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文档简介

1、 计算机问题求解与计算思维能力培养 :1672-5913(2014)01-0018-02 G642邓辉文,熊海灵(西南大学 计算机与信息科学学院,重庆 400715)Reference:从计算思维的角度,对计算机问题求解课程设置的学科背景和现实背景、内容建设、教学模式、课堂讨论与过程监督等方面进行分析,同时对该课程在内容设置及教学方面提出建议。Keys:计算思维;计算机问题求解;系统化第一作者简介:邓辉文, 男, 教授,研究方向为现代逻辑、智能计算和复杂系统,。1 计算思维与计算机问题求解近半个多世纪来,计算学科得到了蓬勃发展1,它已经渗透到人们生活的各个方面以及各个学科领域。一方面, 当代人

2、们以各种形式和方法生活在计算的世界中;另一方面, 生物学、脑科学、化学、物理、地质学、工程学(电子、土木、机械、航空航天等)、经济学、社会科学、医疗、娱乐、艺术、体育、教育等学科领域都用到了计算学科知识和方法。2006年, 周以真教授较系统地分析和总结了前人对计算学科的研究成果, 站在思维科学的高度, 像数学思维、物理思维、生物思维和历史思维一样,将计算学科特有的思维方式称为计算思维(Computational Thinking), 并给出了计算思维的定义: 计算思维是运用计算学科的有关概念求解问题、设计系统及理解人类行为,它选择合适的方式陈述问题、建立数学模型并用有效的方法实现问题求解2。周

3、以真教授还在文献3中对计算思维进行了更为详细的阐述,并给出了计算思维的本质特征:抽象(Abstraction)和自动化(Automation)。当今,培养复合型创新人才是高等教育的重要任务, 其中的一个重要内容,就是培养学生的计算思维,让他们在学习的过程中潜移默化地养成这一新的思维方式。而这一思维方式便是运用计算机科学的基础概念,求解问题、设计系统、理解行为46。由上可知,计算思维在社会、经济、科学和技术等领域非常重要。作为教育工作者,培养创新型人才需要对其渗透计算思维思想。 2 计算机问题求解课程由于社会需要的复合型创新人才需要具备计算思维能力,在高等院校计算机专业系统地开设能渗透计算思维思

4、想的有关课程势在必行。为了引导高校教师致力于计算机课程教学内容的更新与改革,促进计算机教育内涵式发展,2013年暑期,中国计算机学会(CCF)在北京举办了“CCF计算机课程改革导教班”。导教班上,南京大学计算机专业介绍了先进经验,他们在分析现有计算机专业课程体系结构的基础上,大胆改革,重组了计算(机)导论、离散数学、数据结构、算法设计与分析以及程序设计语言等课程内容,在计算机专业开设了计算机问题求解课程。学习期间,通过“改革先行者”的深度示范和研讨活动,进一步启发了笔者对计算机教育改革的思考。1)设置计算机问题求解课程的现实背景。由前面的分析知道,站在思维科学的角度,培养学生的计算思维能力,设

5、置计算机问题求解课程非常必要。以前的教师和学生或多或少地也在训练和使用计算思维,但教师和学生只是潜移默化地在进行计算思维的训练。在课程设置上,一方面,几十年来计算机知识框架体系基本上没有改变,与越来越多的社会需求不一致7,另一方面也存在着理论课与实践课脱节的问题8。 在分析计算机专业学生学习现状的基础上,为了解决这个问题,文献8建议并已经实践开设4个论域(学期)的计算机问题求解课程,以更好地培养学生计算思维能力。 2)计算机问题求解课程的内容建设。计算机问题求解课程将计算(机)导论、离散数学、数据结构、算法设计与分析以及程序设计语言进行了彻底重组。将计算机问题求解课程内容分为4个论域, 分别是

6、计算入门与数学证明、经典数据结构与算法、典型应用问题与求解方法以及复杂性理论与“难”问题的算法,每个论域的详细内容参见文献9。每个论域分为18个论题,可作为一个学期教学内容,相对独立。通过这些内容的学习,让学生知道:计算机为什么能帮助我们解题,我们需要学习什么样的数学知识,如何组织数据结构和构造计算机算法以适合计算机解题需要等。3)计算机问题求解课程的教学模式。正如文献810所述,计算机问题求解课程采用16字教学模式:自我探索、深度引导、理论严密、训练充分。自我探索:要求学生课前阅读指定的教材,按照教师规定的学习进度和学习要求,自主学习而不是传统意义上的预习,这样可以引领学生主动探索,避免被动

