在大学计算机基础课程教学中培养计算思维能力的研究

朱正国

（攀枝花学院数学与计算机学院，攀枝花　617000）

在大学计算机基础课程教学中培养计算思维能力的研究

朱正国

（攀枝花学院数学与计算机学院，攀枝花617000）

0　引言

2006年3月，时任美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授在美国计算机权威期刊Communications of the ACM上发表了Computational Thinking（计算思维）一文，首次给出了计算思维的定义，2010 年11月陈国良院士在第六届大学计算机课程报告论坛上所做的报告中第一次正式提出了将 “计算思维能力培养”作为计算机基础课程教学改革切入点的倡议。在国内从事计算机基础教学的专家和学者开始重视培养计算思维在计算机基础教学中的重要作用。

1　开设大学计算机基础课程的必要性

计算机基础教学是大学通识教育重要的组成部分，大学计算机基础教学是为非计算机专业学生提供的计算机知识、能力与素质方面的教育，其中的教学的目标是：培养能力和面向应用，即使学生掌握计算机、网络及其他相关信息技术的基本知识，培养学生利用计算机分析问题、解决问题的意识与能力，提高学生的计算机素质，能够善于应用现代信息技术和环境解决专业领域中的问题。我国把计算机定位为基础课程，像数学和物理那样成为人类学习知识和应用知识的基本组成和基本技能。

2　计算机基础教学目前的现状

目前计算机基础教学最主要的是培养学生学会使用计算机，把计算机基础仅仅是作为一门工具，但是学生没有学到计算机精髓，学生只知道使用，没有培养学生对计算机领域科学探索的兴趣。

很多学校开设大学计算机基础这门课程，就是为应付计算机等级考试，考试考什么就讲什么，把考试过级率作为评价教学效果的重要的依据。学生知道怎么样去应付考试，但是很多学生拿到具体的问题就无从下手了。

目前所采用的教学方法，学生普遍表现学习积极性不高，没有一种像学习数学那样发现问题解决问题的精神。上课氛围沉闷，回答问题积极性不高。

计算机基础教学更加重视培养学生对软件的使用，学生掌握使用软件的方法和技能，却忽略了把思想教给学生，应该在计算机基础教学过程中重视计算思维的作用，从掌握方法和技能上升到培养学生的计算思维能力。

3　计算思维的内涵

周以真教授认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它包括了涵盖计算机科学广度的一系列思维活动。计算思维代表着一种普遍的认识和一类普适的技能，每一个人，不仅仅是计算机科学家，都应热心于它的学习和运用。通过分析我们可以发现它的深刻的内涵。

计算思维是人类科学思维活动重要组成部分，计算思维将会像数学和物理那样成为人类学习知识和应用知识的基本组成部分和基本技能，必将渗透到我们每个人生活中，我们利用启发式推理来寻求问题的解答，作为认识世界和理解世界的重要基本工具。计算机基础教学应贴近现实生活，这样在从事教学过程中，我们无意识地运用计算思维解决问题，培养学生运用计算思维去解决现实生活中的问题。

计算思维应融入到每个专业，不只是计算机专业，让学生刚进入大学接触计算方法和模型，激起学生对计算机领域科学探索的兴趣，把学习作为一种学习兴趣。每个专业和领域都需要发现问题、解决问题，计算思维就是用来培养学生理解和解决现实中的问题。

计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，是计算机技术在具体现实中的应用。例如：现在我们可以利用网站购买火车票；医院的挂号窗口可以用医院的系统来实现挂号和交费，这些都是计算思维解决问题的目的。

4　计算思维在大学计算机基础课程中的培养

（1）计算机的发展阶段是计算思维内容的拓展，是计算思维作用的体现

（2）微型计算机的发展是根据微处理器的字长和功能划分的，是计算思维应用具体实现；

（3）计算机的特点和类型都是与计算相关的思维活动；

（4）计算机的应用领域已经应用到人类生活、生产及科学研究的各个领域中，如科学计算、信息处理、办公自动化、生产自动化、人工智能等各个领域，这些都是计算思维活动的体现；

