大学计算机基础教学中的计算思维培养

大学计算机基础教学中的计算思维培养

龚沛曾杨志强

2012-06-26 08:58:58 来源：《中国大学教学》

2012年第05期

摘要：首先仔细地分析了计算思维的定义，提出了计算思维由意识、方法和能力三个层次的内容组成；然后指出了计算机基础教学中计算思维的无意识、潜移默化教学的现状；最后提出计算机基础教学课程体系中各门课程联动改革的方案。

关键词：计算思维，大学计算机基础，程序设计

自2006年3月，美国卡内基·梅隆大学周以真教授清晰系统地阐述了计算思维，2010年10月中国科学技术大学陈国良院士在“第六届大学计算机课程报告论坛”倡议将计算思维引入大学计算机基础教学以后，计算思维得到了国内计算机基础教育界的广泛重视。然而，在具体的执行过程中遇到了许多问题，既由于认识上的不足，又由于大学计算机基础教学的特殊性。那么，如何在计算机基础教学中，培养

大学生的计算思维，使大学生学会用计算思维去思考问题和解决问题，对提升计算机基础教学水平、培养卓越人才具有重要的意义。

一、计算思维的内容

计算思维古已有之，而且无所不在。从古代的算筹、算盘到近代的加法器、计算器以及现代的电子计算机，直到目前风靡全球的互联网和云计算，计算思维的内容不断拓展，推动着人类科技的进步。然而，在相当长的时期，计算思维“深藏闺中无人识”，或者不受重视。直到2006年，美国卡内基·梅隆大学周以真教授对计算思维进行了清晰系统的阐述，这一概念才得到人们的极大关注。

周以真教授认为，计算思维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。这一定义高度概括和抽象，难以理解，为此周以真教授将计算思维进一步阐述成七大类方法。然而，大学计算机基础教学的对象是非计算机专业学

生，无论是定义还是进一步阐述，仍然显得晦涩难懂，对教学基本几乎没有可操作性，需要探索研究，力图重新阐述成可以开展教学的问题。

仔细分析可以发现，周以真教授的定义包含了三个层次的内容：

1.计算思维意识

计算思维是一种科学思维，与理论思维、实验思维一起构成了人类的三大思维。计算思维并不是一种新的发明，而是早已存在的思维活动，是每一个人都具有的一种技能。

在计算机基础教学中，计算思维的案例也是处处存在。问题是人们的计算思维活动是无意识的，关键是要将无意识的计算思维变成有意识的计算思维，主动地用计算思维去解决问题，应用在各自的专业中。

2.计算思维方法

计算思维方法是计算思维的核心。计算思维方法很多，周以真教授将计算思维阐述成具体的七大类方法。总的来说，计算机思维方法有两大类：一类是来自数学和工程的方法，另一类是计算机科学独有的方法。例如，对于计算积分，学习数学的人通过函数变换求解积分，而计算机是通过对积分区间进行N等分然后累加各小区间的面积来实现。学习数学的人不会采用后一种方法，后一种方法只有掌握了计算机技术的人才采用，但是仍然来自数学。

在大学计算机基础课程中，几乎每一个概念对应一种计算思维方法。例如，Cache是预置和缓存方法，多核处理器是并行外理方法；在程序设计课程中，各种常用算法以及各类问题的求解方法，如迭代法、递归法等，都是没有争议的计算思维方法；在计算机应用课程中，每一门课程每一个项目都是多种计算思维方法的集合。

3.计算思维能力

计算思维的根本目的是解决问题，即问题求解系统设计以及人类行为理解。从计算机应用的角度来说，解决问题就是计算机的应用问题。例如，设计一个数据库应用系统、创建一个电子商务网站、制造一个机器人等都是计算机应用问题，是计算思维的目的所在。

计算思维包含的内容不是一门课程所能承担的。计算思维教学需要贯穿在所有的大学计算机基础课程中。在大学计算机基础教学中，培养计算思维能力需要有一系列的计算机应用课程作支撑和拓展，如数据技术与应用、多媒体技术与应用等课程。这些课程引导学生应用计算思维解决各种专业的问题。

二、计算思维教学现状

尽管计算思维研究不是很成熟，还有许多深层次问题需要进一步研究，但计算机基础教学界一直在大学计算机基础教学中无意识、潜移默化地培养大学生的计算思维。

教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会颁布

的《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见》、《计算机基础课程教学基本要求》等有关文件虽然没有明确提出计算思维，但是贯穿了计算思维思想。《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见》提出；计算机基础教学的目标是培养学生掌握一定的计算机基础知识、技术与方法，以及利用计算机解决本专业领域中问题的能力。大学计算机基础的课程目标是“使他们在各自的专业中能够有意识地借鉴、引入计算机科学中的一些理念、技术和方法……利用计算机、认识并处理计算机应用中可能出现的问题”。简单地说，是使用计算机科学技术和方法处理问题，这是计算思维的目标。

“大学计算机基础”课程中充满着大量的计算思维案例。例如，全面展示计算机的应用，实质上起了培养计算思维意识的作用；从算盘到计算机的发展过程是计算思维内容不断拓展的过程：计算机系统是用抽象和分解来控制庞杂的任务和设计复杂的系统；数据在计算机中的表示是表示问题的方法；操作系统是用计算思维思想解决了计算机自身问题的案

例；使用办公软件是一种基本的、低级的计算思维；网上检索、网上购物、网上开店是典型有别传统思维的计算思维活动；设计一个数据库就是抽象和分解的过程；设计一个动画，可以看成是一个建模和仿真的问题。

“程序设计基础”是一门关于计算思维方法的课程，是典型的计算思维课程。它涉及大量的算法，像枚举、递归、回溯等都是毫无争议的典型的计算思维典型案例；面向过程和面向对象程序设计也都是计算思维。

各种应用课程的教学目标是创作一个系统或一个作品，这也是计算思维的终极目标。

在现今的大学计算机基础教学中，计算思维教学存在着下列问题：

1.无意识的计算思维教学。由于计算思维受重视的时间不长，但是因为一方面计算机应用的本质是问题求解，与周以真教授的阐述相一致，另一方面计算机问题求解的方法就