計算思維能力培養論文
摘要：自Ｃ９明確提出大學(xué)計算機基礎教學(xué)的核心任務(wù)是培養學(xué)生計算思維能力后，計算思維能力培養日益受到重視。但從培養目標、培養方式、培養過(guò)程、培養效果來(lái)看，還存在諸多問(wèn)題。因此，應加快完善評價(jià)機制，構建模塊化的計算思維課程內容；加強立體化教學(xué)資源建設，探索新的計算思維教學(xué)訓練模式與手段，分專(zhuān)業(yè)進(jìn)行師資培訓，提升計算思維教學(xué)的適切性與有效性；完善教學(xué)管理與監控機制，推進(jìn)計算思維教學(xué)由隱性化、被動(dòng)化向規�；c制度化轉變。
關(guān)鍵詞：計算機基礎教學(xué)；計算思維；可視化；師資培訓；內驅力
１計算思維能力培養研究的緣起
計算思維不是計算機科學(xué)家的專(zhuān)屬技能，而是數字化時(shí)代每一個(gè)人都應具備的基本技能，“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，籍此培養該校非計算機專(zhuān)業(yè)學(xué)生的計算思維能力。我國面向非計算機專(zhuān)業(yè)大學(xué)生大規模開(kāi)展計算思維能力培養始于２０１０年。教育部高等學(xué)校計算機基礎課程教學(xué)指導委員會(huì )２０１０年５月，在安徽合肥會(huì )議中要求將計算思維融入到計算機基礎課程中去傳授，以此培養高素質(zhì)的研究性人才［２］；２０１０年７月西安會(huì )議發(fā)布了“九校聯(lián)盟（Ｃ９）計算機基礎教學(xué)發(fā)展戰略聯(lián)合聲明”，旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學(xué)的核心任務(wù)［３］，標志著(zhù)計算思維教學(xué)面向所有大學(xué)生全面展開(kāi)。２０１３年，教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機課程教學(xué)指導委員會(huì )正式發(fā)布了“計算思維教學(xué)改革宣言”，進(jìn)一步明確了計算思維培養在大學(xué)計算機基礎課程教學(xué)中的中心地位，并把計算思維的培養提升到了創(chuàng )新人才培養和國家發(fā)展的高度［４］。
２計算機基礎教學(xué)中計算思維能力培養現狀
�。玻睆恼n程內容來(lái)看，存在內容重組與全面更新２種觀(guān)點(diǎn)
在對計算思維內涵與特征進(jìn)行了深入研究與解讀之后，對于計算思維在大學(xué)計算機基礎教學(xué)的內容體現被提上了研究日程。目前，對于計算思維教學(xué)內容改革主要有２種觀(guān)點(diǎn)：內容重組與全面更新［５］。前者認為已有的知識內容已蘊含計算思維規律和特點(diǎn)，只是需要對課程內容結構以計算思維為主線(xiàn)重新組織，突出計算思維這一主題的直接性與系統性。后者認為應將課程教學(xué)知識點(diǎn)進(jìn)行大幅度更新，加大和突出與思維訓練有關(guān)的知識點(diǎn)，開(kāi)設類(lèi)似“計算思維概論”的通識課程。內容重組這一觀(guān)點(diǎn)比較符合目前的計算機基礎教學(xué)實(shí)際情況，也是業(yè)內主流觀(guān)點(diǎn)，而全面更新這一觀(guān)點(diǎn)則更多實(shí)施于計算機相關(guān)專(zhuān)業(yè)。
�。玻矎慕虒W(xué)方法來(lái)看，傳統方法與新方法并存
新的概念與新的教學(xué)內容勢必會(huì )引起教學(xué)方法與模式的變革，大學(xué)計算機基礎中計算思維教學(xué)方法改革以傳統方法為主，不斷探索新方法、新模式。教學(xué)方法主要分為３類(lèi)：?jiǎn)?wèn)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(jìn)行問(wèn)題求解的活動(dòng)，十分契合采用基于問(wèn)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(wèn)題以游戲化的方式呈現，二是運用計算思維設計（不需要實(shí)現）游戲，在游戲設計過(guò)程中理解抽象、聚類(lèi)等概念，掌握問(wèn)題求解的方式，籍此培養學(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的一種新趨勢，是計算思維的一種具體實(shí)現與外顯技術(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，如思維導圖、流程圖、模式圖等。
�。玻硰慕虒W(xué)組織來(lái)看，基本實(shí)現了分層教學(xué)、分類(lèi)培養
