五年制高职学生计算思维培养策略探究

邓红

关键词：计算思维；Python语言；高职；抽象

现代社会新技术不断涌现，如物联网、人工智能、区块链、云计算等，新技术推动着社会进步，社会的方方面面发生着深刻的变革，新技术提高了社会的整体效率、推动了各行业的发展进程。新技术在改变社会的同时，也影响着社会中的每一个人，新技术让人们的生活更加便利、学习更加从容。人们在享受新技术带来各种便捷的同时，也必须掌握相应的本领才能驾驭各种新技术，迎接新技术带来的挑战。计算思维（Computational Thinking，CT） 是一种思维方式，是利用计算科学的基本理念和方法，结合工程思维、数学思维等多种思维方式，进行问题求解、系统建构和人类行为理解的思维过程[1]。现在的大学生，尤其是理工科学生，基本都会学习一到数门编程语言，学习编程语言的目的是解决实际问题，如果学生拥有较好的计算思维，将会大大提高解决问题的效率。

1 相关研究现状

1.1 计算思维相关研究现状

2006年，美国卡内基·梅隆大学周以真教授[2]首次提出“计算思维”，即利用计算机科学的基础概念来解决问题、设计系统、理解人类行为等的思维和能力。计算思维不仅对计算机科学具有很高的价值，也是学生必须具备的基本素养和能力[3]。2013年，英国南安普敦大学的Cynthia Selby和John Woollard两位博士指出计算思维由算法思维（Algorithmic Thinking）、评估（Evaluation）、分解（Decomposition）、抽象（Abstraction）、概括（Generalization）等要素组成[3]。2010 年在西安交通大学举办的首届“九校联盟计算机基础课程研讨会（C9） ”的会后声明中提出：高校计算机基础教育阶段的首要任务是培养大学生的计算思维能力；国内学者对计算思维进行了许多卓有成效的研究[4-6]。

计算思维的特点是抽象化和自动化，并不等同于计算机编程，而是人类求解问题的一条途径，因此每个人都应该具备计算思维。

1.2 国内高校培养学生计算思维模式

目前，国内高校针对计算思维的研究，主要集中在以C语言、Java语言、Python语言、计算机基础的教学中进行[7-9]，一般情况下，老师首先讲解程序设计语言中的语法和基础知识，再学习各类语句和结构。但是由于大部分学生是首次接触程序设计语言，不太容易理解程序设计语言中的语法和基础知识，导致后续学习变得困难。国内部分学者将C语言、Java语言中复杂知识点抽象为现实世界中的元素，再将元素融入计算机的运行环境，如Visual C++6.0中，借助寄存器，将各元素连接起来，形成一个整体的、可以自动运行的系统，在考核方式上，以考查语言的语法知识为主转变为以考查学生的系统整体设计为主。培养了学生的抽象思维和整合能力，训练其解决问题的思路和方法，提升其计算思维，学生很容易将这些方法和思路扩展到其他编程语言中。

但是国内学者研究的对象一般为本科院校中的在校生，他们基础扎实、学习主动性好，研究的成果也较为理想。但我国还有数量巨大的专科院校，其中五年制高职院校，招收的是初中毕业生，这些学生有自己的特点，本文研究对象是五年制高职学生。

2 五年制高职学生计算思维培养研究

2.1 五年制高職的特点

所谓五年制高职通常是指直接招收初中毕业生，前三年按照普通中等职业教育的管理办法进行管理，学习语文、数学、英语、政治、历史、地理等文化课与相关专业课；后两年纳入普通高等教育管理，开设专科层次的公共课和专业课，学生修业期满成绩合格者，由学院颁发普通高等学校全日制专科毕业证书[10]。其特点如下：

1） 招收的学生年龄小、可塑性强、有效学习时间较长；

2） 专业设置灵活、贴近社会需求，统筹兼顾公共基础与专业课程；

3） 学生动手能力优于一般本科院校学生，知识结构较为齐全；

4） 自主性较强，学校可以根据学生特点进行个性化定制教学；

5） 学生基础弱于高中生和本科院校学生；

6） 教学方向以应用技术为主，理论知识在应用中融入。

2.2 基于Python 语言下培养学生计算思维的研究

Python语言是一种计算机程序设计语言。简单易学、上手快、移植性强，既支持面向过程的编程也支持面向对象的编程。我们针对Python语言的特点，并考虑到高职学生在初中阶段已经系统学习过英语，学生已知晓学习自然语言的方法，将Python语言学习类比成英语学习，一方面可以提高学生对Python语言的掌握程度，另一方面可以训练学生的计算思维，对应关系如表1。

编写程序的过程是程序设计者和计算机沟通的过程，沟通的媒介就是Python语言，计算机可以读懂编写好的程序。这和人类的自然语言类似，这样不仅可以让学生减少畏难情绪，还可以让学生建立学好Python语言的信心。

1） 将变量和常量当成是Python语言的基本元素，将它们比作英语中的字母；

2） 元组、数组、字典是由变量等按照一定规则组合而成的新的数据结构，而词语是由字母组成；

3） 表达式是由运算符将各种变量、常量连接起来，可以表达一定的含义；

4） 函数可以实现某项功能，对应一篇英语文章；

5） 程序可以是多个函数组成，也可以解释为由变量、常量、表达式、各种基本结构语句组成，故将其抽象为一本英语课本。

Python语言中的三种基本机构的执行方式较难掌握，本文中将其抽象成了英语课本中的段落，每个段落都有其段落思想，每个段落和文章的其他部分有一个简单的分割，利用段落提高学生对Python语言中基本结构和程序执行方式的理解，提高其对计算思维中的自动化含义的理解。

