試論計算機思維培養(yǎng)與大學(xué)生的相關(guān)論文(2)
試論計算機思維培養(yǎng)與大學(xué)生的相關(guān)論文
試論計算機思維培養(yǎng)與大學(xué)生的相關(guān)論文篇二
《面向計算思維培養(yǎng)的大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)》
摘要：針對大學(xué)計算機課程的教學(xué)特點，探討以計算思維為核心內(nèi)容的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，提出“分類培養(yǎng)、專業(yè)融合”的理論教學(xué)方法和“兩個階段培養(yǎng)”的實驗教學(xué)方法，指出該教學(xué)改革能有效提高計算機基礎(chǔ)教學(xué)效果、使學(xué)生在獲得專業(yè)知識與技能過程中，訓(xùn)練和培養(yǎng)計算思維能力，
關(guān)鍵詞：計算思維;大學(xué)計算機基礎(chǔ);教學(xué)改革
1.計算思維是改變大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程現(xiàn)狀的核心推力
計算思維(Computational Thinking)是美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計算機系周以真教授提出的概念，其定義為“運用計算機科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，包括了涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動”。計算思維反映了計算機技術(shù)本質(zhì)特征和解決問題的核心方法，能夠提升非計算機專業(yè)學(xué)生的計算素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生用計算機處理和解決領(lǐng)域問題時的思維方法和表達形式，對學(xué)生有深遠影響。2010年陳國良院士提出將“計算思維能力培養(yǎng)”作為計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)改革切入點的倡議，2012年7月，教指委在西安舉辦了“第一屆計算思維與大學(xué)計算機課程教學(xué)改革研討會”。2013年7月“第二屆計算思維與大學(xué)計算機課程教學(xué)改革研討會”在成都召開。這些都表明，增強計算思維能力的培養(yǎng)已成為非計算機專業(yè)計算機課程教學(xué)改革的重要方向。
大學(xué)計算機基礎(chǔ)是大學(xué)本科的公共基礎(chǔ)課程，通常作為大學(xué)第一學(xué)期的課程。當(dāng)前，在該課程教學(xué)過程中存在一些問題，已經(jīng)引起廣泛關(guān)注：首先，多數(shù)教學(xué)內(nèi)容是計算機專業(yè)知識的濃縮，缺乏主線，顯得多而雜;其次，實踐環(huán)節(jié)側(cè)重軟件工具使用，由于不少學(xué)生在高中階段已經(jīng)掌握這些工具的使用，導(dǎo)致其失去對該課程的學(xué)習(xí)興趣。不少專業(yè)教師和教育管理者已經(jīng)針對課程教學(xué)中存在的問題進行了有益探索與實踐，例如，面向多類專業(yè)不同計算機基礎(chǔ)的學(xué)生，組織了分類教學(xué)，收到一定效果，但沒有從根本上改變課程現(xiàn)狀。而以計算思維教育與訓(xùn)練為核心實施大學(xué)計算機基礎(chǔ)的改革與創(chuàng)新，能從根本上改變該課程的現(xiàn)狀，并有效提升教學(xué)質(zhì)量與效果。
2.大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)過程體現(xiàn)計算思維培養(yǎng)
2.1亟待解決的問題
課程的改革目標(biāo)是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機核心知識和掌握應(yīng)用工具的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)運用高效的思維去思考，將無意識的計算思維教學(xué)理念提升到有意識、系統(tǒng)性的計算思維教學(xué)。力求從根本上扭轉(zhuǎn)目前大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程所面臨的教學(xué)困境。針對以上目標(biāo)，需要以計算思維為核心重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，并通過合適的教學(xué)實踐手段和方法使得這些重構(gòu)的內(nèi)容能夠被學(xué)生接受和理解。通過分析，提煉出要解決的具體問題如下：
