計算機教學體系定位及層次

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摘要：針對現階段高校計算機課程教學體系，分析和研究了計算思維培養在整個計算機教學體系中應該有的定位及其層次結構，提出了以計算思維培養為核心的培養新模式，并以實際課程為例詳細闡述了計算思維具體的六層結構以及存在的不足。

關鍵詞：計算思維；計算機教學體系；思維層次

一、計算思維及其培養

計算思維這一概念是由美國卡內基•梅隆大學的周以真教授在2006年提出和定義的。它是指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學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字運算及演變，它與日常的萬事萬物都有聯系。抽象出來，計算就是從一個已知的符號串，按照一定的規則與方法，經過有限步驟，最后得到滿足預先設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生的想法或見解，它是人腦對客觀現實直接和間接的反映，反映了事物的本質及事物間的規律。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容，計算思維成為現代人必須具備的思維能力。美國心理學和教育學家RobertJ.Sternberg指出：“思維教學的模式是將思維訓練融合在教學的各個環節當中，符合思維訓練與學科教育的統一性，即學科知識與思維能力互相促進，共同提高?！盵3]所以要將計算思維培養更好地融入到計算機專業教學中，就必須先明確計算思維培養在計算機教學體系中的定位及其本身的階段性與層次性，讓學習者在思維活動中學習，同時也學習思維本身，相輔相成，相互促進。

二、計算機教學知識體系及層次結構

從工程學角度上講，計算學科知識體系可以分為理論、技術、工程三個層次，學科的根本問題與本質屬性決定了這三個層次的模糊界限與關系。同樣，現代計算機教學知識體系的設置也遵循這樣的層次結構，分別從計算機理論知識、計算機技術開發、計算機工程應用這三個層次培養學生：理論層面主要是數理理論、邏輯理論等；技術層面主要涵蓋軟件開發、算法分析、程序設計等；工程層面主要是人機交互、機器智能、數據表示等。目前計算學科已經是一個龐大的學科，IEEE/CS和ACM在2005年將計算學科按內容劃分為計算機科學、信息系統、軟件工程、計算機工程、信息技術五個分支學科[4]，每個分支在教學側重點上略有不同。但隨著計算學科的規范和計算機產業的發展，這三個層次已不足以完全闡述學科的層次結構，計算工具、計算服務與計算應用作為計算學科更細致的劃分，在整個工程層次體系中占有不可或缺的位置。雖然現代計算機教學體系中的課程較少涉及這三個層次，但理論、技術、工程、工具、服務、應用這種更完整的六層結構[5]，以理論開始，以應用結束，更清晰地闡述了計算學科的工程層次結構，這一層次鏈條上每一個環節都涵蓋計算思維的內容，相互獨立又彼此聯系，是設置思維訓練課程必須考慮的。

三、計算思維的定位與作用

計算思維培養在大學計算機教育體系中的定位，關系到整個計算學科的教育進程及思維方式的變革。在目前國內計算機教學體系中，計算思維培養才剛剛起步，它的課程設置多種多樣，定位也很不明確。實際上，思維培養是一個長期的認知過程，思維培養應該是貫穿于整個學習過程的一個長期行為，不能只在教學體系的最初或者最后開設一兩門普及課程進行講解就以為足夠了。這里說的計算思維培養是涵蓋計算學科五個方向六個層次，從頭到尾貫穿計算機整個知識體系，以計算機導論為基礎和接入點，以思維培養為最終目的的漸進式課程設置?，F階段，將計算思維能力培養融入課程中的方法很多，浙江大學何欽銘教授歸納了典型的三種[6]：（1）方法推動式。課程內容保持原樣，不做大的調整。通過改進教學方法來引導學生體會知識背后所蘊含的計算思維規律和特點。（2）內容重組式。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容，在課程形式與結構上有大幅度的調整。（3）全面更新式?；緬侀_原有的教學體系，對學科知識點進行大幅度更新，加大和突出與思維訓練相關的主題與內容。當然，具體的教學方法要與高校實際教學情況與學生接受程度相吻合，循序漸進，有針對性地將思維培養融入到教學當中?？偟膩碚f，計算思維培養在計算機教學體系中的定位應該是以思維培養為目標，全面覆蓋計算機學科知識體系中各個分支內容，以分層次教學為主要形式的創新型計算機思維培養模式。

