計算思維能力培養(yǎng)論文
摘要：自Ｃ９明確提出大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力后，計算思維能力培養(yǎng)日益受到重視。但從培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方式、培養(yǎng)過程、培養(yǎng)效果來看，還存在諸多問題。因此，應(yīng)加快完善評價機制，構(gòu)建模塊化的計算思維課程內(nèi)容；加強立體化教學(xué)資源建設(shè)，探索新的計算思維教學(xué)訓(xùn)練模式與手段，分專業(yè)進行師資培訓(xùn)，提升計算思維教學(xué)的適切性與有效性；完善教學(xué)管理與監(jiān)控機制，推進計算思維教學(xué)由隱性化、被動化向規(guī)模化與制度化轉(zhuǎn)變。
關(guān)鍵詞：計算機基礎(chǔ)教學(xué)；計算思維；可視化；師資培訓(xùn)；內(nèi)驅(qū)力
１計算思維能力培養(yǎng)研究的緣起
計算思維不是計算機科學(xué)家的專屬技能，而是數(shù)字化時代每一個人都應(yīng)具備的基本技能，“２０５０年前，要讓地球上每一位公民都具有計算思維能力”［１］。２００７年，周以真教授在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)成立了計算思維研究中心，并修訂了該大學(xué)一年級學(xué)生的課程，籍此培養(yǎng)該校非計算機專業(yè)學(xué)生的計算思維能力。我國面向非計算機專業(yè)大學(xué)生大規(guī)模開展計算思維能力培養(yǎng)始于２０１０年。教育部高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會２０１０年５月，在安徽合肥會議中要求將計算思維融入到計算機基礎(chǔ)課程中去傳授，以此培養(yǎng)高素質(zhì)的研究性人才［２］；２０１０年７月西安會議發(fā)布了“九校聯(lián)盟（Ｃ９）計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明”，旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)［３］，標志著計算思維教學(xué)面向所有大學(xué)生全面展開。２０１３年，教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機課程教學(xué)指導(dǎo)委員會正式發(fā)布了“計算思維教學(xué)改革宣言”，進一步明確了計算思維培養(yǎng)在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)中的中心地位，并把計算思維的培養(yǎng)提升到了創(chuàng)新人才培養(yǎng)和國家發(fā)展的高度［４］。
２計算機基礎(chǔ)教學(xué)中計算思維能力培養(yǎng)現(xiàn)狀
２．１從課程內(nèi)容來看，存在內(nèi)容重組與全面更新２種觀點
在對計算思維內(nèi)涵與特征進行了深入研究與解讀之后，對于計算思維在大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的內(nèi)容體現(xiàn)被提上了研究日程。目前，對于計算思維教學(xué)內(nèi)容改革主要有２種觀點：內(nèi)容重組與全面更新［５］。前者認為已有的知識內(nèi)容已蘊含計算思維規(guī)律和特點，只是需要對課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)以計算思維為主線重新組織，突出計算思維這一主題的直接性與系統(tǒng)性。后者認為應(yīng)將課程教學(xué)知識點進行大幅度更新，加大和突出與思維訓(xùn)練有關(guān)的知識點，開設(shè)類似“計算思維概論”的通識課程。內(nèi)容重組這一觀點比較符合目前的計算機基礎(chǔ)教學(xué)實際情況，也是業(yè)內(nèi)主流觀點，而全面更新這一觀點則更多實施于計算機相關(guān)專業(yè)。
２．２從教學(xué)方法來看，傳統(tǒng)方法與新方法并存
