高校计算机基础课程教学中“计算思维能力的培养”研究

  二、计算思维的概念和基本理论

  计算思维（笼统地讲，指受过良好训练的计算机科学工作者面对问题所习惯采用的思维方法，体现为在过去半个多世纪以来，成就计算机和信息技术辉煌发展过程中，行之有效的若干分析与解决问题的典型

手段与途径。2006年美国卡内基梅隆大学周以真教授认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念求解问题、设计系统和理解人类行为的科学方法。它通过选择合适的方式陈述一个问题，对一个问题的相关方面建模，并用最有效的办法实现问题的求解。计算思维强调问题求解的操作过程和机器实现，是一种人机共存的思维。计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看起来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题。计算思维以设计和构造为特征，涵盖了计算机科学领域的一系列思维活动，其特征表现在可行性、构造性和模拟性三个方面；其标志表现在有限性、确定性和机械性三个方面，因此计算思维也可称之为构造思维。关于计算思维的特征和方法，周以真教授对此形成了系统的观点，她认为计算思维具有六个特征：概念化而不是程序化,计算科学不只是关于计算机，就像音乐不只是关于麦克风一样。计算科学不仅仅是计算机编程。像计算机科学家那样在抽象的多层次上去思维，意味着远远不只为计算机编程。基础性而不是刻板的技能,计算思维是现代社会生存的基本技能，是每个人为了在现代社会中发挥能力所必须掌握的，而刻板的技能意味着简单的机械重复。是人的思维而不是计算机的思维,计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那样去思考。人类聪颖且富有想象力，是人类赋予了计算机的工作能量与激情。计算机反馈给人类强大的计算能力，人类应该好好地利用这种计算能力去解决各种需要大量计算的问题。是思想而不仅仅是人造产品,不只是将人类生产的软硬件产品呈现给人类社会，更重要的是计算的概念，被人类用来求解问题、管理日常生活以及与他人进行交流和互动。数学和工程思维的互补与融合,计算科学在本质上源自数学思维和工程思维，它的形式化基础建筑于数学理论之上，其建造的也是能够与现实世界和社会工程互动的系统。此外，周教授还总结了一系列计算机科学的思维方法：抽象与分解，递归，保护、容错、冗余、纠错和恢复，利用启发式推理来求解问题，在不确定情况下的规划、学习和调度等等。目前，人们对计算思维的理解逐渐呈现出两个发展方向：人工智能方向（以思维科学为基础，以计算为核心）和认识论方向（以计算为基础，以思维科学为核心）。

