新工科视角下计算机课程中计算思维的培养

高静

摘要：计算思维在教育界受到广泛关注。在高等教育中，计算机课程更加离不开计算思维的运用，掌握计算思维的本质对工科学生解决复杂工程问题具有重要意义。在近年的教育教学实践中，通过教学方式方法的不断改革与创新，探索多种途径培养和提升大学生的计算思维能力，从而结合专业知识解决复杂工程问题。

关键词：新工科;计算机;计算思维;培养

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（201 9128-0127-02

1引言

计算思维是人类应具备的三大思维能力之一，2006年3月由美国卡内基梅隆大学周以真教授首次提出。周教授认为：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。计算思维的本质就是抽象与自动化，即在不同层面进行抽象，以及将这些抽象“机器化”。

在一些发达城市，计算思维教育已从娃娃抓起，通过积木化编程教学，培养小学生的计算思维和创新能力。中国科学院院士陈国良说，“现在的孩子玩计算机特别‘溜，如果中小学的信息课还停留在教学生开机、关机、文档处理等基本应用上，就太不够了。计算思维可以让学生知道计算机的奇妙和伟大，让他们爱上计算机。”可见，计算思维对个人自身发展至关重要。

同样，在高等教育中，计算思维的培养贯穿整个计算机系列课程，在每门课程的教学中，很多地方都在潜移默化地使用计算思维，但不够清晰化和科学化，本文论述如何将计算机课程与计算思维更好地融合，如何优化设计问题的求解流程并用计算机高效地处理，如何在教学实践中不断训练和提升大学生的计算思维能力。

2计算机课程传统教学模式

在各层次高校，学生自入学初始便开始学习计算机课程。大一学生要学习《大学计算机》《程序设计基础》等计算机通识必修课，而大部分学生没有过任何程序设计基础，也不会主动学习。程序设计课程特点是知识点多，专业术语多，语法规则多，教学方式多采取理论讲授和上机练习分开模式，教师在讲授程序设计的控制方法、算法时，同学们觉得听不懂，太抽象，没兴趣，产生畏难情绪，从而导致“厌学”现象。这种只注重教而缺乏引导的“填鸭式”教学方式急需改革;同时上机实验的学时相对有限，学生之间实验报告抄袭现象严重，应付教师布置的作业任务，不动脑思考设计思路（流程），造成实践课不具备培养学生计算思维和创造性思维的作用，造成部分学生学了两三年的程序设计课程，仍然不会编程。因此，计算机类课程需要探索新的教学模式，激发学生的思维拓展，培养解决复杂问题的能力，培养高阶和高级思维，以适应未来社会的发展要求。

3计算机课程教学模式的改革创新

3.1经典案例学习中理解计算思维

例如，冒泡排序是一种比较简单的排序算法。通过重复走访要排序的数列，每次比较相邻的两个元素，经过交换，将小的元素调到前头，重复走访数列直到不需要交换，说明数列已经排序完成。其用自然語言描述的算法为：①比较相邻的两个元素。如果第一个比第二个大，则交换它们两个;②对每一对相邻元素作同样的工作，从开始第一对到结尾的最后一对，经过上面操作，最后的元素为最大的数;③针对所有的元素重复以上步骤，除了最后一个元素。重复步骤①～③，直到排序完成。

算法是计算学科和计算系统的灵魂，是非常重要的一种计算思维，算法是问题求解的关键，设计可实现的算法，有限时间内可执行的算法，构造与设计尽可能快速的算法，所有计算问题最终都体现为算法。理解和训练算法的表达，是计算机课程学习必须掌握的内容，设计好算法后，在上机实验中实际操作实现算法。

3.2线上、线下混合教学模式培养计算思维

坚持“以学生为中心”的教育理念，充分发挥线MOOC教学与线下传统教学的各自优势。

线上，应用中国大学MOOC国家精品课程平台，选取适合本校特色的经典课程让学生自主学习，掌握课程基础知识并线上测试;同时建设应用本校特色SPOC课程（小规模在线课程），由本校教师录制微课视频，将重要内容和知识点与专业应用有机结合，在线开展答疑讨论、课后练习、作业布置提交、阶段知识考核、期末综合测试等教学资源，学会用“计算思维”方式发现问题并解决问题。

线下，教师在课堂上讲授重点内容，之后以问题为导向将知识拆解，运用“翻转课堂”形式实现由“教”向“学”的转变，突出以学生为主体的课堂。具体为：事先将学生进行合理分组，由每组同学讲解教师布置的问题并进行提问，由其他小组学生回答。通过生讲师问、生讲生问、师生共同评价等，既发挥同学们的主观能动性，激发学习兴趣，同时又培养学生团结协作精神，锻炼思维能力和分析解决问题的能力，大大提高了课堂的教学效果。

通过不断改革实践，探索出本校的"MOOC+SPOC+翻转课堂”的协同教学模式，逐步形成了成熟的教学体系。实现由单纯“知识”学习转向“思维”训练，使同学们逐步形成运用计算思维解决工程问题的习惯，最终培养应用计算机和计算思维解决复杂工程问题的能力。

3.3与工程案例相结合，在教学中体现计算思维

例如，当在教学中讲授管理程序执行的“分工合作协同”重要思维时，面向车辆工程专业，教师引入相关案例一汽车EGI系统中“分工合作与协同”的应用：汽车发动机是以燃油为动力，为了让燃油充分燃烧，能量损耗小，空气和汽油需按一定比例混合，此任务由电控燃油喷射系统（EGI）来实现，如图1所示。

系统三种组成元件各有分工，各自完成功能，同时空气流量计根据进入发动机的空气流量，将信息传递给电控单元，电控单元接收信息后计算应提供的喷油量，把计算结果传送给喷油器执行喷油动作，数据信息有一定的传递方向，三者合作协同完成喷油任务，系统根据发动机运转状况和车辆运行状况确定汽油最佳喷射量。因此，三者通过分工合作协同才能使电控燃油喷射发动机在各种工况下都能处于最佳工作状态。同样，针对其他专业学生的教学中，亦融人相关专业案例，使同学们更加深刻地理解和接受计算思维。

3.4参加创新实践活动，提升计算思维能力

鼓励学生积极参加计算机学科相关竞赛，如大学生数学建模竞赛、ACM程序设计大赛、ERP沙盘竞赛等等，通过自主思考、自主学习、自主实践，激发学生的潜能和兴趣，引导创新实验，探索利用计算思维解决问题的能力。

鼓励学生参与教师承担的课题和科研项目，为学生搭建实践平台。通过参与过程中的文献查阅，实地凋研，数据统计分析，模拟仿真等，既拓宽学生的知识面，又可以培养正确的科学态度。当然，同学们也可以结合自身专业知识和社会热点、焦点问题自选题目，强化理论与实践相结合，在实践中训练计算思维能力，培养团队协作精神，提高自身综合素质。所以，科研经历是探索创新的能力体现，科研项目是培养创新人才的有效措施。

4结语

计算思维无处不在，计算机课程教学更离不开计算思维的应用。理解对现实问题的抽象和设计算法策略，是思维层面的训练，通过机器运行实现计算化、自动化，是思维培养的目标实现。总之，计算思维能力的培养是计算学科的一项长期、重要的核心任务，只有在教学中有意识地指导学生不断训练，才能逐步提高学习潜能和计算思维能力，才能体会计算思维的魅力，真正将其转变成自身具备的一种能力，进而培养创新性思维，解决社会/自然的各种难题。