新的概念與新的教學(xué)內(nèi)容勢必會引起教學(xué)方法與模式的變革，大學(xué)計算機基礎(chǔ)中計算思維教學(xué)方法改革以傳統(tǒng)方法為主，不斷探索新方法、新模式。教學(xué)方法主要分為３類：問題式教學(xué)法、游戲化教學(xué)法以及思維可視化教學(xué)法。計算思維的外顯行為就是運用“抽象”“形式化描述”等思維進行問題求解的活動，十分契合采用基于問題的教學(xué)模式，這也是目前計算思維的主流教學(xué)模式；游戲化教學(xué)法分為２種，一是將計算機科學(xué)經(jīng)典問題以游戲化的方式呈現(xiàn)，二是運用計算思維設(shè)計（不需要實現(xiàn)）游戲，在游戲設(shè)計過程中理解抽象、聚類等概念，掌握問題求解的方式，籍此培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力［６］。計算思維可視化教學(xué)法是目前計算思維能力培養(yǎng)的一種新趨勢，是計算思維的一種具體實現(xiàn)與外顯技術(shù)，目前計算思維教學(xué)中采用的思維可視化教學(xué)法主要是圖示法，如思維導(dǎo)圖、流程圖、模式圖等。
２．３從教學(xué)組織來看，基本實現(xiàn)了分層教學(xué)、分類培養(yǎng)
計算機技術(shù)已滲透至各行各業(yè)，成為各行各業(yè)不可或缺的基本工具，計算思維方式也成為數(shù)字化時代人們基本的思維方式，而不同專業(yè)學(xué)生對于計算技術(shù)應(yīng)用以及計算思維方法指導(dǎo)也各有側(cè)重。因此，在大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)中按專業(yè)類別進行分層教學(xué)、分類培養(yǎng)是十分必要的。在一些綜合性大學(xué)中，將專業(yè)類別大體分為文史類、理工類、經(jīng)管類等，并面向不同專業(yè)類別設(shè)置了不同的教學(xué)內(nèi)容，或者通過設(shè)置選修課的形式引入計算思維概念，力求使教學(xué)內(nèi)容更加契合專業(yè)應(yīng)用需求與行業(yè)發(fā)展需要；一些專科類院校，如農(nóng)林院校、醫(yī)科院校也紛紛結(jié)合自身需要設(shè)置了具有學(xué)科特色的大學(xué)計算機課程體系。由于教育資源較為緊張，目前計算機基礎(chǔ)教學(xué)仍以大班授課為主，無法滿足不同基礎(chǔ)學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求。一些院校通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢實現(xiàn)分層、分類教學(xué)，以滿足不同基礎(chǔ)與不同專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，彌補傳統(tǒng)教學(xué)課時不夠的難題［５］，計算思維教學(xué)基本實現(xiàn)了分層教學(xué)、分類培養(yǎng)。
２．４從資源建設(shè)來看，仍以改造為主，全新開發(fā)為輔
教學(xué)資源是教學(xué)得以有效開展和順利實施的前提和基礎(chǔ)。對于課時嚴重不足的計算機基礎(chǔ)課程來說，優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的重要性更加凸顯，是支持學(xué)生個性化學(xué)習(xí)、培養(yǎng)計算思維能力的重要保障。大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)已經(jīng)開展多年，積累了豐富的教學(xué)資源，這些資源中雖蘊含了計算思維思想，但計算思維主線不清晰，也不夠完善。因此，計算思維教學(xué)資源建設(shè)一般有２種形式：對原有資源進行改造與全新開發(fā)。目前計算思維教學(xué)資源形式主要以課堂錄制視頻、ＰＰＴ和習(xí)題庫等形式呈現(xiàn)，而微課程、在線開放課程（ＭＯＯＣＳ）等新興資源形式較為少見。在開放教育資源運動蓬勃發(fā)展的今天，精品課程轉(zhuǎn)型升級已成為必然趨勢，馮博琴提出了建設(shè)計算機基礎(chǔ)精品資源共享課程群的設(shè)想和初步的實踐［７］。但搜索國內(nèi)各大公共課程平臺，如愛課程、網(wǎng)易公開課，計算思維在線開放課程只有南華大學(xué)陽小華教授主講的“計算思維漫談———數(shù)字化時代的生存智慧”。建設(shè)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源仍然任重而道遠。