1)在有限課時內(nèi)需要培養(yǎng)學(xué)生哪些具體計算思維要素。
我們的目標(biāo)是傳授給學(xué)生基本的計算機核心知識，但是計算機科學(xué)作為一門學(xué)科包含了復(fù)雜的知識體系，并在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新，需要確定哪些知識點能夠被定義為該課程教授的核心內(nèi)容。
2)如何在學(xué)生尚未掌握任何一門編程語言的情況下實踐所學(xué)計算思維內(nèi)容。
大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程所面臨的是大學(xué)一年級學(xué)生，除個別學(xué)生在入校之前有過編程經(jīng)驗，學(xué)生普遍沒有編程基礎(chǔ)。如何在缺乏編程實踐的前提下讓學(xué)生掌握計算思維是決定最終教學(xué)效果的關(guān)鍵問題。
3)面向不同基礎(chǔ)和專業(yè)的學(xué)生如何體現(xiàn)不同的計算思維的教育和訓(xùn)練內(nèi)容。
2.2分類教學(xué)、專業(yè)融合的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計
西北工業(yè)大學(xué)是一所以發(fā)展航空、航天、航海工程教育和科學(xué)研究為特色，以工、理為主，管、文、經(jīng)、法協(xié)調(diào)發(fā)展的研究型、多學(xué)科性和開放式大學(xué)。不同專業(yè)對學(xué)生的計算機知識的要求不同，存在較大差異。相同專業(yè)學(xué)生之間的計算機知識也有較大差距，在這種情況下采用分類教學(xué)是必要的。例如在程序設(shè)計課程中按照文、理科進行分類實踐教學(xué)，取得了良好的成效，積累了經(jīng)驗，但是在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中尚未實施。此次以計算思維培養(yǎng)為核心的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)改革在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上除按照文、理分類外，還考慮到特殊方向和專業(yè)學(xué)生群體的較高計算機教育的需求，將教學(xué)內(nèi)容分為4個方向：(1)面向理工類專業(yè)學(xué)生;(2)面向文管類專業(yè)學(xué)生;(3)面向國際班學(xué)生全英文計算機教學(xué);(4)面向教育實驗學(xué)院卓越班。
西北工業(yè)大學(xué)作為理工科重點院校，大多數(shù)學(xué)生都歸類于方向(1)，以2013年數(shù)據(jù)為例，方向(1)約占62%，方向(2)約占17%，方向(3)約占4%，方向(4)約占17%。在確定每個方向?qū)W生教學(xué)內(nèi)容時，遵循“兩個融合”的原則，將計算機基礎(chǔ)教育與計算思維培養(yǎng)融合，構(gòu)建以計算思維能力培養(yǎng)為主線的非計算機專業(yè)通識教育;將計算機基礎(chǔ)知識與學(xué)生的專業(yè)技術(shù)融合，在進行計算機思維培養(yǎng)教學(xué)內(nèi)容選擇時，注重計算機基礎(chǔ)知識與學(xué)生專業(yè)方向的融合度。“兩個融合”的具體內(nèi)容包括：
(1)計算思維培養(yǎng)融合，是指將計算機科學(xué)中最具有基礎(chǔ)性和長期性的計算思想教授給學(xué)生，側(cè)重使非計算機專業(yè)學(xué)生能夠領(lǐng)略計算的核心方法，學(xué)會如何把問題轉(zhuǎn)化成能夠用計算機解決的形式，培養(yǎng)學(xué)生從本質(zhì)和全局來建立解決問題的思路，為其今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和應(yīng)用計算技術(shù)打下堅實基礎(chǔ)。
(2)專業(yè)技術(shù)融合，是指根據(jù)學(xué)生專業(yè)特點和需求，在計算思維培養(yǎng)融合的基礎(chǔ)上，動態(tài)選擇課程內(nèi)容，形成可定制教學(xué)模塊，實施分類分層教學(xué)。