（5）计算机系统的组成，就像人身体的组成一样，是计算思维决定了计算机的组成各个部件；

（6）计算机的工作原理，用计算思维的方式确定了解决问题的方法，冯·诺依曼体系结构的现代计算机设计的一个最基本的思想是“存储程序”的原理；

（7）使用Windows和Office，是计算思维活动的体现。

在大学计算机基础课程中无处不存在着计算思维应用案例。

程序设计是计算思维的重要体现。程序是由算法和数据结构构成的，算法是操作的描述，数据结构是对数据的描述，而在实际应用中，我们还需要程序设计方法和语言工具及开发环境。算法是为解决一个问题而采取的方法和步骤，算法是用计算思维来解决问题对的，是计算思维的体现。每个程序的设计都需要大量的算法，这些无非都是计算思维活动的体现。无论是面向过程程序设计还是面向对象程序设计都是计算思维。

5　计算思维在大学计算机基础课程中的实施策略

为了提高计算机基础教学的质量，全国大部分高校都在进行计算机基础教学的改革，而培养学生的计算思维是大学计算机基础教学改革的重要方法。培养学生的计算思维，重要的是在课程中逐步引入计算思维，先前的教学过程隐含了计算思维的方式，是潜移默化的使用了计算思维，但是没有明显地直接提出来，现在我们在大学计算机基础课程中显示地增加计算思维的相关知识，不是改变以往所讲的知识点，而是把计算思维与所讲的课程内容结合起来，提高学生学习的积极性，激励学生探索计算机科学领域的兴趣。

学校可以单独开设计算思维这门课程，大一新生刚入校就学习这门课程，把计算思维作为一门基础课程，是学生今后学习的一门基础课程。主要介绍计算、计算科学，以及计算机历史、计算机应用和计算机发展趋势；计算系统的基本思维，通过冯·诺依曼计 算机、现代计算机和不同抽象层次计算机的介绍，试图使读者能够递进地理解计算系统；问题求解框架，通过算法类问题和系统类问题的求解过程的介绍，试图使读者能够理解社会问题、自然问题求解的两种手段；算法与复杂性，通过几个精选的典型算法类问题的讨论与探索，试图使读者能够建立起算法的思维方式与基本研究算法；数据抽象、设计与挖掘，通过对数据相关技术的讨论与探索，试图使读者能够建立起以数据的获取、管理、分析与挖掘利用的思维方式，进而深入理解计算科学的基本研究方法—抽象、理论与设计；计算机网络、信息网络和网络化社会，通过对技术网络、信息网络及形形色色的网络的讨论与探索，试图使读者建立起网络话的思维方式，并理解网络化环境的基本研究方法。

以往的计算机基础教材都是先讲计算机基础知识，再讲Windows和MS Office操作，这种计算机和具体软件应用方面的学习固然重要，但是如果没有计算思维，那么你只是学会了操作这个软件，如果你领会了计算思维，这些软件就可以融会贯通，即使今后软件更新，但是实质没有发生变化。未来的软件更新速度非常快，样式变化也非常大，面对未来巨大的变化，所以只有学会计算思维才学会了本质。实际上无论是理论知识还是操作部分都有计算思维，我们可以在计算机基础知识这里面增加计算思维相关的知识，向学生介绍科学与科学思维的内涵、计算思维的内涵与概念、计算思维的特征，在讲授计算机基础知识的同时显示的提出各个知识点是怎么样体现计算思维的。在操作部分，讲授计算思维的具体应用。

（1）用案例教学方法来体现计算思维

在授课的过程中，采用案例教学法能够把现实生活中的案例呈现给学生，案例教学方法不同于传统的教学方法，传统的教学方法是以教师为中心先讲述书本上的理论知识，然后讲解书上的例题，接下来让学生做教学指导书的上的习题。而案例教学方法在课堂教学过程中不先讲理论，而是先给学生们展示一个现实生活中的案例，这个案例里面包含了本次课要讲解的知识点，让学生从现实的实际案例出发，最后让学生从感性认识上升到理性认识，而这些案例中就充满了计算思维，通过现实生活中的案例来体现计算机思维。

