思維培養(yǎng)在計算機教學(xué)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(xué)體系，分析和研究了計算思維培養(yǎng)在整個計算機教學(xué)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(xì)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(xué)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(xué)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(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)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(xué)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(xué)和教育學(xué)家RobertJ.Sternberg指出：“思維教學(xué)的模式是將思維訓(xùn)練融合在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)當(dāng)中，符合思維訓(xùn)練與學(xué)科教育的統(tǒng)一性，即學(xué)科知識與思維能力互相促進(jìn)，共同提高。”[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(xué)中，就必須先明確計算思維培養(yǎng)在計算機教學(xué)體系中的定位及其本身的階段性與層次性，讓學(xué)習(xí)者在思維活動中學(xué)習(xí)，同時也學(xué)習(xí)思維本身，相輔相成，相互促進(jìn)。

二、計算機教學(xué)知識體系及層次結(jié)構(gòu)

從工程學(xué)角度上講，計算學(xué)科知識體系可以分為理論、技術(shù)、工程三個層次，學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)科已經(jīng)是一個龐大的學(xué)科，IEEE/CS和ACM在2005年將計算學(xué)科按內(nèi)容劃分為計算機科學(xué)、信息系統(tǒng)、軟件工程、計算機工程、信息技術(shù)五個分支學(xué)科[4]，每個分支在教學(xué)側(cè)重點上略有不同。但隨著計算學(xué)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(xué)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(xué)科更細(xì)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(xué)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(xué)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(xùn)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(xué)計算機教育體系中的定位，關(guān)系到整個計算學(xué)科的教育進(jìn)程及思維方式的變革。在目前國內(nèi)計算機教學(xué)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(rèn)知過程，思維培養(yǎng)應(yīng)該是貫穿于整個學(xué)習(xí)過程的一個長期行為，不能只在教學(xué)體系的最初或者最后開設(shè)一兩門普及課程進(jìn)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(xué)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(jìn)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(xué)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(jìn)教學(xué)方法來引導(dǎo)學(xué)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(xué)體系，對學(xué)科知識點進(jìn)行大幅度更新，加大和突出與思維訓(xùn)練相關(guān)的主題與內(nèi)容。當(dāng)然，具體的教學(xué)方法要與高校實際教學(xué)情況與學(xué)生接受程度相吻合，循序漸進(jìn)，有針對性地將思維培養(yǎng)融入到教學(xué)當(dāng)中?？偟膩碚f，計算思維培養(yǎng)在計算機教學(xué)體系中的定位應(yīng)該是以思維培養(yǎng)為目標(biāo)，全面覆蓋計算機學(xué)科知識體系中各個分支內(nèi)容，以分層次教學(xué)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(xué)層次分析

我國高校對于計算思維教學(xué)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(jìn)行介紹與培養(yǎng)，幾乎沒有國內(nèi)高校進(jìn)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(biāo)有關(guān)，也與學(xué)生素質(zhì)與需求等實際情況有關(guān)。以本校重慶理工大學(xué)為例，教研團(tuán)隊開設(shè)了《計算思維與計算文化》選修課，主要進(jìn)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(xué)生及少部分專業(yè)學(xué)生，屬于通識類的思維啟發(fā)課程。經(jīng)過教學(xué)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(xué)科來說，它不應(yīng)該僅僅只局限于非專業(yè)學(xué)生的通識普及，更應(yīng)該讓計算思維優(yōu)勢在專業(yè)學(xué)生中產(chǎn)生作用與影響，促進(jìn)計算機教學(xué)知識體系的完善與突破。對于計算機專業(yè)的學(xué)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(xué)體系當(dāng)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(jìn)行層次化的計算思維培養(yǎng)。從學(xué)科內(nèi)容和層次來看，計算學(xué)科至少包含五個方向：計算機科學(xué)、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(xué)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(xué)過程中，每一層次的思維培養(yǎng)都能幫助學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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(xué)生成才的關(guān)鍵，計算思維讓學(xué)習(xí)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(xué)體系中占據(jù)越來越重要的位置。學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)上，怎樣把思維培養(yǎng)更好地融入專業(yè)教學(xué)中，怎樣以一個更系統(tǒng)的更清晰的層次結(jié)構(gòu)來進(jìn)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(xué)