思維培養(yǎng)在計算機教學體系中的定位

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摘要：針對現(xiàn)階段高校計算機課程教學體系，分析和研究了計算思維培養(yǎng)在整個計算機教學體系中應(yīng)該有的定位及其層次結(jié)構(gòu)，提出了以計算思維培養(yǎng)為核心的培養(yǎng)新模式，并以實際課程為例詳細闡述了計算思維具體的六層結(jié)構(gòu)以及存在的不足。

關(guān)鍵詞：計算思維；計算機教學體系；思維層次

一、計算思維及其培養(yǎng)

計算思維這一概念是由美國卡內(nèi)基•梅隆大學的周以真教授在2006年提出和定義的。它是指運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動的總稱[1]。在信息時代，計算的概念已不再是狹義的數(shù)字運算及演變，它與日常的萬事萬物都有聯(lián)系。抽象出來，計算就是從一個已知的符號串，按照一定的規(guī)則與方法，經(jīng)過有限步驟，最后得到滿足預(yù)先設(shè)想的符號串的一種變換過程[2]。而思維是對某個問題或事物的思考過程以及隨之產(chǎn)生的想法或見解，它是人腦對客觀現(xiàn)實直接和間接的反映，反映了事物的本質(zhì)及事物間的規(guī)律。因為大眾所使用的工具影響著大眾的思考方式和思維能力，所以，在計算無處不在的時代，計算機也影響著大眾的思維方式與內(nèi)容，計算思維成為現(xiàn)代人必須具備的思維能力。美國心理學和教育學家RobertJ.Sternberg指出：“思維教學的模式是將思維訓練融合在教學的各個環(huán)節(jié)當中，符合思維訓練與學科教育的統(tǒng)一性，即學科知識與思維能力互相促進，共同提高?！盵3]所以要將計算思維培養(yǎng)更好地融入到計算機專業(yè)教學中，就必須先明確計算思維培養(yǎng)在計算機教學體系中的定位及其本身的階段性與層次性，讓學習者在思維活動中學習，同時也學習思維本身，相輔相成，相互促進。

二、計算機教學知識體系及層次結(jié)構(gòu)

從工程學角度上講，計算學科知識體系可以分為理論、技術(shù)、工程三個層次，學科的根本問題與本質(zhì)屬性決定了這三個層次的模糊界限與關(guān)系。同樣，現(xiàn)代計算機教學知識體系的設(shè)置也遵循這樣的層次結(jié)構(gòu)，分別從計算機理論知識、計算機技術(shù)開發(fā)、計算機工程應(yīng)用這三個層次培養(yǎng)學生：理論層面主要是數(shù)理理論、邏輯理論等；技術(shù)層面主要涵蓋軟件開發(fā)、算法分析、程序設(shè)計等；工程層面主要是人機交互、機器智能、數(shù)據(jù)表示等。目前計算學科已經(jīng)是一個龐大的學科，IEEE/CS和ACM在2005年將計算學科按內(nèi)容劃分為計算機科學、信息系統(tǒng)、軟件工程、計算機工程、信息技術(shù)五個分支學科[4]，每個分支在教學側(cè)重點上略有不同。但隨著計算學科的規(guī)范和計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這三個層次已不足以完全闡述學科的層次結(jié)構(gòu)，計算工具、計算服務(wù)與計算應(yīng)用作為計算學科更細致的劃分，在整個工程層次體系中占有不可或缺的位置。雖然現(xiàn)代計算機教學體系中的課程較少涉及這三個層次，但理論、技術(shù)、工程、工具、服務(wù)、應(yīng)用這種更完整的六層結(jié)構(gòu)[5]，以理論開始，以應(yīng)用結(jié)束，更清晰地闡述了計算學科的工程層次結(jié)構(gòu)，這一層次鏈條上每一個環(huán)節(jié)都涵蓋計算思維的內(nèi)容，相互獨立又彼此聯(lián)系，是設(shè)置思維訓練課程必須考慮的。

三、計算思維的定位與作用

計算思維培養(yǎng)在大學計算機教育體系中的定位，關(guān)系到整個計算學科的教育進程及思維方式的變革。在目前國內(nèi)計算機教學體系中，計算思維培養(yǎng)才剛剛起步，它的課程設(shè)置多種多樣，定位也很不明確。實際上，思維培養(yǎng)是一個長期的認知過程，思維培養(yǎng)應(yīng)該是貫穿于整個學習過程的一個長期行為，不能只在教學體系的最初或者最后開設(shè)一兩門普及課程進行講解就以為足夠了。這里說的計算思維培養(yǎng)是涵蓋計算學科五個方向六個層次，從頭到尾貫穿計算機整個知識體系，以計算機導(dǎo)論為基礎(chǔ)和接入點，以思維培養(yǎng)為最終目的的漸進式課程設(shè)置?，F(xiàn)階段，將計算思維能力培養(yǎng)融入課程中的方法很多，浙江大學何欽銘教授歸納了典型的三種[6]：（1）方法推動式。課程內(nèi)容保持原樣，不做大的調(diào)整。通過改進教學方法來引導(dǎo)學生體會知識背后所蘊含的計算思維規(guī)律和特點。（2）內(nèi)容重組式。課程的知識點沒有大的變換，但需以計算思維為主軸重新組織內(nèi)容，在課程形式與結(jié)構(gòu)上有大幅度的調(diào)整。（3）全面更新式?；緬侀_原有的教學體系，對學科知識點進行大幅度更新，加大和突出與思維訓練相關(guān)的主題與內(nèi)容。當然，具體的教學方法要與高校實際教學情況與學生接受程度相吻合，循序漸進，有針對性地將思維培養(yǎng)融入到教學當中?？偟膩碚f，計算思維培養(yǎng)在計算機教學體系中的定位應(yīng)該是以思維培養(yǎng)為目標，全面覆蓋計算機學科知識體系中各個分支內(nèi)容，以分層次教學為主要形式的創(chuàng)新型計算機思維培養(yǎng)模式。