（2）在各章知识点中引入计算思维

①计算机的发展阶段是计算思维内容的拓展，用计算思维的思想来讲解计算机的发展；

②微型计算机的发展是根据微处理器的字长和功能划分的，从计算思维的角度讲解微型计算机的发展；

③在讲解计算机的特点和类型时引入计算思维；

④计算机的应用领域已经应用到人类生活、生产及科学研究的各个领域中，如科学计算、信息处理、办公自动化、生产自动化、人工智能等各个领域，讲解计算思维是如何体现在这些应用当中的；

⑤计算机系统的组成，把计算机的组成形象地比喻成了人身体组成部分，用计算思维讲解如何决定了计算机的组成各个部件；

⑥计算机的工作原理，如何用计算思维的方式确定了解决问题的方法，冯·诺依曼体系结构的现代计算机设计的一个最基本的思想是“存储程序”的原理；

⑦使用Windows和Office，是如何进行计算思维活动的。

（3）用计算思维解决问题

①避免单纯的介绍知识，在讲解知识的过程中引入了大量的概念、定义，但是没有深入阐释期出现的背景和动机，使初学者掉入概念与术语的海洋中。“知识、术语”随着“思维”的讲解而介绍，“思维”随着“知识”的贯通而形成，能力随着思维的解释而提高。

②从问题分析入手，强化如何进行抽象，如何将现实问题抽象为一个数学问题或者一个形式化问题，提高问题表述及问题求解的严谨性。

③以图示化的方法来展现复杂的思维，尽量通过规模较小的问题求解示例来展示复杂的问题的求解。

④要有一定的深度，这种深度不是追求理论与数学，而是追求“问题”及问题的讨论。通过逐步地提出问题，引导学生从一个较浅的理解层次过度到较深如的理解层次。

6　结语

本文首先介绍了大学计算机基础这门课程的重要性，但是目前这门课授过程中忽略了学生计算思维，通过对计算思维内涵的讲述，我们可以发现培养大学生计算思维是非常重要的，要改变过去枯燥的讲解理论的教学方法，学生只有领会了计算思维，才能真正掌握所学过的知识，在讲授大学计算机基础这门课程过程中，要给学生显示的引入计算思维。实践表明，在大学计算机基础课程中引入计算思维符合学生学习认识的规律，使学生从感性认识上升到理性认识，能充分调动学生学习的积极性和激发学生学习兴趣，提高了学生的分析问题、解决问题的能力，提高了学生的动手能力，使教学不再局限于书本，扩大了学生的学习的视野。培养学生计算思维为推进大学计算机基础教学的改革提供了依据。

［1］陈国良，董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育［J］.中国大学教学，2011（1）:7-11.

［2］龚沛曾，杨志强.大学计算机基础教学中的计算思维培养［J］.中国大学教学，2012（5）:51-54.

［3］占德臣，聂兰顺.大学计算机-计算思维导论［M］.北京：电子工业出版社，2013.

College Computer Basis；Computational Thinking

Research on Fostering of the Computational Thinking Ability in Computer Basis Course Teaching of University

ZHU Zheng-guo

（College of mathematics and Computer of Panzhihua University,Panzhihua 617000）

1007-1423（2015）32-0067-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.32.016

朱正国（1980-），男，吉林桦甸人，硕士研究生，讲师，研究方向为数据库、计算机网络等

2015-09-01

2015-11-01

阐述大学计算机基础课程的重要性，探讨目前教学中存在的问题。分析计算思维对当代大学生学习的重要性，指出目前计算机思维在教学中的所处的现状，提出计算思维在大学计算机基础课程教学中的实施方案。

大学计算机基础；计算思维

攀枝花学院校级教研教改项目（No.JJ1422）、四川省高校计算机基础教育研究会2014-2016年教育教学改革研究课题（2014-06）

This paper states the importance of the college computer basic course and the problem exiting in the class firstly.And it then analyses the importance of computational thinking for present-day college students.It points out what is comptational thinking at present and puts forward the implementation plan for the computatinal thinking ability in the college computer basic course.