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字化時(shí)代人們基本的思維方式，而不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生對于計算技術(shù)應用以及計算思維方法指導也各有側重。因此，在大學(xué)計算機基礎教學(xué)中按專(zhuān)業(yè)類(lèi)別進(jìn)行分層教學(xué)、分類(lèi)培養是十分必要的。在一些綜合性大學(xué)中，將專(zhuān)業(yè)類(lèi)別大體分為文史類(lèi)、理工類(lèi)、經(jīng)管類(lèi)等，并面向不同專(zhuān)業(yè)類(lèi)別設置了不同的教學(xué)內容，或者通過(guò)設置選修課的形式引入計算思維概念，力求使教學(xué)內容更加契合專(zhuān)業(yè)應用需求與行業(yè)發(fā)展需要；一些專(zhuān)科類(lèi)院校，如農林院校、醫科院校也紛紛結合自身需要設置了具有學(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，目前計算機基礎教學(xué)仍以大班授課為主，無(wú)法滿(mǎn)足不同基礎學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習需求。一些院校通過(guò)網(wǎng)絡(luò )教學(xué)的優(yōu)勢實(shí)現分層、分類(lèi)教學(xué)，以滿(mǎn)足不同基礎與不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習需求，彌補傳統教學(xué)課時(shí)不夠的難題［５］，計算思維教學(xué)基本實(shí)現了分層教學(xué)、分類(lèi)培養。
�。玻磸馁Y源建設來(lái)看，仍以改造為主，全新開(kāi)發(fā)為輔
教學(xué)資源是教學(xué)得以有效開(kāi)展和順利實(shí)施的前提和基礎。對于課時(shí)嚴重不足的計算機基礎課程來(lái)說(shuō)，優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的重要性更加凸顯，是支持學(xué)生個(gè)性化學(xué)習、培養計算思維能力的重要保障。大學(xué)計算機基礎教學(xué)已經(jīng)開(kāi)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(xiàn)不清晰，也不夠完善。因此，計算思維教學(xué)資源建設一般有２種形式：對原有資源進(jìn)行改造與全新開(kāi)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和習題庫等形式呈現，而微課程、在線(xiàn)開(kāi)放課程（ＭＯＯＣＳ）等新興資源形式較為少見(jiàn)。在開(kāi)放教育資源運動(dòng)蓬勃發(fā)展的今天，精品課程轉型升級已成為必然趨勢，馮博琴提出了建設計算機基礎精品資源共享課程群的設想和初步的實(shí)踐［７］。但搜索國內各大公共課程平臺，如愛(ài)課程、網(wǎng)易公開(kāi)課，計算思維在線(xiàn)開(kāi)放課程只有南華大學(xué)陽(yáng)小華教授主講的“計算思維漫談———數字化時(shí)代的生存智慧”。建設優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源仍然任重而道遠。
３計算機基礎教學(xué)中計算思維能力培養存在的問(wèn)題
從總體層面來(lái)看，基于計算思維能力培養的大學(xué)計算機教學(xué)改革實(shí)施時(shí)間較短，仍處于小范圍的實(shí)驗與探索階段，計算思維能力培養在計算機基礎教學(xué)中仍表現出隱性的、無(wú)意識與低效的特點(diǎn)，存在不少需完善的地方。
�。常睂τ嬎闼季S能力的認識存在誤區，教學(xué)目標不明確
相當數量的一線(xiàn)教師對現階段大學(xué)計算機基礎教學(xué)的教學(xué)目標存在認識上的誤區，主要體現在２方面。一是將計算思維能力等同于程序設計能力，認為訓練計算思維能力就是講授程序設計知識，未能上升到計算機系統與思維科學(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“計算機應用”與“計算思維能力培養”兩者割裂開(kāi)來(lái)。大學(xué)計算機基礎教學(xué)目標經(jīng)歷了３個(gè)階段的演變，這３個(gè)階段目標既有傳承融合，又有發(fā)展深入。而現階段目標“培養學(xué)生計算思維能力”與前一階段“培養學(xué)生計算機專(zhuān)業(yè)應用能力”存在脫節現象，未能注意兩者的延續性與系統性，極少見(jiàn)到某專(zhuān)業(yè)或學(xué)科在計算機應用技能中訓練學(xué)生計算思維能力的文獻。導致大學(xué)非計算機專(zhuān)業(yè)計算機課程存在知識型／技能型教學(xué)與未來(lái)計算能力需求之間的鴻溝［８］。
