计算机教学中加强计算思维能力培养的思考与探索

1、 计算机教学中加强计算思维能力培养的思考与探索 沈海澜1，陈志刚2 （1. 中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083； 2. 中南大学 软件学院，湖南 长沙 410075）Reference：针对计算思维能力培养，分析计算思维抽象特性处理、宏观思维培养、知识储备以及培养空间等问题。结合在教学中的体会，探讨分层的计算思维培养体系，加强自主学习比重、问题驱动式教学方式、培养宏观与提炼能力等培养途径。Keys： 计算思维；层次体系；宏观思维；自主学习；问题驱动0 引言1996年，麻省理工学院（MIT）的Seymour Papert 教授提出“计算思维”1 。2002年，我国计算机教育专

2、家蒋宗礼教授在中国计算机科学与技术学科教程2002中用“计算思维”一词描述计算机科学与技术专业人才的四大专业基本能力之一2。2006年，美国的周以真教授发表了Computational Think一文，对计算思维又做了更系统的定义，即计算思维就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，是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决问题的方法3。计算思维的提出不仅突破了计算机工具论的狭小视野，激发我们重新审视计算机科学的本质；同时也突破了计算机科学的专业领域，在普适思维的层面上提出了一种新的思维

3、模式。因此受到国内外专家学者的广泛关注4-6。美国ACM、微软等机构都对此展开了积极的研究。在国内，2013年第九届“全国高等学校计算机教育改革与发展高峰论坛”再次特别强调了加强计算思维培养的新一轮计算机教育改革目标7。如何培养计算思维成为关键，许多教育界专家学者对此展开了探索8-10。清华大学在课程设置、教学资源建设、教学模式等方面进行改革，培养计算思维与创新意识8；孙大烈教授等提出深挖内涵、注重实践、以点带面的培养方案9；邓辉文教授等提出开设计算机问题求解课程10等。另一方面， 2013年关于新一轮大学计算机教育教学改革的若干意见（简称若干意见）提出若干指导性的改革意见7：第一，新一轮计算

4、机教学改革仍然遵循“面向应用、需求导向、能力核心、分类指导”的基本规律。第二，大学计算机应用能力包括两个层面，第一个层面为学科专业层面的计算机应用能力；第二个层面是普适通用的计算机应用能力。计算思维也是一种能力，属于第二层面的计算机应用能力。第三，能够利用计算机解决实际问题是检验大学生计算机应用能力是否提升的根本标准，计算机教育要重点培养学生解决问题的能力。若干意见带来了许多启示：一是计算思维与已有教学改革工作的关系。计算思维属于能力培养，是对现有能力培养体系的丰富和提升，辐射更广；二是计算思维在计算机人才培养中的定位问题，培养学生的最终目的仍然是提高解决问题的能力，计算思维培养是提高解决问题

5、能力的一种途径。1 计算思维能力培养的几个问题分析1.1 关于计算思维的抽象性我们在大学一年级和四年级的课程教学中分别阐述了计算思维这一概念，然后让学生说说自己的理解。结果主要有几种：大部分一年级的新生表示计算思维的概念抽象，难理解，也有学生表示“思维”这一概念本来就不好表述，加上“计算”则更费解；四年级的学生对计算思维概念所提及的如抽象、分解、递归等概念表示理解，部分学生认为计算思维就是计算机领域内问题的一些解决方法；很多学生表示实际生活、工作中没考虑采用何种思维方式，但仔细想还是用了部分计算机科学领域的思维方式。由此我们想到，从理论层面阐述、解释甚至研究计算思维，对计算机人才培养可能并不适

6、合，也不是必需的。我们所要做的是通过一些更容易理解的训练方式帮助学生在潜移默化中将计算思维的核心思想融入到个人内在的思维体系中，融入到解决问题的备选思考方式库中。就像经过长期的数学学习，不一定能准确解释逻辑思维含义，但是在解决实际问题时，会主动甚至无意中运用逻辑思维去推证与解决。1.2 关于计算思维培养中的宏观思维培养文献7给出了大学计算机应用能力结构体系，如图1所示。结合图1可以看到，在计算思维提出和被强调之前，我们对学生能力的培养重点主要在第一层面上，即学科专业层面上的计算机应用能力，对计算机的理解也更多地趋向于“工具”。计算思维的提出，一方面加强了对计算机学科领域的科学特征理解，也构建了

7、从工具使用到思维模式这样一个目标。在大学计算机应用能力结构体系中，看上去只是从一个层面到另一个层面的能力提升，但是，实际上是从小的计算机科学领域跳跃到一个普适的思维领域，因此需要学生放开视野，跳出小的专业领域，加强宏观思维培养，在一个高层次、宏观的层面上理解和体会计算思维。1.3 关于计算思维培养与知识学习方式在上面的调查中，四年级的学生明显比一年级的学生更容易理解计算思维。这说明计算思维是在知识学习的过程中逐步培养和强化的，需要一定的知识储备做基础。但是每个人的理解程度也有区别，这与个人的认知和思维能力相关，所以要加强思维能力的提高。思维过程是知识产生的思考过程和轨迹，知识是这种思考的结果。

