创造性计算思维能力培养的研究

邹海洋，李明东，陈沙沙

（1.西华师范大学 计算机学院，四川 南充 637009；2.西华师范大学 校地合作处，四川 南充 637009)

1 背 景

创造性计算思维是一种复杂的思维方式，它基于计算机平台的技术，是对多门学科的总结和融合，最终形成一种贯通融合的理性思维。现阶段，人们的思想始终还局限于“狭隘工具论”，认为学会“用”即可，忽略了对创造性思维能力的培养。

1.1 创造性计算思维的发展现状

计算思维能力最早是在 2006年由周以真教授在《Communications of the ACM》杂志上提出的，并且在后期的研究中给出了其基本的概念及其内在的含义[1]；2009年，由李国杰院士任组长的中国科学院信息领域战略研究组撰写的《中国至 2050 年信息科技发展路线图》[2]和2010 年《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》的核心要点也强调“需要把培养学生的‘计算思维’能力作为计算机基础教学的核心任务[3]。美国、英国、澳大利亚相继的将计算思维能力纳入进了教学方案中，因此作为计算思维的延伸创造性思维能力的培养势在必行。

1.2 对创造性计算思维的剖析

创造性计算思维具有递归的思想，递归源于计算机编程的一种思维方法，它主要涉及以下几个方面：①学生能力的差异性；②要解决问题的复杂程度，包括时间和空间复杂程度；③判断问题解决的基本条件；④问题解决所需要的计算机技术；⑤解决问题好坏的评定标准。

创造性计算思维始终伴随着计算机技术的发展而发展，社会要求我们必须具有信息素养、计算思维、应用计算机等三方面的能力[4]，我们应该打破专业壁垒，各学科应该以计算机为纽带，相互交叉渗透。在培养计算思维的同时，也要注意培养学生的应用能力、主动发现问题和解决问题的能力，逐步形成创造性计算思维理念。

2 教学体系的设计过程

在培养创造性计算思维理念的过程中要注重学生对基础知识点的巩固和理解，可以通过大量实践项目来加强他们自身能力和素质的提高，同时也要注重学生自主性的培养[5-6]。

2.1 教学方法

以教学课堂为主，学生自主学习为辅，适当的项目教学法为有益补充，让学生真正利用计算思维的方式去解决各种复杂的问题，从而形成创造性计算思维的理念[7]。

2.1.1 情景引入法

通过对数据库中基础知识点的介绍，如SQL Server数据库主要包括“库”“表”“视图”等三大类的基础知识点，教师可以根据知识点之间内在的关联性，逐步分层次的引入，在授课过程中，可以通过具体的生活实例，让学生产生共鸣；随后引入相关的知识点及其理论基础，加深学生的理解。

1）关于“库”讲解。

在教学中，首先让学生从“仓库”的概念入手，自己归纳总结归纳出仓库的特点：

（1）既能存储某些物品，也能取走物品；

（2）仓库必须是安全的，必须要有管理人员。

随后引入相关的知识点“数据库”，提出“数据库”就是起到这样作用的仓库，只不过存储的介质是数据，而数据都是以“表”的形式存在的；为了保证数据库的安全，自然而然就提出 “数据库管理员”（DBA）及“权限”的概念及原理。

2）关于“表”讲解。

继续应用情景假设法引入“表”的概念，例如：日常生活中主要应用仓库存储某些物品，假设你是仓库管理员，你对存储物品会有怎样的想法。同学们自然而然会归纳出：

（1）存储的物品要有一定的规律，这样容易找；

（2）仓库中的空间利用率要最大化，这样能降低成本。

针对学生的归纳，教师再进行相应知识点的讲解。首先是规律性，数据库所储存的数据是以表的形式存在，即是多个相互关联表的集合，表和表之间是通过“外键”进行关联的；表中数据查询可以通过简单查询和复合查询进行。简单查询理论基础来源于专门的关系运算符如：选择（Selection）、投影（Projection)、连接（Join）、除（Division)和传统的集合运算的有效结合；复合查询是对数据查询的进一步深化，我们可以通过这种讲解相关知识点的方式来完成前期课程的导入。

其次，对于存储空间利用率的最大化，我们可以通过降低数据冗余度，这里的“冗余”是指通过对表进行拆分，从而实现存储空间浪费最小化的一种手段。那么我们是以什么来对表进行划分，则引入“范式”相关概念、原理。

3）关于“视图”讲解。

让学生继续思考，可以假设自己是公司仓库的管理员，公司有多个仓库，近期要卖出一部分的货物，而这批货物涵盖各个仓库，提货时间一旦确定，就必须马上出货，你会怎么做？学生自然会想到将货物提取出来，放到一个仓库中，并记录好。借此实例，引入“视图”的理论，视图就是我们从相互关联的多张表中提取部分数据而组成一张新的虚拟的表，随后进行概念、原理及实例的讲解。

