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高校计算机基础课程教学中“计算思维能力的培养”研究

时间:2020-09-15 10:56 | 栏目:计算机论文 | 浏览:

硕士论文网第2020-09-15期,本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇计算机论文文章《高校计算机基础课程教学中“计算思维能力的培养”研究》,供大家在写论文时进行参考。
    随着计算机的普及,计算机己成为人们工作生活中的重要工具。在当今社会中,是否具备一定的计算机技能已成为衡量一个人综合素质的一项重要标准。高等学校作为国家培养高素质人才的重要机构,其对学生进行计算机基础教育的意义就显得尤为重要。从上个世纪年开始,我国的各个高校就相继开展了计算机基础教育,经过多年的不断改革和调整,己取得了令人瞩目的成就。经过整理和分析,将我国的大学计算机基础教育分为四个发展阶段。

  第一章引言

  一、问题的提出
  1986年,我国著名科学家钱学森院士针对近三十年电子计算机发展所引起的技术革命,两千多年来逻辑学发展的历史经验教训,以及专门用于符号处理的计算机系统在智能领域存在的严重缺陷,尤其对人类的辩证思维、创造性思维、形象思维等高级抽象思维领域还缺乏系统研究,结合当时我国科学技术的发展特点,对认知科学的发展进行了科学分析,首次提出了“思维学”的理念,并给指出了研究方向、研究框架以及基本道路,并在随后的一些研究工作中进一步充实和完善了思维科学的理论与思想体系。计算科学是一个研究定量分析方法、构建数学模型以及运用计算机去分析、解决相关问题的科学领域。计算思维”是面向计算科学的思维。从我国古代的手指计数、结绳计数、算盘算筹和珠算,再到20世纪30年代问世的图灵理论和图灵机,我们可以看出,计算思维是千百年来计算学科在发展过程中一直遵循传承的一种科学思维方法。当前,计算机与人们的工作生活紧密联系,与其相关的思维活动和思维方式便成为现代思维科学领域中一个非常热门的研究课题。2006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《》首次提出了计算思维的定义——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‘。计算思维是人机共存的思维,强调机器实现和问题求解的具体操作过程。它通过运用约简、转化、嵌入以及仿真等方式以合适的方式去表述一个问题,并对这个问题的相关方面进行建模,将看似困难的问题阐释为我们知道如何去求解的问题,寻求并运用最有效的方法去解决问题。此外,周教授还提出,计算思维不是只属于计算机科学家,而是每个人都应具备的基本技能,所以我们在培养孩子们解析能力的时候,不仅要要求他们掌握算数、阅读和写作—,还应掌握计算思维。如同出版印刷的出现促进了普及,计算机的广泛应用也正反馈地促进计算思维的传播。在英国,爱丁堡大学开展了一系列与计算思维相关的主题研讨会,来自建筑、医学、物理、教育等不同领域的专家共同探讨了计算思维对他们学科的影响。英国计算机学会(通过对计算思维的进行深入分析和研究后,提出了统一的欧洲行动纲领。在中国,中国科学院自动化研究所的王飞跃教授率先将“计算思维”引入国内,提出我们应借“计算思维”之东风将中国的“算计文化”转变为“计算文化”。2008年,我国高等学校计算机教育研究会举办了“计算思维与计算机导论”的专题研讨会,吸引了来自全国80多所高校的近百名专家参加,讨论了计算思维的最新研究成果以及其对教育教学和科技创新的促进作用,还共同探讨了计算思维的培养途径与方法。目前,虽然国内外学者已开展了一些计算思维的相关研究并取得了一定的成果,但是对于计算思维的一些基本理论,比如计算思维的概念、特征、原理等,这些问题还未没有达成共识,此外,一些研究领域如以“计算思维能力培养”为核心的计算机基础课程体系、教学模式与方法以及课程教学评价体系等问题,还没引起广大学者的重视。
   二、研究意义
 为我国高等学校旳计算机基础课程教学改革提供参考意见当前,我国高校计算机基础教育中“狭义工具论”问题突出,将计算机作为学习和研究中的一个使用工具,将计算机基础教学的重心放在培养学生掌握基础知识和计算机应用能力上,淡化了学生对计算机科学中重要思想与方法的认识。为改变这种现状,教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会于年发布《九校联盟(计算机基础教学发展战略联合声明》,将“计算思维能力培养”作为我国大学计算机基础教学改革的核心任务。本研究从如何构建以“计算思维能力培养”为核心的全新计算机基础课程体系、教学模式与方法、课程教学评价体系等方面出发,以期取得突破,为我国高校的计算机基础课程教学改革提供参考意见。二)为我国高等教育行政主管部门制定促进学生“计算思维能力”培养旳相关政策措施提供参考意见,从研究综述中我们可以看出:在美国,“计算思维”已得到国家和教育行政部门的高度重视,并制定了一系列促进计算机教育改革的政策与措施,如美国国家科学基金会就先后启动了旨在振兴美国计算机教育的等四项国家计划,其中计明确提出,要通过“计算思维”来促进自然科学和工程技术领域产生革命性的成果。在中国,教育主管行政部门还未认识到计算思维的重要性,只有少数的学者和科研机构对其进行呼吁和提倡,此外,与计算思维相关的研究课题立项几乎没有,造成对计算思维的相关研究毫无实质性的进展。本研究期望能引起我国高等教育主管行政部门对培养学生“计算思维能力”重视,并为教育行政部门制定科学有效且可行的相关政策与措施提供参考意见。三)将“计算思维能力”培养与“创新人才”培养相结合,为国家培养创新型人才提供新思路和新途径,创新人才培养是我国人才发展战略的重要目标。在《国家中长期人才发展规划纲要(》中,将培养创新型科技人才作为我国人才队伍建设主要任务,并制定了详细的创新人才推进计划。培养大学生的综合实践能力和创新能力,是我国高校的重要教学任务。计算思维能力与创新能力密切相关,学生的计算思维能力培养与创新能力培养是相辅相成,不可分割的。本研究将计算思维能力与培养创新人才相结合的视角出发,进行研究和探讨,为国家培养创新型人才提供新思路和新途径。