“兩個融合”原則體現(xiàn)了具有鮮明特色的非計算機專業(yè)大學(xué)計算機教學(xué)方案，形成了縱向分類、橫向分層的教學(xué)內(nèi)容。每個方向內(nèi)容由基本理論知識層、計算思維融合層、專業(yè)融合層組成。以面向理工類專業(yè)學(xué)生的方向(1)為例說明各層的含義，如圖1所示。
1)基本理論知識層。
該層屬于計算機基本知識內(nèi)容，包括基本概念和基本計算思維模塊，在介紹計算機軟、硬件的歷史和未來發(fā)展趨勢過程中貫徹計算機基本知識，包括二進制、馮・諾依曼計算機、圖靈機、計算復(fù)雜性等計算機重要基礎(chǔ)概念等。這部分內(nèi)容比較近似于之前課程中計算機基本知識部分，但我們在教學(xué)改革中對其內(nèi)容重新組織，從計算機重要的“分層”和“抽象”概念出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)這部分知識，力圖讓學(xué)生領(lǐng)略到這些技術(shù)背后的基本計算思維內(nèi)涵。通過學(xué)習(xí)計算機發(fā)展歷史，讓學(xué)生對整個計算科學(xué)發(fā)展有全局了解。 2)計算思維層。
包括問題求解方法和算法模塊，學(xué)生在學(xué)習(xí)了計算機重要基礎(chǔ)知識后，開始深入學(xué)習(xí)計算系統(tǒng)底層具體思維和運行機制。這部分從系統(tǒng)和算法角度讓學(xué)生學(xué)習(xí)計算機解決問題的方法，包括求解框架、典型案例的計算算法、具體思維過程和實現(xiàn)方法等，讓學(xué)生在計算思維較高層次討論計算機學(xué)科的根本問題和思維方式，深入了解計算機的工作和運行機理。這一部分內(nèi)容體現(xiàn)了本課程的計算思維培養(yǎng)目標(biāo)。
3)專業(yè)融合層。
最高層的專業(yè)融合層完成融合專業(yè)知識、提升學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)中應(yīng)用計算思維的能力的任務(wù)。該部分從數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)計算角度，讓學(xué)生領(lǐng)略到計算機目前最廣泛的應(yīng)用模式，從而在自己的專業(yè)領(lǐng)域加以運用。這部分模塊屬于變化較大的模塊，目前仍然需要開發(fā)和擴充大量與其他專業(yè)更為緊密相關(guān)的案例和應(yīng)用模式。
按照圖1所示，不同類別學(xué)生在基本理論知識層內(nèi)容是相同的，在第2層上，教育實驗學(xué)院學(xué)生所學(xué)的算法和系統(tǒng)內(nèi)容更為深化和多樣，實現(xiàn)了差異化教學(xué)。在專業(yè)融合層，為理工類和文管類不同專業(yè)特色的學(xué)生設(shè)計了不同模塊內(nèi)容。理工類學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理和計算網(wǎng)絡(luò)知識，而文管類學(xué)生側(cè)重學(xué)習(xí)用計算機處理數(shù)據(jù)和利用計算知識研究社會關(guān)系等。
2.3兩階段培養(yǎng)、可視化計算思維實踐的實驗環(huán)節(jié)
一直以來，實驗教學(xué)通常是理論教學(xué)的輔助，和理論教學(xué)在章節(jié)內(nèi)容上是對應(yīng)的。但在我們的教學(xué)改革中將實驗課程和理論課程定位為“互補關(guān)系”，實驗課程具有相對獨立性，在內(nèi)容中體現(xiàn)“兩階段培養(yǎng)”的實驗教學(xué)理念。第一階段實驗為計算機基礎(chǔ)知識實踐，包括Windows的使用、常用工具軟件的使用、常見網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等。此階段目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生對計算機基本操作技能和常用工具軟件的掌握;第二階段實驗是關(guān)于計算思維的實驗。這部分內(nèi)容要求學(xué)生依據(jù)具體應(yīng)用問題設(shè)計程序，實現(xiàn)典型算法。兩階段培養(yǎng)中的第一階段目標(biāo)就是要學(xué)生熟練掌握工作和學(xué)習(xí)中常用的工具類軟件，為以后的學(xué)習(xí)和科研打下基礎(chǔ)。