３計算機基礎(chǔ)教學(xué)中計算思維能力培養(yǎng)存在的問題
從總體層面來看，基于計算思維能力培養(yǎng)的大學(xué)計算機教學(xué)改革實施時間較短，仍處于小范圍的實驗與探索階段，計算思維能力培養(yǎng)在計算機基礎(chǔ)教學(xué)中仍表現(xiàn)出隱性的、無意識與低效的特點，存在不少需完善的地方。
３．１對計算思維能力的認識存在誤區(qū)，教學(xué)目標不明確
相當數(shù)量的一線教師對現(xiàn)階段大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的教學(xué)目標存在認識上的誤區(qū)，主要體現(xiàn)在２方面。一是將計算思維能力等同于程序設(shè)計能力，認為訓(xùn)練計算思維能力就是講授程序設(shè)計知識，未能上升到計算機系統(tǒng)與思維科學(xué)核心思想與方法論層面；二是刻意“為計算思維而計算思維”，將“計算機應(yīng)用”與“計算思維能力培養(yǎng)”兩者割裂開來。大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)目標經(jīng)歷了３個階段的演變，這３個階段目標既有傳承融合，又有發(fā)展深入。而現(xiàn)階段目標“培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力”與前一階段“培養(yǎng)學(xué)生計算機專業(yè)應(yīng)用能力”存在脫節(jié)現(xiàn)象，未能注意兩者的延續(xù)性與系統(tǒng)性，極少見到某專業(yè)或?qū)W科在計算機應(yīng)用技能中訓(xùn)練學(xué)生計算思維能力的文獻。導(dǎo)致大學(xué)非計算機專業(yè)計算機課程存在知識型／技能型教學(xué)與未來計算能力需求之間的鴻溝［８］。
３．２未能發(fā)掘獨特的計算思維訓(xùn)練方法，教學(xué)效果不顯著
大多教師在進行計算機基礎(chǔ)教學(xué)時缺乏課程頂層設(shè)計思想，未能從計算科學(xué)與思維方法的高度組織教學(xué)。如在程序設(shè)計教學(xué)過程中過分重視語法結(jié)構(gòu)的講解，對能夠體現(xiàn)問題求解的思維過程缺乏總體規(guī)劃，往往一筆帶過。更為關(guān)鍵的是未能根據(jù)計算思維的特點與內(nèi)部發(fā)生機制形成獨特的、適用于思維能力訓(xùn)練的新的教學(xué)模式。很多教師對計算思維的培養(yǎng)還停留在無意識、隱性教學(xué)狀態(tài)，沒有達到有意識地設(shè)計和顯性教學(xué)層面［９］。思維可視化能夠?qū)⑷藗冾^腦中內(nèi)在的、不可見的思維過程顯性化地表示出來，從而能夠幫助人們理解思維過程、探索思維規(guī)律、形成思維方法，為計算思維教學(xué)提供了新思路，但目前計算思維教學(xué)可視化主要以程序流程圖等圖示工具為主，還處于思維訓(xùn)練的初級與低效階段，教學(xué)效果不顯著，較難養(yǎng)成對問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和行為理解的計算思維能力。
３．３過多關(guān)注教學(xué)內(nèi)容與模式的變革，教學(xué)系統(tǒng)發(fā)展不均衡
教學(xué)失衡就是指在教學(xué)過程中因缺乏系統(tǒng)整體觀的指導(dǎo)，在整合系統(tǒng)各因素以實現(xiàn)整體功能過程中所產(chǎn)生的偏離、片面和失衡狀態(tài)。現(xiàn)今計算思維教學(xué)過多關(guān)注教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式的變革，忽視了其他教學(xué)環(huán)節(jié)。計算思維教學(xué)系統(tǒng)發(fā)展失衡主要表現(xiàn)在２個方面：一是優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源極其匱乏。