�。常参茨馨l(fā)掘獨特的計算思維訓練方法，教學(xué)效果不顯著(zhù)
大多教師在進(jìn)行計算機基礎教學(xué)時(shí)缺乏課程頂層設計思想，未能從計算科學(xué)與思維方法的高度組織教學(xué)。如在程序設計教學(xué)過(guò)程中過(guò)分重視語(yǔ)法結構的講解，對能夠體現問(wèn)題求解的思維過(guò)程缺乏總體規劃，往往一筆帶過(guò)。更為關(guān)鍵的是未能根據計算思維的特點(diǎn)與內部發(fā)生機制形成獨特的、適用于思維能力訓練的新的教學(xué)模式。很多教師對計算思維的培養還停留在無(wú)意識、隱性教學(xué)狀態(tài)，沒(méi)有達到有意識地設計和顯性教學(xué)層面［９］。思維可視化能夠將人們頭腦中內在的、不可見(jiàn)的思維過(guò)程顯性化地表示出來(lái)，從而能夠幫助人們理解思維過(guò)程、探索思維規律、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，還處于思維訓練的初級與低效階段，教學(xué)效果不顯著(zhù)，較難養成對問(wèn)題求解、系統設計和行為理解的計算思維能力。
�。常尺^(guò)多關(guān)注教學(xué)內容與模式的變革，教學(xué)系統發(fā)展不均衡
教學(xué)失衡就是指在教學(xué)過(guò)程中因缺乏系統整體觀(guān)的指導，在整合系統各因素以實(shí)現整體功能過(guò)程中所產(chǎn)生的偏離、片面和失衡狀態(tài)�，F今計算思維教學(xué)過(guò)多關(guān)注教學(xué)內容與教學(xué)模式的變革，忽視了其他教學(xué)環(huán)節。計算思維教學(xué)系統發(fā)展失衡主要表現在２個(gè)方面：一是優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源極其匱乏。目前，大學(xué)計算機基礎課程的課時(shí)普遍被壓縮、削減，計算思維能力培養單靠壓縮了課時(shí)的課堂教學(xué)是無(wú)法實(shí)現的，必須結合多樣化的優(yōu)質(zhì)學(xué)習資源進(jìn)行彌補，現有的學(xué)習資源普遍以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)習軟件等非常缺乏。二是計算思維評價(jià)體系尚未建立。目前對于計算思維評價(jià)研究與實(shí)踐存在一定的缺失，計算思維能力評價(jià)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，教學(xué)效果優(yōu)劣無(wú)法衡量，失去了教學(xué)評價(jià)對于教學(xué)環(huán)節的診斷、調控與改進(jìn)作用。
�。常从嬎闼季S教學(xué)內驅力不足，培養目標落實(shí)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)指導委員會(huì )，先后明確了計算思維在大學(xué)計算機基礎教學(xué)中的中心地位，但在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，計算思維教學(xué)仍顯得內驅力不足。從教師層面來(lái)看，由于長(cháng)期從事計算機基礎教學(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(xiàn)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(lái)看，大部分高校內部缺乏計算思維教學(xué)內容督導機制與質(zhì)量監控體系，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)計算機基礎教學(xué)中進(jìn)行了計算思維能力訓練？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(wèn)題均未得到應有的重視，國內大多數高校計算思維教學(xué)仍處于混亂、無(wú)序狀態(tài)，計算思維能力培養落實(shí)不到位。
４大學(xué)計算機計算思維能力培養策略與建議
�。矗奔涌熘贫ㄔu價(jià)機制與體系，構建模塊化的計算思維課程內容
現有的評價(jià)體系更多體現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認識不清，這也是目前計算機基礎教學(xué)中計算思維教學(xué)內容顯得大而空、不接地氣和難以落實(shí)的重要原因。因此，應根據計算思維能力的外在行為表現，開(kāi)發(fā)相應的能力測評工具，加快制定計算思維能力評價(jià)體系，根據計算思維能力的構成構建模塊化的計算思維課程內容，充分發(fā)揮評價(jià)的監測、診斷與指導作用。模塊化的計算思維課程內容可從計算思維意識培養、計算思維內容學(xué)習與計算思維實(shí)踐訓練３方面著(zhù)手，從體現計算思維經(jīng)典問(wèn)題出發(fā)，緊密聯(lián)系計算思維在各學(xué)科中的應用，分知識、應用、方法３個(gè)層面構建模塊化的計算思維課程內容，體現計算思維能力培養課程內容的漸進(jìn)性與層次性。