四、計算思維的教學層次分析

我國高校對于計算思維教學大多數都還處于研究階段，少數高校以選修課的形式進行介紹與培養，幾乎沒有國內高校進行專業研究及專業課程培養。這與高校計算機教育的培養目標有關，也與學生素質與需求等實際情況有關。以本校重慶理工大學為例，教研團隊開設了《計算思維與計算文化》選修課，主要進行計算思維的介紹與培養。課程針對的主要人群是大量的非計算機專業學生及少部分專業學生，屬于通識類的思維啟發課程。經過教學實踐，效果良好，但也有很多問題與不足，尤其對于整個計算學科來說，它不應該僅僅只局限于非專業學生的通識普及，更應該讓計算思維優勢在專業學生中產生作用與影響，促進計算機教學知識體系的完善與突破。對于計算機專業的學生而言，計算思維培養理應作為必修課貫穿于整個教學體系當中，并且其培養應該與專業知識體系及層次相一致，進行層次化的計算思維培養。從學科內容和層次來看，計算學科至少包含五個方向：計算機科學、信息系統、軟件工程、計算機工程、信息技術，以及六個層次：理論、技術、工程、工具、服務和應用。在方向內容大同小異的前提下，計算思維在這個層次結構中應該形成與它自身相對應的層次結構，即：計算理論思維、計算技術思維、計算工程思維、計算工具思維、計算服務思維和計算應用思維。為了更清晰地闡述計算思維的層次結構，以課程《面向對象程序設計》為例，它作為一門綜合性課程，應包含程序設計理論、程序設計技術、程序設計工程、程序設計工具、程序設計服務、程序設計的應用這六個層次。程序設計理論包括結構化程序設計思想、面向對象程序設計思想等理論知識；程序設計技術包括數據結構、算法設計等開發技術；程序設計工程包括軟件工程、測試與調試等相關內容；程序設計工具包括C++、JAVA等各種高級語言及編譯環境；程序設計服務包含WebService、MobileService等內容；程序設計應用則包含眾多的應用領域，如管理信息系統、計算機游戲和Web應用等。因此，對于學生來說，思維層次也應相應地具有程序設計理論思維、程序設計技術思維、程序設計工程思維、程序設計工具思維、程序設計服務思維和程序設計應用思維[7]。在教學過程中，每一層次的思維培養都能幫助學習者更好地熟悉和理解程序設計，反過來程序設計所體現的計算方法與思想也為學習者計算思維的培養提供了依據與養分。

五、結束語

思維發展水平是學生成才的關鍵，計算思維讓學習者像計算機專家一樣去思考和解決問題，它理應在計算機教學體系中占據越來越重要的位置。學習和思維不是彼此獨立的，計算機教育不應僅僅停留在專業技術的學習上，怎樣把思維培養更好地融入專業教學中，怎樣以一個更系統的更清晰的層次結構來進行思維培養，還有很多工作要做。

參考文獻：

[1]JeannetteM.Wing.ComputationalThinking[J].Communica-tionsoftheACM.2006,49(3):33-35.

[2]李建會.走向計算注意[M].北京:中國書籍出版社,2004.

[3]斯滕伯格.思維教學———培養聰明的學習者[M].北京:中國輕工業出版社,2001.

[4]ACM/IEEE-CS.ComputingCurricula2005-TheOverviewReport(pdf)[Z].

[5]董榮勝,古天龍,蔡國永,等.計算機科學與技術方法論[J].計算機科學,2002,29(1):124,12.

[6]馮博琴.對于計算思維能力培養“落地”問題的探討[J].中國大學教育,2012,(9):6-9.

[7]郭喜鳳,孫兆豪.論計算思維工程化的層次結構[J].計算機科學,2009,4(36):64-68.

作者:周宏 單位:重慶理工大學