目前，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的課時普遍被壓縮、削減，計算思維能力培養(yǎng)單靠壓縮了課時的課堂教學(xué)是無法實現(xiàn)的，必須結(jié)合多樣化的優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源進行彌補，現(xiàn)有的學(xué)習(xí)資源普遍以ＰＰＴ等教學(xué)文檔為主，而能夠支持計算思維教學(xué)的新型資源，如微課、計算思維可視化工具、游戲化學(xué)習(xí)軟件等非常缺乏。二是計算思維評價體系尚未建立。目前對于計算思維評價研究與實踐存在一定的缺失，計算思維能力評價基本上都局限于認知層面，對計算思維能力的外在行為尚未體現(xiàn)，教學(xué)效果優(yōu)劣無法衡量，失去了教學(xué)評價對于教學(xué)環(huán)節(jié)的診斷、調(diào)控與改進作用。
３．４計算思維教學(xué)內(nèi)驅(qū)力不足，培養(yǎng)目標落實不到位
盡管九校聯(lián)盟（Ｃ９）和教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機課程教學(xué)指導(dǎo)委員會，先后明確了計算思維在大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的中心地位，但在實際的教學(xué)過程中，計算思維教學(xué)仍顯得內(nèi)驅(qū)力不足。從教師層面來看，由于長期從事計算機基礎(chǔ)教學(xué)，部分教師在思想認識與教學(xué)理念上已經(jīng)形成了較為固定的思維方式，對教學(xué)改革興趣不高，對“培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力”這一核心任務(wù)重視和參與程度不夠，且許多一線教師自身尚未能很好地理解和把握計算思維本質(zhì)［１０］；從管理層面來看，大部分高校內(nèi)部缺乏計算思維教學(xué)內(nèi)容督導(dǎo)機制與質(zhì)量監(jiān)控體系，計算思維教學(xué)基本上取決于教師的自發(fā)性與隨意性。比如是否在大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)中進行了計算思維能力訓(xùn)練？學(xué)生的計算思維能力是否得到了有效遷移，而不僅僅是認知層面的`提高？這些問題均未得到應(yīng)有的重視，國內(nèi)大多數(shù)高校計算思維教學(xué)仍處于混亂、無序狀態(tài)，計算思維能力培養(yǎng)落實不到位。
４大學(xué)計算機計算思維能力培養(yǎng)策略與建議
４．１加快制定評價機制與體系，構(gòu)建模塊化的計算思維課程內(nèi)容
現(xiàn)有的評價體系更多體現(xiàn)在計算思維認知層面的測量，對計算思維外顯能力的評測用處不大，對計算思維能力有何具體表現(xiàn)認識不清，這也是目前計算機基礎(chǔ)教學(xué)中計算思維教學(xué)內(nèi)容顯得大而空、不接地氣和難以落實的重要原因。因此，應(yīng)根據(jù)計算思維能力的外在行為表現(xiàn)，開發(fā)相應(yīng)的能力測評工具，加快制定計算思維能力評價體系，根據(jù)計算思維能力的構(gòu)成構(gòu)建模塊化的計算思維課程內(nèi)容，充分發(fā)揮評價的監(jiān)測、診斷與指導(dǎo)作用。模塊化的計算思維課程內(nèi)容可從計算思維意識培養(yǎng)、計算思維內(nèi)容學(xué)習(xí)與計算思維實踐訓(xùn)練３方面著手，從體現(xiàn)計算思維經(jīng)典問題出發(fā)，緊密聯(lián)系計算思維在各學(xué)科中的應(yīng)用，分知識、應(yīng)用、方法３個層面構(gòu)建模塊化的計算思維課程內(nèi)容，體現(xiàn)計算思維能力培養(yǎng)課程內(nèi)容的漸進性與層次性。
４．２加強立體化教學(xué)資源建設(shè)，探索新的計算思維訓(xùn)練方法與手段
