本站原创摘 要：从计算和思维的内在关系入手,介绍计算思维的基本概念.在此基础上,阐述计算思维和计算机科学的紧密联系以及目前计算机学科教学中存在的几点问题,据此提出以实践案例、工程项目和多学科融合为手段的层进式计算机课程教学方法.
关 键 词：计算思维；实践案例；工程项目；多学科融合
1背景
计算思维是一个抽象的理论概念.所谓思维是指人类大脑认识世界的活动,人们在学习、理解和掌握新鲜事物过程中,常常是通过搜集各种有用信息,然后对其进行分析、整理、加工和改造,从而形成自己特有的思维方法和理解手段,以认识事物的本质和规律.在思维过程中,数学即计算起着非常重要的作用,它是实现从理论思维到实验思维的重要方法.1975年图灵奖共同获得者HerbertSimon和AllenNewell提出思维就是计算认知,就是计算的思想.由此可见,计算和思维是密不可分的.理论思维、计算思维和实验思维统称为3大科学思维.
计算思维主要是由美国卡内基·梅隆大学的周以真教授提出的,她认为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脚.计算思维的本质是抽象和自动化,计算思维中的抽象最终要求能够机械地一步步自动执行.那么,在整个计算思维活动中,谁负责抽象?谁又进行自动化呢?这就涉及计算思维的2个对象主体,即人和计算机.在解决实际问题时,计算思维对象主体之一的人对问题进行抽象和处理,将实际需求转化为问题空间的求解模型,再用编程语言加以实现,最后由计算机按照人的指令自动执行和求解程序.
通俗地讲,计算思维就是通过人的思维进行计算,即人通过特定的思维活动使用计算机解决实际问题.计算机在解题过程中充当媒介的作用,它是人和机器相结合的产物.当然,人也可以取代计算机实现计算,即计算思维是可以完全脱离机器的,但是在某些方面,计算机的性能要优于人,如机器执行指令的速度、精确度和可靠性等方面远远高于人类；而人的思维能力则是计算机无法模拟的.计算机赋予人强大的计算能力,而人给予计算机.因此,电子计算机的创造给计算思维带来深远的影响.计算机实现了人和机器、思维和计算的完美结合,同时也使得人们有勇气实现“只有想不到,没有做不到”的境界.
2计算思维与计算机科学
计算思维与计算机科学有着密不可分的联系,计算思维促进计算机科学的发展和创新,计算机科学推动计算思维的研究和应用.
随着以计算机科学为基础的信息技术迅猛发展,计算思维对各个学科的影响尤其是对计算机学科的作用日益凸显.计算思维的本质是抽象和自动化,核心是基于计算模型和约束的问题求解；而计算机科学恰恰是利用抽象思维建立求解模型并将实际问题转化为符号语言,再利用计算机自动执行的.其中,抽象是计算机学科的最基本原理,而自动计算则是计算机学科的最显著特征.计算思维反映的是计算机学科最本质的特征和最核心的方法.计算思维虽不是计算机科学的特有产物,甚至它的出现要先于计算机科学,但是计算机的发明却给计算思维的研究和发展带来根本性变化.计算机在数学计算和信息处理中无可比拟的优势,使得原本只有在理论层面可以构造的事物变成了现实世界可以实现的实物,拓展了人类认知世界和解决问题的能力和范围,推进了计算思维在形式、内容和表述等方面的探索.
因此,计算机学科是最能反映计算思维能力的学科,将计算思维引入计算机学科教学也是十分有必要的.计算思维能力是计算机专业人才所应具备的最基本和最重要的能力之一.
3计算机学科教学现状
目前,计算机学科教学面临一些问题,主要体现在以下几个方面.
1）课程设置无优势.很多工科院系都开设了与计算机相关的各门课程,制定的课程体系比计算机专业要求还高.在毫无课程优势的条件下,计算机专业学生又缺乏其他学科知识背景,解决特定领域问题时存在沟通和开发障碍.单就从利用计算机解决实际问题的层面看,计算机专业学生与非计算机专业学生相比无明显优势.