7、听课。深度引导:教师在课堂上通过与学生互动,仅对重点内容采用问题驱动进行深度引导,避免教师讲得太多导致“满堂灌”。在今年陈道蓄老师的示范课中,一堂课采用的PPT也只有那么几张。理论严密:对于计算机解题涉及的数学知识有严密的数学定义、理论推导等,在一定程度上加强了离散数学内容教学,不仅让学生知道如何做,而且让学生思考这样做的理论根据,可以最大限度地培养学生思考问题的能力。训练充分:要求学生完成一定量的偏理论的书面作业以及一定量的偏实践的上机程序设计,派专人进行上机辅导,加强了实践环节,锻炼了学生动手编程能力。这样,一方面避免了理论课上枯燥的概念学习,另一方面让学生看到了学习这些课程的作用。由于针

8、对具体的离散对象,加强了数学建模思维的训练,特别是形式化方面的联系,能较好地培养学生的抽象能力,特别是抽象到能让计算机进行问题求解,充分体现了计算思维的本质特征之一,即抽象性。在抽象的基础之上,按算法理论对问题进行算法设计和分析,考虑数据在计算机中的存储结构,还要进行编程实现,充分体现了计算思维的另一本质特征,即自动化。4)计算机问题求解课程的课堂讨论与过程监督。南京大学计算机专业开设的计算机问题求解课程,还安排有专人负责组织学生课堂讨论1112和对课程教学过程进行监督10,通过这些措施, 可保证计算机问题求解课程的有效进行。在南京大学计算机专业“教育部基础学科拔尖人才培养计划班”两年多的计算

9、机问题求解课程教学实践中,课程内容满足了教学目标要求,绝大多数学生是很有兴趣的。在南京大学计算机专业老师的帮助下,西南大学软件工程专业“国际IT精英班”也尝试开设计算机问题求解课程。3 对计算机问题求解课程的几点建议由于对计算机问题求解课程特有的兴趣,笔者提出以下几点不成熟的建议。(1)由于社会对计算机专业人才需求提高,生活、工作中实际遇到的问题很多,作为计算机问题求解课程,除知道计算学科可以解决的问题类型外,建议还要精心选择能体现计算思维的典型问题。这些问题不但具有时代气息,学生还要感兴趣,最好是生物、物理、经济、社会等多学科中经常会遇到的例子, 因为在这些学科中也会运用到计算思维。(2)对

10、论域一(第一学期)的教学内容“计算入门与数学证明”的教学难度进一步思考, 若内容偏简单,就达不到目的;若内容偏难,就与后面学期要学的内容重叠,使学生失去学习兴趣。(3)除计算机导论内容存在争议外,如何在计算机问题求解课程中加强内容的系统性教学也值得特别关注。比如,离散数学本身自成体系,但各部分内容已具有较强的系统性:集合、关系、逻辑、图论、数论和组合计数等。数据结构、算法设计与分析、程序设计语言等也是这样。(4)虽然在程序设计语言方面加强了对学生的上机辅导,正如前面所说,由于未能系统学习程序设计语言课程,编程思维未能严格训练,也许会对今后进一步要学习的汇编语言、计算机组成与体系结构、操作系统、

11、网络程序设计造成影响。因为系统学习一门程序设计语言,如C程序设计,对于计算机系统的理解是很有帮助的。(5)进行计算机问题求解课程的学习和教学对师生都有较高要求。对学生自主学习、主动探索的要求较高,教师要熟练掌握计算(机)导论、离散数学、数据结构、算法设计与分析和程序设计语言等课程。若能将4个学期的课程作出一定的切割,编写出相应教材,就会更好。(6)计算机问题求解如何与硬件课程,如计算机系统建立有机联系值得进一步思考。计算机问题求解离不开硬件平台,计算机如何求解问题是一个与硬件课程密切相关的事情。Reference:1Denning P J. Computing as a discipline

12、J. Communications of ACM, 1989, 32(1): 63-70.2Wing J M. Computational thinking J. Communications of ACM, 2006, 49(3): 33-35.3Wing J M. Computational thinking and thinking about computing J. Phil.Trans.R.Soc.A., 2008, 366(1881): 3717-3725.4David L , Alex P , Lada A , et al. Computational social sciue

13、nceJ. Science, 2009(323): 721-723.5Karp R M. Understanding science through the computational lensJ.Journal of Computer Science and Technology, 2011, 26(4): 569-577.6何钦铭, 陆汉权, 冯博琴. 计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养J. 中国大学教学, 2010(9): 5-9.7陈道蓄. 社会需求与计算机专业的学科建设J. 计算机教育, 2006(2): 8-9.8陈道蓄, 陶先平. 重组计算机专业基础课程 促进学生能力培养J. 计算机教育, 2012(23): 2-5. 9陈道蓄, 陶先平. 计算机问题求解课程的内容建设J. 计算机教育, 201

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