除了ＰＰＴ、習(xí)題庫等傳統(tǒng)教學(xué)資源外，還要建設(shè)一批新型的、符合計算思維能力培養(yǎng)的新型教學(xué)資源，在此基礎(chǔ)上探索獨特的計算思維能力訓(xùn)練方法與手段。一是引入、開發(fā)思維可視化工具，將隱性的思維顯性表達出來，使計算思維教學(xué)更具針對性和有效性。趙姝等人提出思維訓(xùn)練的３個階段“隱性思維顯性化—顯性思維工具化—高效思維自動化”［１１］，具有重要的借鑒意義，因此，首先應(yīng)將隱性的、不可見的計算思維過程顯性地、可視化地表現(xiàn)出來，從計算思維的產(chǎn)生與活動過程把握其本質(zhì)，這樣才有助于學(xué)生有意識地對計算思維進行整理和重組，辨識新的、合理的和優(yōu)化的組合模式［１１］。二是聯(lián)合領(lǐng)域?qū)＜摇⒁痪�教師與企業(yè)人員開發(fā)針對不同專業(yè)學(xué)生的計算思維游戲。教育與游戲的結(jié)合能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，寓教于樂，使學(xué)生通過游戲創(chuàng)作自主培養(yǎng)計算思維。三是建設(shè)符合學(xué)生學(xué)習(xí)認知結(jié)構(gòu)與學(xué)科背景的計算思維微課程，利用微課程將計算思維知識與典型案例分解為短小精煉的知識單元，并結(jié)合具體的學(xué)科形成模塊化的微課程群，有利于分解學(xué)習(xí)難度，降低學(xué)生認知負荷，同時積極探索利用微課程進行移動學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂與混合學(xué)習(xí)的新的教學(xué)模式。
４．３分專業(yè)開展師資培訓(xùn)，提升計算思維教學(xué)的適切性與有效性
教師是教學(xué)目標的實施者、教學(xué)內(nèi)容的制定者、教學(xué)活動的設(shè)計與組織者、教學(xué)效果的檢驗者，是教學(xué)系統(tǒng)的核心要素。為提升計算思維教學(xué)的有效性，首先教師應(yīng)具有良好的計算思維教學(xué)意識與教學(xué)能力；其次，要使學(xué)生真正具備計算思維能力，還需要更多與專業(yè)相結(jié)合的相關(guān)課程和實踐的訓(xùn)練［１２］。應(yīng)對從事計算機基礎(chǔ)教學(xué)的教師分專業(yè)組建教學(xué)團隊，并組織計算思維領(lǐng)域?qū)＜覍σ痪�教師進行培訓(xùn)，盡快使他們接受計算思維概念，理解計算思維的內(nèi)涵與特征，更重要的是使教師能夠掌握計算思維在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合具體學(xué)科探索計算思維的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式與教學(xué)規(guī)律，并在進行教學(xué)時自覺地將計算思維能力具體化為相應(yīng)專業(yè)的教學(xué)目標，并讓學(xué)生在結(jié)合專業(yè)的計算機應(yīng)用中理解和運用計算思維，這樣才能讓學(xué)生在具體情境中理解、體驗計算思維給各專業(yè)帶來的便利與愉悅，實現(xiàn)計算思維在不同場合與領(lǐng)域中活學(xué)活用，從而使學(xué)生計算思維能力得到有效遷移，也才能真正提升計算思維的教學(xué)適切性與有效性。
４．４完善教學(xué)監(jiān)控與管理機制，推進計算思維教學(xué)向規(guī)模化與制度化轉(zhuǎn)變
教學(xué)管理部門應(yīng)出臺一系列教學(xué)激勵措施，鼓勵從事計算機基礎(chǔ)教育的教師以更積極的態(tài)度對待自己的本職工作，充分認識自己的工作價值，勇于承擔計算機基礎(chǔ)教育深度改革的重任［１３］；此外，還應(yīng)盡快根據(jù)評價體系完善計算思維教學(xué)監(jiān)控與管理機制，以便對計算思維教學(xué)內(nèi)容與質(zhì)量進行有效監(jiān)控，改變計算思維教學(xué)取決于教師隨意性的不利局面，提升計算思維教學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)驅(qū)力，推動計算思維教學(xué)由隱性化、被動化向規(guī)模化與制度化轉(zhuǎn)變，使計算思維能力培養(yǎng)真正落到實處。
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