2）理论和实践衔接不紧密.计算机学科具有明显的理工科特征,是一门集科学、工程和应用于一体的学科.在计算机学科中,很多课程都设置有理论教学和配套实验2个环节,但实际教学中存在理论知识和实践内容衔接不紧密,实验案例更新较慢,实验内容的设计难易不均或偏离理论教学等问题,导致学生很难通过实践课程的学习深入理解、掌握和验证所学理论.
3）重教轻育.目前,很多教师非常重视课程内容的更新、教学方法的改革和授课技能的提高,却时常忽略学生思维和能力的培养.教师只关注如何将知识以成品形式灌输给学生和检验学生对知识“复制”程度等“教”的培养,而缺乏对学生主动获取知识、重新构建知识、再次利用知识等“育”的延伸.现有的教学过程是间断的,没有延续性.在授课学时和课程容量等客观因素限制下,教师传授给学生的是经过抽象、加工和简化后的现成模型和理想化系统,学生所学的学科知识和现实世界的实际应用基本上是脱节的.即便理论知识掌握的再高深和实践技能锻炼的再娴熟,学生依然是纸上谈兵,无法独立解决真实世界中的各种问题.
4注重计算思维培养
从上述分析不难看出,教师在计算机学科中加强学生计算思维的培养是基本的,也是必须的要求.那么,如何将计算思维融入计算机学科中,实现思维与教学的无缝连接呢?我们主要从以下几个方面实现.
1）利用实践案例“教”计算思维.
有过计算机学科教学经历的教师都有这样的体会,教给学生一门知识或技能相对容易,但教会学生某种能力或思维却很难,原因在于计算机涉及的很多内容都具有非物理特征,如程序执行、系统调用和内存分配等活动都是透明的,无法被感知.学习者不能直接获取感性认识,更难建立起理性认识并指导实践活动.另外,抽象是使用计算机解决实际问题的第一步,但它也是无形之物,是人脑的思考过程.我们如何找到一个有效载体,将这些“只可意会”的模型和理论赋予其中,让学生更好且更容易地体会计算机系统及其工作原理呢?答案是寓抽象于实践.实践是将思维形象化和具体化的重要手段.在授课过程中,教师应注重理论知识和实践能力的结合,设计各种典型案例并着重讲解如何将实际问题转化成形式化描述的思考过程,加强学生抽象思维和逻辑思维的培养.这就是目前常用的案例化教学模式,而在融入计算思维的前提下,它又要满足更高要求.①案例既要源于现实世界,又不能过于复杂和难以理解.教学案例可分为3个层次：底层为现实世界中的事物模型；中层为信息世界中的抽象模型；顶层为机器世界中的数据模型.以计算思维为特征的教学案例的3个层次如图1所示.
与现存的基于中层或顶层的案例设计不同,以计算思维为特征的案例教学要以现实世界中的具体事物为研究对象,旨在让学生能够身临其境地理解“计算机科学家”将事物模型一步步转化为计算机所能理解的符号模型的求解过程,从而减少学生只会解答理想模型而不能求解现实问题的现象.另外,案例设计要难易适中和繁简得当,要对实际问题进行裁剪和提炼.教师应结合相关理论内容,模拟“精化后”的、更理性、较直接的知识发现过程.学生则通过循序渐进的思维锻炼,逐步掌握高度的抽象思维和严密的逻辑思维,努力构建计算机模型的概念.
②案例既要体现人的思考过程,又要有计算机的行为.以计算思维为特征的案例教学要能体现人和计算机协同解决问题的全过程,即演示人如何从现实世界抽象模型转而到信息世界,再如何从信息世界描述数据转而到机器世界,计算机如何在机器世界执行程序并反馈结果的各个阶段.