  继第一章前言部分的叙述后，第二章为介绍计算思维部分，主要包含三方面内容：不同历史时期“计算思维”演变、计算思维的概念与基本理论、计算思维与计算思维能力的关系。第三章介绍了我国大学计算机基础教育的发展历程，并详细分析了现阶段我国大学计算机基础教学中存在的问题。本研究的主要研究结论集中在第四章、第五章、和第六章中。第四章通过对教学理念、课程体系、教学模式、教学方法、教学考核评价机制、教学师资队伍教材建设等七个方面进行研究和探讨，分别构建以“计算思维能力培养”为核心的大学计算机基础理论教学体系和实验教学体系，并探讨理论教学与实验教学实现统筹协调的途径与方法。第五章构建了大学计算机基础课外教学体系，并将其与课堂教学体系相整合，形成了多元立体化的大学计算机基础教学体系。课堂教学体系包含理论教学和实验教学，课外教学体系包含网络教学、专业技能训练、研究创新综合实践。网络教学主要有教学网站、网络教学资源库、网络管理平台等三个部分组成。研究创新综合实践平台主要有科研活动、科技竞赛、产学研结合等三个部分组成。在此基础上，本文对各个部分的建设要求和功能实现途径进行了探讨。此外，本章还提出了逐步完善大学计算机基础教学体系，不断深化教学改革工作的建议与对策。从“计算思维能力”培养与“创新人才”培养相结合、计算机基础教学与专业教学融合、精品共享课程建设、师资队伍建设与管理、示范中心的辐射作用发挥、与国际平台的交流与合作等方面提出了具体的方案。诚然，由于笔者的研究经历、研究水平以及材料的可获得性，本研究尚有很多不足和有待进一步研究的地方。  不论是中国的古算具，还是世纪年代出现的图灵机和图灵理论，以至现在广泛应用的微型计算机，我们都可以看出：计算思维并不是一个新概念，更不能看成是计算机的产物，而是千百年来计算学科在发展过程中一直遵循传承的一种学方法。年，美国卡内基梅隆大学周以真教授在美国计算机权威杂志上首次提出了计算思维的科学定义。至此，计算思维才被提升到理论科学的高度，引起了国内外计算机教育学者的广泛关注。在当今信息时代，计算思维巳成为每个人必备的一种基本素质，其意义和作用被提到了前所未有的高度。年月，我国教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会在西安会议上发布了《九校联盟（计算机基础教学发展战略联合声明》，确立了以“计算思维”为核心的计算机基础教学改革，标志着我国新一轮的计算机基础教学改革拉开了序幕。构建科学的以“计算思维能力培养”为核心的大学计算机基础教学体系，是我国各个高校和广大学者面临的重要任务，也是本研究的意义所在。本研究以培养学生的计算思维能力为指导思想，构建了多元立体化大学计算机基础教学体系，将课堂教学与课外教学相结合，综合理论教学、实验教学、网络教学、专业技能训练和研究创新综合实践等各个部分的优势，全方位、多元化地培养学生的计算思维能力，进而提高学生的综合实践能力和创新能力，为我国实现高素质创新人才培养目标而服务。本文的研究结论对我们的启示有二。其一，很多高校计算机基础教学中“重理论轻实践”思想严重，重视理论教学，忽视实验教学；缺乏“全面、多途径培养”意识，重视课堂教学，忽视课外教学；计算机学习与专业学习脱离现象严重；“狭义工具论”思想盛行，这些因素已成为培养学生计算思维能力的最大障碍。我们必须要从改变教育理念，整合课程内容体系，创新教学模式与方法，完善教学考核评价机制，调整师资队伍等方面着手，积极构建多元立体化计算机基础教学体系，课堂教学与课外教学相结合，理论教学与实验教学统筹协调，实现各个组成部分的相互配合与有效衔接，形成有助于培养学生计算思维能力的最大合力。其二，各个高校应根据自己学校的教育目标、专业设置、教学条件以及学生特点等实际情况，科学制定计算机基础教学改革与发展规划，合理地构建适合本校的计算机基础教学体系，做到因地制宜。虽然，我国以“计算思维能力培养”为核心的大学计算机基础教学改革才刚刚幵始，可借鉴的成功经验有限，理论和实践方面成果很少，但我们有理由相信，在广大计算机教育学者的共同努力下，我国的大学计算机基础教学改革必将取得令人瞩目的成果。  “计算思维能力培养”是一个刚刚兴起的研究问题，相关的理论成果和实践经验很少，加上研究视野、能力水平等限制，所以本文所构建的“多元立体化大学计算机基础教学体系，仅涉及到理论教学、实验教学、网络教学、专业技能训练、创新综合实践等内容，并对这五个部分分别进行了较为深入的分析和研究，还未考虑到其他因素，这是本研究的不足之一。本研究的不足之二，我国的计算机基础教学改革工作刚刚开始，已取得教改实践成果的高校很少，导致本研究缺乏足够的相关实证研究，研究结果还处在理论讨论层面，仍需通过相关的实践来检验并不断修改和完善。以上的不足，笔者会在以后的研究中加以注意，并尽量克服。  如上文所述，由于资料的可获得性，本文缺乏对国外大学在“计算思维能力培养”方面的优秀理论成果与实践成功经验的总结，所以未能为我国以“计算思维能力培养”为核心的大学计算机基础教学改革提供借鉴。除了缺乏对国外大学在“计算思维能力培养”方面的研究与分析，是本研究尚待解决的问题之外，笔者只是在第五章结尾处提出要逐步完善大学计算机基础教学体系建设，不断深化以“计算思维能力培养”为核心的计算机基础教学改革工作，并从更新教育理念、基础教学与专业教学融合、精品开放课程建设、师资队伍建设与管理、示范中心的辐射作用发挥等方面提出了建议与对策，但至于具体的实施细则与策略，由于笔者研究经验欠缺，还未能给出科学合理的解释，这也是笔者以后在该领域需进一步加强学习和深入研究的。