四、計算思維的教學層次分析

我國高校對于計算思維教學大多數(shù)都還處于研究階段，少數(shù)高校以選修課的形式進行介紹與培養(yǎng)，幾乎沒有國內(nèi)高校進行專業(yè)研究及專業(yè)課程培養(yǎng)。這與高校計算機教育的培養(yǎng)目標有關(guān)，也與學生素質(zhì)與需求等實際情況有關(guān)。以本校重慶理工大學為例，教研團隊開設(shè)了《計算思維與計算文化》選修課，主要進行計算思維的介紹與培養(yǎng)。課程針對的主要人群是大量的非計算機專業(yè)學生及少部分專業(yè)學生，屬于通識類的思維啟發(fā)課程。經(jīng)過教學實踐，效果良好，但也有很多問題與不足，尤其對于整個計算學科來說，它不應(yīng)該僅僅只局限于非專業(yè)學生的通識普及，更應(yīng)該讓計算思維優(yōu)勢在專業(yè)學生中產(chǎn)生作用與影響，促進計算機教學知識體系的完善與突破。對于計算機專業(yè)的學生而言，計算思維培養(yǎng)理應(yīng)作為必修課貫穿于整個教學體系當中，并且其培養(yǎng)應(yīng)該與專業(yè)知識體系及層次相一致，進行層次化的計算思維培養(yǎng)。從學科內(nèi)容和層次來看，計算學科至少包含五個方向：計算機科學、信息系統(tǒng)、軟件工程、計算機工程、信息技術(shù)，以及六個層次：理論、技術(shù)、工程、工具、服務(wù)和應(yīng)用。在方向內(nèi)容大同小異的前提下，計算思維在這個層次結(jié)構(gòu)中應(yīng)該形成與它自身相對應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)，即：計算理論思維、計算技術(shù)思維、計算工程思維、計算工具思維、計算服務(wù)思維和計算應(yīng)用思維。為了更清晰地闡述計算思維的層次結(jié)構(gòu)，以課程《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計》為例，它作為一門綜合性課程，應(yīng)包含程序設(shè)計理論、程序設(shè)計技術(shù)、程序設(shè)計工程、程序設(shè)計工具、程序設(shè)計服務(wù)、程序設(shè)計的應(yīng)用這六個層次。程序設(shè)計理論包括結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想等理論知識；程序設(shè)計技術(shù)包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計等開發(fā)技術(shù)；程序設(shè)計工程包括軟件工程、測試與調(diào)試等相關(guān)內(nèi)容；程序設(shè)計工具包括C++、JAVA等各種高級語言及編譯環(huán)境；程序設(shè)計服務(wù)包含WebService、MobileService等內(nèi)容；程序設(shè)計應(yīng)用則包含眾多的應(yīng)用領(lǐng)域，如管理信息系統(tǒng)、計算機游戲和Web應(yīng)用等。因此，對于學生來說，思維層次也應(yīng)相應(yīng)地具有程序設(shè)計理論思維、程序設(shè)計技術(shù)思維、程序設(shè)計工程思維、程序設(shè)計工具思維、程序設(shè)計服務(wù)思維和程序設(shè)計應(yīng)用思維[7]。在教學過程中，每一層次的思維培養(yǎng)都能幫助學習者更好地熟悉和理解程序設(shè)計，反過來程序設(shè)計所體現(xiàn)的計算方法與思想也為學習者計算思維的培養(yǎng)提供了依據(jù)與養(yǎng)分。

五、結(jié)束語

思維發(fā)展水平是學生成才的關(guān)鍵，計算思維讓學習者像計算機專家一樣去思考和解決問題，它理應(yīng)在計算機教學體系中占據(jù)越來越重要的位置。學習和思維不是彼此獨立的，計算機教育不應(yīng)僅僅停留在專業(yè)技術(shù)的學習上，怎樣把思維培養(yǎng)更好地融入專業(yè)教學中，怎樣以一個更系統(tǒng)的更清晰的層次結(jié)構(gòu)來進行思維培養(yǎng)，還有很多工作要做。

作者：周宏 單位：重慶理工大學