教师要让学生理解人和计算机之间的辩证关系,即人指挥计算机工作,计算机约束人的操作；更要进一步让学生体会人和计算机在高效处理、性能优化和便捷使用等方面的互制作用,即人的思维越深入,模型构建越合理,计算机运行效率越高,系统可靠性越强,而计算机性能越高、运算速度越快,人需顾忌的因素越小,思维受限越低.学生在探究型教学模式的培养下,从实际案例中体会人和计算机在问题求解过程中的不同角色和任务分工,逐渐将计算思维的思想和方法融入一般事务的处理中,形成自己的经验和思路,构成以教促学的回路.计算思维模式下的教学如图2所示.
2）利用工程项目“学”计算思维.
教学的最终目的是学以致用.作为教育者,我们不希望培养出来的只是会解决书本问题的“读书机器”,而期盼能培养出像计算机科学家那样思考问题的优秀人才.对于产生的任何思想和建立的模型,我们最终都要将其运用到实际项目中加以验证和检验.因此,当学生具备一定的理论基础和对客观事物的抽象能力,学会如何对具体问题建模后,教师最好能以工程项目的实现为最终考核目标.
项目式培养模式的引入既能最大程度地发挥学生的知识和技能,又能极力缩短理论和现实之间的距离,是打通课堂教学和实际应用的最好手段.它实现了理论和实践、思维和能力的无缝连接.教师在将工程项目引入课程教学时,应注意以下几点.
①工程项目既要紧扣理论知识,又要高于书本中的知识内容.教师在以工程项目为主要教学手段的学生计算思维能力培养中,以工程项目的选取作为最关键的环节.工程项目的选取直接影响学生是否能成功迈出从现实世界进入信息世界的第一步.工程项目不同于普通案例,它源于现实世界的复杂系统并且具有实际意义,在难度、深度和广度上均高于普通案例.学生在学习过程中会遇到较大阻力.教师要在项目内容的选取、难易程度的设置、书本内容和课外知识的结合等各方面下工夫和花精力,可结合理论内容对所选项目进行适当删减和修改以适应教学实情,添加一定的注释和题解以帮助学生理解,最好还能根据学生的不同水平制订不同的实现目标.
②工程项目应尽量涵盖多个知识点.工程项目的实现是一个相对较长的过程,若教师为每个知识点都配置一个与之对应的工程项目,既不现实又无意义,但要想仅依赖一个实际项目讲解所有知识点更不可能.因此,教师需要根据课程大纲和学时要求采取分模块教学的方法,以模块形式组织知识点,以模块内容构建项目.每个项目应包含若干相关知识点且项目容量要适度,既不能大而全,又不要小而碎.
3）利用多学科融合“促”计算思维.
计算思维的培养不是计算机单一学科或信息技术某几个学科的要求,而是整个大学通识教育的重要组成部分.思维可以不受学科限制,不同专业背景的学生在思考问题的角度、解决问题的方法、处理问题的手段等方面具有共通性.计算机学科的普及和发展使得自身与各学科的联系越来越紧密,以计算机学科为中心的多学科交叉融合的网状研究形态正在逐渐形成.以计算机学科为中心的多学科交叉融合如图3所示.
为了让学生尤其是非计算机专业的学生更好地理解和掌握计算机的原理和本质,更好地应用计算机技术解决本学科实际问题,教师在计算机课程教学中应以计算机的核心概念、重要原理和先进技术为依托,以计算思维的解决思路为主线,以多学科融合的典型案例为延伸,打破各学科之间的壁垒,实现思维的迁移.
5结语
计算思维在计算机课程教学中具有举足轻重的地位,起着引领和导向作用.俗话说“习慣决定成败”,良好思维习慣的培养和正确思维方式的建立对学生掌握各种知识都起到事半功倍的作用.因此,我们有必要从计算思维的角度向学生阐述计算机学科思想与方法论,使学生一开始就对计算机课程的学习有一个比较准确的定位,对计算机科学的内涵有所了解,进而逐渐培养良好的学习态度,掌握高效的学习方法并学会解决问题.
（编辑：宋文婷）