  第二章认识计算思维

  一、国内外不同历史时期计算思维的演变
   现代计算学科大家族中有许多分支,如并行计算、网格计算、高性能计算、情感计算、虚拟计算、移动计算、云计算、移动云计算……但追根寻源,提起“计算”,我们还是得从最古老的中国“古算”谈起。现代计算思维最集中体现和最典型特征之一,就是“完备的计算系统必须是软硬件结合的系统”,计算机如此,手机也如此。而早在几千年前,中国的先民们就掌握了这一思想。如中国唐末盛行的珠算就是这样的计算系统:算盘即硬件,而珠算口诀即软件。体现计算思维这一思想的不仅仅是珠算,而是有史以来有记载的所有中国古算具:积算即筹算)、太乙算、两仪算、三才算、五行算、八卦算、九宫算、运筹算、了知算、成数算、把头算、龟算等。中国古算具与古代计算思维早在公元前年,中国人发明了利用算筹作为计算工具的筹算。算筹在计算时摆成纵式和横式两种形式,按照纵横相间的原则表示自然数,可进行加、减、乘、除、开方及其他的代数计算。为方便负数计算,算筹演进为红黑两种,红筹表示正数,黑筹表示负数。根据文献记载,算筹除竹筹外,还有木筹、铁筹玉筹和牙筹。算筹作为世界上最古老的计算工具,在春秋战国时期已广泛使用,对中国古代社会的发展起到了重要作用。中国古代数学家祖冲之,借助算筹计算出了圆周率的值,圆周率介于和之间,这一结果比西方早一千年,其精度是当时世界上最高的。中国古代的天文学家也运用算筹,计算总结出了精密的天文历法。伴随算筹问世的还有十进制计数制,也是中国古代在计算理论方面的重要发明之一。中国古代十进制算筹计数法在世界数学史上是一个伟大的创造。马克思在他的《数学手稿》一书中称十进位计数法为“最妙的发明之一”。春秋时代(公元前年至前年)出现了竹筹计数,后来演变为人类历史上早期的计算工具——中国唐末的算盘。广为流传的是明代程大位所编著的《算法统宗》,它是一部专门介绍珠算应用的书籍。程大位在书中首次提出了开平方和开立方的珠算法。珠算法的广泛使用体现了我国古代计算思维的典型特征——计算“算法化”。算盘结合了十进制计数法和一整套计算口诀。珠算被称之为我国“第五大发明”,至今仍在加减运算和教育启智领域发挥着电子计算机无法替代的作用。数学机械化的思想也来源于中国古算。年,我国著名数学家吴文俊先生对中国古代算法作了正本清源的分析,特别是中国古算的程序化思想,给他留下了深刻的印象。他认为:“就内容实质来说,所谓东方数学的中国古代数学,具有两大特色,一是它的构造性,二是它的机械化”“。我国传统数学在从问题出发、以解决问题为主旨的发展过程中,建立了以构造性与机械化为其特色的算法体系,这与西方以欧几里德《几何原本》为代表的公理化演绎体系正好遥遥相对。算筹算盘等古算具为中国传统数学算法机械化的形成和发展提供了物质基础。中国传统数学强调实用性,以解决实际问题为最终目标。这种数学实用思想与中国传统数学机械化和数值化的计算思维有直接联系。算筹算盘等计算工具和数学机械化算法口诀的广泛使用和不断发展,直接导致了数值化思想的形成。中国古人习惯于将问题数值化,将一些复杂的应用问题或理论问题转化成可以计算的问题,再通过具体的数值计算来加以解决。相对筹算而言,珠算将我国古代算法机械化特征表现的尤为明显。珠算更依赖于算法口诀,它利用汉语单字发音的特点,将多种计算程序概括成若干字一句的口块,演算时随呼口块即可随拨结果,这类似于现代电子计算机利用预先编好的程序来进行运算的过程,故吴文俊先生将算筹算盘称之为“没有存储设备的简易计算机”。中国古代的计算思维不仅使中国古代数学取得了具有世界历史意义的光辉成就,而且还提供了一种用计算方法来解决问题的思想和能力。
祖冲之与最古老的计算工具——算筹和算盘
  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)。
图灵机的工作原理

  第三章我国大学计算机基础教育发展历程及存在问题分析

   一、我国大学计算机基础教育的发展历程
   二、我国大学计算机基础教学中存在的问题

  第四章构建新型计算机基础课堂教学体系,实现理论教学与实验教学统筹协调

  一、以“计算思维能力培养”为核心的计算机基础理论教学体系
  二、以“计算思维能力培养”为核心的计算机基础实验教学体系
  三、理论教学和实验教学统筹协调,实现资源优化配置

  第五章将课堂教学体系与课外教学体系相整合,形成多元立体化计算机基础教学体系

  —、网络教学
  二、专业技能训练
  三、研究创新综合实践
  四、整合课堂教学与课外教学,形成多元立体化计算机基础教学体系
  五、逐步完善计算机基础教学体系建设,不断深化教学改革

  第六章后记

  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。
 


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