8、在知识学习模式上，如果仍然采用“知识呈现型”的方式，只有结果，没有来龙去脉，只知其然并不知其所以然，那么学生可能有了知识储备，但还没有思维储备。因此，在教学中，我们应该加强教学深度，在知识产生的机理、思考过程分析等方面多做研究与讨论，这将更适合计算思维的培养。1.4 关于计算思维培养空间一种思维方式的建立需要较长时间，是在潜移默化、不断强化中慢慢形成的。我们可以将新的思维方式显式地介绍给学生，但是，若期望其成为个体头脑中的一种方式、一种能力，最终还是需要将其内化，需要学生自己消化和吸收。所以在计算思维的培养上，我们应该给学生更多的时间和空间。在时间上，循序渐进，不能急于求成。确定哪些适合低年级

9、学生在学习中进行训练与强化，哪些适合高年级的学生训练与强化。在低年级阶段，特别是对于新生，若制订严格而高标准的期望目标，可能很难取得效果。在空间上，需要给学生更多的思考机会，避免教师独占整个教学过程，要激发学生去思考，这样更有利于计算思维的培养。2 加强计算思维能力培养的教学探索2.1 基于不同深度层次的计算思维培养计算思维并不完全只存在于计算机科学领域，非计算机科学领域也同样存在着计算思维的应用。学生在接触计算思维概念之前，实际上已经在某些情况下应用了计算思维。我们采用了由上至下、由浅及深的框架，根据学生不同层次，对计算思维培养做不同程度的训练。第一层，在学生没有太多专业知识储备的阶段，结合

10、学生比较熟悉的生活领域案例，阐述什么是计算思维。着重引导学生熟悉计算思维的基本概念，建立计算思维的宏观框架，形成利用计算思维解决问题的意识。第二层，在学习如离散数学、数据结构、编译原理、算法等专业基础课程阶段，结合计算机科学领域问题，引导学生用计算思维尝试思考并提出解决方案。同时，这一阶段要训练学生如何选择合适的问题模型或语言、工具描述问题，进一步深入理解转化、分解、抽象、自动化等重要计算思维方式。第三层，在广泛学习操作系统、数据库、计算机体系结构、并行处理、人工智能等若干专业课程阶段，结合计算机科学领域问题，深入理解调度、递归、并发、规划、启发式推理、近似等若干计算思维方式。第四层，引导学生

11、开阔视野，把思维方式作为对象，尝试从特征分析甚至哲学视角对计算思维进行分析、总结，挖掘计算思维在其他领域的应用。2.2 加强自主学习的比重目前，网络的发展已经使学习资源高度共享和丰富，获取途径多样。如果在课堂教学中仍然重复学生可以方便获取、可以自学理解到的东西，不仅使课堂教学失去吸引力，同时也浪费了宝贵的师生面对面交流时间。所以教师一方面要充分相信学生的自学能力，把学生能自主学习完成的部分，大胆地交给学生；同时教师对知识内容和难度进行恰当的评估，确定哪些可以由学生自主完成，哪些需要教师参与。在实际教学中我们发现，学生自学能较好掌握的主要是技能，比如较成熟的编程技术等，但是对于知识体系的整体把握

12、、知识的来龙去脉、分析问题的角度与思维方式等这些问题则欠缺。所以，在课堂上我们主要做的是这一部分工作，通过对典型计算机问题的深入分析，让学生清晰地看到从问题提出到问题解决的整个过程。课堂教学的内容可以少一些，但要深入，并且无论问题大小，从分析到解决整个过程，要尽量完整，培养学生的整体概念。在讲授操作系统课程中的进程调度部分时，我们采用了这样的教学方式：首先，给学生阐述清楚进程调度的任务，然后，布置几个问题让学生课前先考虑：你接触的计算机科学领域和非领域内还有哪些和进程调度相似的问题？有哪些调度目标？要解决哪些关键问题并由此可以设计出哪些算法？这些算法是否实现了所有目标？你又怎样处理？我们把这些

13、问题在课前布置给学生，然后在课堂上讨论学生的方案。通过这样的方式让学生理解了进程调度和其他领域或非领域调度问题本质上的相同性，由此理解思维方式的普适意义。通过对不同算法在调度目标实现上的优缺点进行讨论，理解折衷、博弈、近似等相关的计算思维方式。实践证明这种学生自学、教师引导、互动讨论的方式效果是明显的。2.3 问题驱动与宏观思维培养改变目前的“知识呈现型”教学模式，加强教学深度，注重以培养学生的思维过程为教学主要部分，建立“问题驱动型”的教学模式，由问题做导向，一步步探寻知识结论得出的思维轨迹和模式，达到计算思维训练的目的。在离散数学课程教学中，转化和分解的计算思维运用非常多。在定理证明中，启发学生通过分析欲证则需证（或1、A2、An）的思考方式，将问题不断转化和分解，直到转化和分解至可以解决的问题。问题驱动式的教学模式，与人探究世界的思维过程相符，不仅提高了学生分析问题的能力，也容易追踪思维轨迹和思维模式。另外，计算思维的提出同时是一个计算科学领域向普适思维领域的跨越，这需要学生能够适应从局部到全局的问题审视视角转换，能够在更高的一层审视问题本质，提炼问题核心。我们尝试探索一些有效的教学方式：在离散数学课程教学时，让学生自己做出课程知识体系结构图。通过这样的方式，培养学生挖掘问题内在联系的能力，建立系统化的观点。在操作系统进程调度教学部分，让学生类比大量的实例，从生活中排