針對在本文2.1節(jié)中提出的第2個問題，即此階段的學(xué)生尚未具備程序設(shè)計的基本知識和經(jīng)驗，我們認(rèn)為，采用可視化編程工具是解決這一問題的有效方法?？梢暬幊坦ぞ咧С挚梢暬?Visual)程序設(shè)計，主要是讓程序設(shè)計人員利用軟件本身所提供的控件，構(gòu)造應(yīng)用程序的各種界面，可視化編程技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今軟件開發(fā)的重要工具和手段。
為此，我們在課程實驗改革中引入可視化編程工具Raptor，使得尚未具備編程基礎(chǔ)的大一學(xué)生能夠?qū)嵤┧惴▽嵺`和驗證。Raptor是一種可視化的程序設(shè)計環(huán)境，其將程序設(shè)計中的要素以圖形符號的方式展現(xiàn)，使得學(xué)生在不具備編程知識的基礎(chǔ)上可以實踐計算機中算法類問題。目前，它已經(jīng)在卡內(nèi)基・梅隆大學(xué)等世界22個以上的國家和地區(qū)的高等院校中使用。
在實驗課程中設(shè)計了4個學(xué)時講解Raptor工具并要求每個學(xué)生至少課堂完成8個基本算法實驗任務(wù)。在實驗課之外，要求學(xué)生用Raptor完成算法類大作業(yè)并撰寫實驗報告，以綜合訓(xùn)練學(xué)生解決算法類問題的能力。教學(xué)過程和最后的調(diào)查結(jié)果表明，引入算法類可視化工具有助于實驗教學(xué)取得良好效果。
3.改革實踐和總結(jié)
在2013-2014學(xué)年，我們將改革后的教學(xué)內(nèi)容對部分理工類班級開展了試點教學(xué)，試點專業(yè)涉及材料、自動化、電子信息專業(yè)等，在課程末期分別針對任課教師和學(xué)生做了教學(xué)效果調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明教學(xué)效果基本達到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。
教師普遍感受為所帶課程的難度和以往課程內(nèi)容相比備課較難，但課堂氛圍較好，內(nèi)容受到學(xué)生關(guān)注，尤其實驗環(huán)節(jié)引入了Raptor可視化程序設(shè)計工具，課堂氛圍活躍，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性較以往有大幅提高。
部分學(xué)生調(diào)查結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2是學(xué)生對計算思維認(rèn)識的調(diào)查結(jié)果，顯示出大多數(shù)學(xué)生(達到60%以上)理解了計算思維的概念，認(rèn)識到計算思維和計算機基礎(chǔ)課程的重要性，不僅僅只是學(xué)習(xí)工具應(yīng)用，而是對今后理解和掌握計算機應(yīng)用技術(shù)奠定基礎(chǔ)，從無意識地應(yīng)用計算機解決問題到有意識地培養(yǎng)自己的計算思維思想。圖3為調(diào)查學(xué)生認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容中哪部分收獲最大，19%的學(xué)生認(rèn)為計算思維有最大收獲，居第二位置，說明這部分的學(xué)習(xí)為培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)新能力打下了良好的基礎(chǔ)。
4.結(jié)語
通過教學(xué)改革，對比教師和學(xué)生的調(diào)查結(jié)果以及結(jié)合其他調(diào)查結(jié)果分析，我們總結(jié)了經(jīng)驗與不足。首先，計算思維是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要方面，這在大學(xué)生全面素質(zhì)教育和能力培養(yǎng)中承擔(dān)著重要職責(zé)，教學(xué)過程和調(diào)查反饋顯示出課程改革的必要性和方向是正確的，受到了大多數(shù)教師和學(xué)生的認(rèn)可;其次，該課程改革具有適應(yīng)和完善過程，從事該課程教學(xué)的教師需要不斷地深化對計算思維的理解以及對典型案例的合理選擇，并且要解決在課時少的情況下，如何有效組織教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)兼顧內(nèi)容的廣度和深度;最后，本次教改中出現(xiàn)的不足之處表明，今后的工作還需要繼續(xù)推動基于計算思維的大學(xué)計算機基礎(chǔ)教材建設(shè)，進一步探索計算思維的培養(yǎng)方式。
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