入、开发思维可视化工具,将隐性的思维显性表达出来,使计算思维教学更具针对性和有效性。赵姝等人提出思维训练的3个阶段“隐性思维显性化—显性思维工具化—高效思维自动化”[11],具有重要的借鉴意义,因此,首先应将隐性的、不可见的计算思维过程显性地、可视化地表现出来,从计算思维的产生与活动过程把握其本质,这样才有助于学生有意识地对计算思维进行整理和重组,辨识新的、合理的和优化的组合模式[11]。

二是联合领域专家、一线教师与企业人员开发针对不同专业学生的计算思维游戏。教育与游戏的结合能够激发学生的学习兴趣,寓教于乐,使学生通过游戏创作自主培养计算思维。

三是建设符合学生学习认知结构与学科背景的计算思维微课程,利用微课程将计算思维知识与典型案例分解为短小精炼的知识单元,并结合具体的学科形成模块化的微课程群,有利于分解学习难度,降低学生认知负荷,同时积极探索利用微课程进行移动学习、翻转课堂与混合学习的新的教学模式。

4.3 分专业开展师资培训,提升计算思维教学的适切性与有效性

教师是教学目标的实施者、教学内容的制定者、教学活动的设计与组织者、教学效果的检验者,是教学系统的核心要素。为提升计算思维教学的有效性,首先教师应具有良好的计算思维教学意识与教学能力；其次,要使学生真正具备计算思维能力,还需要更多与专业相结合的相关课程和实践的训练[12]。

应对从事计算机基础教学的教师分专业组建教学团队,并组织计算思维领域专家对一线教师进行培训,尽快使他们接受计算思维概念,理解计算思维的内涵与特征,更重要的是使教师能够掌握计算思维在专业领域的应用,结合具体学科探索计算思维的教学内容、教学模式与教学规律,并在进行教学时自觉地将计算思维能力具体化为相应专业的教学目标,并让学生在结合专业的计算机应用中理解和运用计算思维,这样才能让学生在具体情境中理解、体验计算思维给各专业带来的便利与愉悦,实现计算思维在不同场合与领域中活学活用,从而使学生计算思维能力得到有效迁移,也才能真正提升计算思维的教学适切性与有效性。

4.4 完善教学监控与管理机制,推进计算思维教学向规模化与制度化转变

目前,大学计算机基础教学中计算思维能力培养还处于小范围的实验与探索阶段,尚未形成运转良好的教学管理制度与质量监控机制,计算思维能力培养落实不到位,仍然是随意的、隐性的。教学管理部门应出台一系列教学激励措施,鼓励从事计算机基础教育的教师以更积极的态度对待自己的本职工作,充分认识自己的工作价值,勇于承担计算机基础教育深度改革的重任[13]；此外,还应尽快根据评价体系完善计算思维教学监控与管理机制,以便对计算思维教学内容与质量进行有效监控,改变计算思维教学取决于教师随意性的不利局面,提升计算思维教学系统的内驱力,推动计算思维教学由隐性化、被动化向规模化与制度化转变,使计算思维能力培养真正落到实处。