�。矗布訌娏Ⅲw化教學(xué)資源建設，探索新的計算思維訓練方法與手段
除了ＰＰＴ、習題庫等傳統教學(xué)資源外，還要建設一批新型的、符合計算思維能力培養的新型教學(xué)資源，在此基礎上探索獨特的計算思維能力訓練方法與手段。一是引入、開(kāi)發(fā)思維可視化工具，將隱性的思維顯性表達出來(lái)，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練的３個(gè)階段“隱性思維顯性化—顯性思維工具化—高效思維自動(dòng)化”［１１］，具有重要的借鑒意義，因此，首先應將隱性的、不可見(jiàn)的計算思維過(guò)程顯性地、可視化地表現出來(lái)，從計算思維的產(chǎn)生與活動(dòng)過(guò)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(jìn)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)域專(zhuān)家、一線(xiàn)教師與企業(yè)人員開(kāi)發(fā)針對不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生的計算思維游戲。教育與游戲的結合能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，寓教于樂(lè )，使學(xué)生通過(guò)游戲創(chuàng )作自主培養計算思維。三是建設符合學(xué)生學(xué)習認知結構與學(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)習難度，降低學(xué)生認知負荷，同時(shí)積極探索利用微課程進(jìn)行移動(dòng)學(xué)習、翻轉課堂與混合學(xué)習的新的教學(xué)模式。
�。矗撤謱�(zhuān)業(yè)開(kāi)展師資培訓，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(shí)施者、教學(xué)內容的制定者、教學(xué)活動(dòng)的設計與組織者、教學(xué)效果的檢驗者，是教學(xué)系統的核心要素。為提升計算思維教學(xué)的有效性，首先教師應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(zhuān)業(yè)相結合的相關(guān)課程和實(shí)踐的訓練［１２］。應對從事計算機基礎教學(xué)的教師分專(zhuān)業(yè)組建教學(xué)團隊，并組織計算思維領(lǐng)域專(zhuān)家對一線(xiàn)教師進(jìn)行培訓，盡快使他們接受計算思維概念，理解計算思維的內涵與特征，更重要的是使教師能夠掌握計算思維在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的應用，結合具體學(xué)科探索計算思維的教學(xué)內容、教學(xué)模式與教學(xué)規律，并在進(jìn)行教學(xué)時(shí)自覺(jué)地將計算思維能力具體化為相應專(zhuān)業(yè)的教學(xué)目標，并讓學(xué)生在結合專(zhuān)業(yè)的計算機應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(zhuān)業(yè)帶來(lái)的便利與愉悅，實(shí)現計算思維在不同場(chǎng)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。
�。矗赐晟平虒W(xué)監控與管理機制，推進(jìn)計算思維教學(xué)向規�；c制度化轉變
教學(xué)管理部門(mén)應出臺一系列教學(xué)激勵措施，鼓勵從事計算機基礎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(jià)值，勇于承擔計算機基礎教育深度改革的重任［１３］；此外，還應盡快根據評價(jià)體系完善計算思維教學(xué)監控與管理機制，以便對計算思維教學(xué)內容與質(zhì)量進(jìn)行有效監控，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)系統的內驅力，推動(dòng)計算思維教學(xué)由隱性化、被動(dòng)化向規�；c制度化轉變，使計算思維能力培養真正落到實(shí)處。
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