2.1.2 对知识点的梳理

SQL Server数据库主要包括：数据库的创建和管理、表的创建和管理、表的增删改操作、表的查询、索引、视图、存储、触发器、事物及游标等相关知识点的内容。这些内容都实现对表的特定操作，可以说“表”是整个数据库的核心和灵魂。在讲解具体知识点之前，首先要明确它们之间的逻辑关系，使学生对数据库的内容有整体了解。具体过程如下：数据库是被数据库管理系统（DBMS）管理下多个“表”的集合；它们之间是通过“外键”进行相互关联的；表中数据查询可以分为简单查询和复合查询，为了实现快速查找，索引由此而生；视图是解决涉及多张表的查询；存储过程是当表中的数据满足一定的条件，自动执行的功能；触发器即是存储过程的一个特例；事物和游标是对表中数据实现逐行访问。表1列出SQL Server数据库知识点的逻辑结构。

在整个授课过程中，选取具有代表性的13个知识点，并且逐一进行实例化的讲解，加深学生对知识点的理解；在此过程中，利用专业设备录制讲解过程，整合成相应的微课程，作为课后学生学习和复习的资料。下面以“如何创建数据库的过程”这一知识点为例给出具体微课程的设计过程，整个视频5分35秒，包括了4个模块，涵盖相关的15个知识点（见表2）。

最后，通过课后思考题，即是对本次微课程的重点进行回顾，还为后续的知识点引入埋下伏笔，具体设计结果见表3。

2.1.3 实训过程

在SQL SEVER数据库教学结束后，通过结合程序语言引入适当的项目，我们主要通过进行“实例讲解”“实训项目”等教学方法来实现。在“实例讲解”中，老师起到主导作用，通过讲解和演示，介绍与项目相关的基础知识点，让学生自己组织和归纳知识的主体结构；“实训项目”是以学生为主体，教师只是辅助和引导，由学生自主完成某个具体项目，这个过程主要强调实用性

和适用性，是对计算思维方式的深化，从而最终形成创造性计算思维。通过项目教学法，学生会在学习过程中逐步体会计算思维的理念，使其真正转化成自身能力的一部分。

表1 SQL Server数据库知识点的逻辑结构

表2 微视频的设计

表3 练习题设计

2.1.4 项目答辩

项目实训结束后，通过对项目进行答辩，更进一步加深学生对项目的理解程度。主要是从基础知识、界面设计、代码编写、代码规范、文档撰写、快速开发等几个方面对学生的整个开发过程进行综合性评定。

2.2 教学模式

2.2.1 “教”的方面

我们总体的教学理念不能只停留在实用主义，要注意技术化趋向的偏见。学生在学的过程中，往往只是知道如何操作，而缺少真正的计算思维思想，缺少对待一个复杂问题的解决方法，他们一般不会主动应用创造性计算思维的方法将一个复杂的问题转化成多个简单的问题加以解决。因此，在设计课程内容方面，我们应该从课程体系整体出发，由下向上，使课程中的各个知识点通过计算思维联系起来，培养学生的思维习惯，使其成为学生解决问题一种普遍性的思维方式。

2.2.2 “学”的方面

学生本身就存在着极大的个体差异。有些学生缺少一定的自主性，对自己不能准确地认识，他们在学习过程中对于知识点第一反应往往是“是什么”，而不是计算思维方法中的“为什么”。在学的过程中，我们始终要明确教师只是起到指导、帮助和引导作用，是学生学习过程中的一个合作者，要有意识地训练学生的思维。

2.3 教师自身思维意识的提高

我们可以从以下两个方面入手：一方面教师可以通过相互之间听课、评课、交流和研讨，定期开展以“培养创造性计算思维能力”为主题的教研评比；另一方面可以充分利用开放的网络资源环境，通过对精品课程和教学资源的共享，选取和讲解一些具有代表性的精品教材和课件，实现以点带面，通过这种示范和辐射效应，来实现自身思维意识的提高。

2.4 教学评估

我们在教学评估中往往存在着单一性的缺点，只是根据期末考试最后成绩来决定学生的学习效果，这只是一种简单对知识记忆程度的考察，极大阻碍了学生积极性和创新能力的发展，这也极大忽视了学生的实践能力。我们可以通过定期进行教师评估、学生反馈和相互自评相结合的方法对学生学习情况进行及时分析，从而改进我们的教学方法，达到更好的学习效果。

3 教学中取得的相关成果

在教学中，为了达到更好的教学效果。我院从学和教两个方面入手，逐步探索提高教学改革的方法。教师在教授过程中，主要通过提高自身素质和外派学习的形式达到预期的效果；在学方面，通过丰富多彩的第二课堂，校企联合办学等多种手段和方法逐步构建学生创造性计算思维能力培养的平台。

在入学人数大规模增加的前提下，面对就业难、升学难，学校本身非985、211等一系列的社会问题。学院通过对学生创造性计算思维能力的培养，在就业率（图1）、考研率（图2）、科研项目（表4）等方面都取得较好的效果。

图1 学生就业率

图2 学生考研率

表4 2014—2016年大学生创新创业项目统计

4 对创造性计算思维的展望

我们应该大力发展基础科学、技术科学、工程技术等相关领域，可以从微观方法、宏观功能、形象思维及相关学科结合的方向入手，寻找创造性计算思维的创新点[8]。未来的社会是一个信息化、集成化、大规模的社会，伴随着学科的不断细化，遇见的问题和任务势必会越来越庞大，涉及的知识领域也会越来越广泛，我们只有通过创造性计算思维的理念，将一个复杂的问题转换成若干个简单的问题，利用计算机的纽带作用，最终解决问题。