顺序结构比较好理解，程序按代码的先后自动执行，这和正常阅读英文文章形式类似。选择结构语句中，根据要求，执行部分语句，忽略部分语句，阅读英文文章时，根据要求只需阅读其中部分段落。Python 语言的循环结构与重复阅读某个段落类似，Python语言循环次数是由循环变量决定的，阅读某个段落的次数是由老师决定的。

2.3 Python 教学中注意提升学生的计算思维

高职新生大多是首次接触编程语言，将Python语言中元素抽象为英语学习，可以帮助学生对Python语言整体把握，让学生脑海中形成Python语言整体的框架。日常教学中，需要对其中的概念进行扩展，由浅入深进行教学，在框架上用相关知识进行填充，帮助学生掌握学习Python语言编程的方法，不仅可以提高教学质量，还可以提高学生计算思维能力。

在教授Python时候，具体做法如下：

1） 注重基础知识的理解，培养学生具备解决问题的理论基础，Python是基于C语言发展而来，但是比C 语言简单、更容易上手，学生第一步需要掌握Python 的语言特点，如熟悉Python中关键字含义、强制缩进等概念。在进行讲解的过程中，可以结合英语学习中单词、短语的学习进行比较，让学生明白语法和关键字等，就像是构成Python程序中的基本材料，只有熟悉基本材料的特性，才能编写出功能强大的程序。

2） 阅读和实现具有某项功能的代码段，培养学生的模仿和再现的能力，学生在掌握基础知识后，可以尝试阅读并再现具有某些功能的代码段，一方面可以强化对基础知识的掌握，另一方面将知识点串联起来，使学生可以再现具有简单功能的Python程序，提高学生学习好Python编程语言的信心。

3） 独自编写具有某项功能的代码段，培养学生逻辑判断能力，Python程序具有较强的逻辑性，通过独立编写代码段，提高学生代码编写能力和逻辑思维能力，让学生对Python语言有一个整体概念。

4） 通过引入模块，让Python程序的层次和结构更加清晰，学生掌握单个模块的功能，组合成一个具备完整功能的程序，培养学生整合各项资源的整合能力。

2.4 实验

2.4.1 参与者

选取同一专业（软件工程）的两个班级，学生的入学成绩基本相同，随机分配为两个班级，人数大体相同。一班34人，其中男生29人，女生6人；二班35人，其中男生30人，女生5人。学生年龄在15～16周岁，学生都来自江苏省，教育背景相似。

2.4.2 实验方法

学习课程前，对两个班级采用西班牙学者Roman-Gonzalez所开发的学习者计算思维发展水平评价工具ComputationalThinkingtest（CTt） 进行评价。该评价工具中共有28个测试题，每题以“迷宫”或“画布”的形式显示，测试内容包含if条件、if-else 条件、while条件、循环-固定循环、简单函数、带参数的函数等。测试时长45分钟，每题1分，共28分，通过CTt测试方法可以测量学习者对基本的计算概念的掌握情况，以及使用编程来解决相关问题的能力。

两个班级同时学习Python编程语言，由同一老师进行授课，一班采用常规教学法，任课老师直接介绍Python里的语法知识、函数等知识，再由学生练习Py⁃thon程序的编写。在二班进行教学时，有意识地加入训练计算思维的方法，将Python学习方法抽象成为学习英语，以计算思维的方式锻炼学生解决问题的能力，在学生已有的知识框架上更新成新的知识学习，降低学生学习新知识的心理障碍，将已有的框架上拓展变换成新的知识框架，便于学生理解新知识，同时锻炼学生解决新问题的思维模式，在二班授课中，培养学生用计算机的处理流程来培养学生解决问题的思维，将问题进行抽象，结合英语学习，以计算机的思维指引学生学习Python编程语言。

2.4.3 实验结果

学习Python学期前和学期后，两次对两个班级进行CTt测试，学习前后两个班级得分如下：

经过一个学期的学习后，两个班级学生的CTt测试分数较学期开始前均有所提高，其中一班提升幅度为4%，二班提升幅度为15%，二班的提升幅度较一班高11%，两个班级分数提升既与学生年龄增加、智力提升有关系，也与学生了学习新的知识、知识结构更新有关，但二班进步比一班快，说明在教学过程中，如果有意识的加入计算思维模块，让学生在学习过程中，潜移默化的接受计算思维的思想，学生可以更早更好地以计算思维来处理和解决问题。

3 总结

计算机已经从诞生之初的科学计算辅助工具，变成了人们生产生活必不可少的好“伙伴”，这个“伙伴”不仅影响了我们的生产生活方式，而且还影响了我们的思维，本文主要研究培养五年制高职学生的计算思维能力。

主要工作：1） 研究国内外计算思维研究现状和计算思维的重要性，总结目前国内培养学生计算思维的各种模式；2） 研究高职学校学生的特点；3） 以高职新生学习Python语言为例，研究如何在Python语言学习中提高學生的计算思维能力，具体方法为将Python语言学习抽象为英语学习，再将Python语言中的三种基本结构自动化为英语中段落阅读方式。本文对Py⁃thon语言的教学内容进行分类和总结、结合高职新生的特点和高职生的知识结构，提出提高高职学生计算思维的新方法，学生反映学习Python语言的兴趣增加，同时对Python语言学习的整体把握增强，实验表明学生的计算思维有一定提高。