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摘 要：计算思维已成为现代多学科人才必须具备的一项基本素质.为了在计算机导论课程的教学中大力培养学生的计算思维能力,文章依据计算思维的内涵和计算机导论课程的构建目的,从教学内容、教学理念、教学方法及教学评价4个方面介绍课程改革情况,指出这种改革充分体现以人为本、传授知识、培养能力、提高素质、协调发展的现代教育理念.
关 键 词：计算机导论；计算思维；课程改革；自由文理；团队教学
0引言
针对国内外计算机教育发展的新动向,教育部高等学校计算机专业教学指导分委员会联合中国计算机学会教育专业委员会、全国高等学校计算机教育研究会,特别就计算思维能力的培养问题形成几点认识.计算机专业教育应该在计算思维能力培养中做出表率,将系统化计算思维能力的培养贯穿在计算机专业的教育中.计算机导论是计算机专业的一门先导必修课程,是作为计算机专业学生进入大学后的第一门专业课程,其主要作用可以归纳为“五导”：导知识、导方法、导思维、导意识和导职业.我们认为“导思维”是首要的,也是最为核心的,同时也是最难做到的,“导思维”在引导培养学生计算思维能力的过程中,可以很好地、潜移默化地达到其他4项引导作用.
如何建立计算思维能力的培养要求、实施途径、评测规范与方法一直是当前计算机教育者从事计算思维研究的一项重要课题.我们结合教学团队多年的经验积累,依据计算思维的本质和特征及计算机导论课程的构建目的,从教学内容、教学理念、教学方法及教学评价等方面探讨如何在计算思维驱动下对计算机导论课程进行一系列的改革和探索.
1计算思维与计算机导论
计算思维（ComputationalThinking）,笼统地讲,是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问题与解决问题的典型手段与途径.其具体内涵在近年来发表的文献资料中均有丰富论述.而有关计算机导论课程的构建问题,在1989年ACM攻关组所提交的“计算作为一门学科”（Computingasadiscipline）报告中认为,该课程要培养学生面向学科的思维能力,使学生领会学科的力量,以及从事本学科工作的价值所在.报告希望该课程能用类似于数学那样严密的方式将学生引入到计算学科各个富有挑战性的领域之中.
2008年6月在网上公布的ACM对CC2001（CS2001）进行的中期审查报告（CS2001ImerimReview）（草案）中,开始将美国卡内基·梅隆大学计算机科学系教授周以真（JeanteM.wing）倡导的“计算思维”与计算机导论课程绑定在一起,并明确要求该课程讲授计算思维的本质.
综上所述,计算机导论这门课程不是解决对计算机功能的工具性认识问题,而是要对学生进行专业引导和思维引导,应该以面向计算学科的思维能力,也即计算思维能力的培养为核心.学生如果有了良好的计算思维品质,不管环境、知识需求如何变化,都可以灵活应变,从而为今后的专业学习以及走上工作岗位打好坚实的基础.
2计算思维驱动下的课程改革
2.1统一教学目标,灵活教学内容
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本概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为.它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动.计算思维一大特征是数学和工程思维的互补与融合.计算机科学在本质上源自数学思维,其形式化基础建筑于数学之上.计算机科学又从本质上源自工程思维,基本计算设备的限制迫使计算机学家必须计算性地思考,不能只是数学性地思考.所以计算思维的研究存在多维性,它紧密地同数学、科学和工程结合在一起.另一方面,计算思维建立在计算过程的能力和限制之上,由人和机器去执行,在求解问题时必须从人的认知、心理、思维活动和学科发展角度去入手,故存在研究角度的多态性.
因此,计算思维多维、多态的复杂特征决定了计算机导论课程当前培养方案的多样性与差异性.当今计算机的理论和技术发展太快,新的知识大约每两年就会增长一倍,教材根本无法实现实时地对新知识、新技术进行跟进.因此,我们主张教材为辅,“导思维”为主的原则,在统一的数学目标指导下灵活课程的讲授内容,留给教师和学生最大的思考空间.没有了教材的“束缚”,教师有了更多的掌控空间,学生也不会因教科书而将概念固定化,更不会出现临考抱“教材”的现象.
我们确定计算机导论课程的教学目标是：在学生建立计算机专业学科知识体系框架的同时激发学生的学习兴趣及学习的主动性,培养学生的计算思维能力、洞察问题及解决问题的能力,为后续学习相关专业课程、参与创新课题等打下坚实的基础.在教学内容的划分和安排上,由于课时有限,我们主张理论教学内容在划分上尽可能地简单分明,前后知识可以很好地呼应起来,这样更有利于知识点的系统化,不会因为章节庞杂、知识点太多而导致学生难于消化.为此将课程的讲授内容简单划分成3大部分：
（1）介绍计算学科各领域的发展史及前沿,揭示各主要领域的基本规律及相互之间的内在联系；认识当前社会和职业问题等.
（2）介绍计算机学科中的经典科学问题,初步认识和理解抽象、理论和设计3种学科形态.
（3）讲解计算机学科中的核心概念（如算法、数据结构、程序、软件、硬件、信息表示等）,探讨研究学科中的数学方法和系统科学方法,培养计算思维能力.
在讲授过程中,我们借助精心制作的多媒体课件,结合授课内容和计算思维的培养目标,随时有针对性地调整和丰富自己的讲授内容.例如,讲解计算机学科各领域的发展史时,通过引荐吴军老师的《浪潮之巅》,让学生对整个信息产业有个整体了解,明鉴信息技术之兴衰和发展；而王伟老师的《计算机科学前沿技术》则系统展示了计算机学科各领域中令人激动的前沿技术,揭示未来计算机的发展方向,很好地体现了计算思维及其重要性.2.2主张自由文理教育,突显学生主体
作为国家建设未来的栋梁,需要的不是仅有技能的人才,重要的是有思想、精神、独立思考能力和良好的身体.技能是容易学的,但一个人的素养和教养不是一蹴而就就能培养的.大学教育的目的应该在于培养学生终身学习的能力,比如阅读、写作、计算思维,而不是一时的某项职业技能.如果学生进入大学仅是为了将来的饭碗,那必然会羁绊他的头脑,抑制他的求知欲.所以大学的专业学习需从“学什么”（内容）转到“如何学”（过程）,将“导思维”放置课程建设的首位.
我们主张自由文理（LiberalArts）的教学理念,力争引导一种自由的环境,激起学生主动学习的,成为真正热爱学习的人,即在没有外界利益驱使下仍然在学习的人.对于自由的学生,他们的时间,他们的大脑和心灵在学习的时刻才真正受他们自己所支配,这样的学习过程才可能专注且快乐.
在教学中,我们坚持以学生为本,打破传统的教师讲学生听的单向模式,在课堂上采用提问式教学,注意引发学生学习的动机；严格地遵循计算机学科的发展规律,定期给出具有一定挑战性的课题,通过分组合作的方式,以师生间讨论、辩论的形式,自律地学习获取知识的方法及分析问题的原则；利用平时的小论文,引导学生收集资料,增强自我学习的能力,建立抽象立体的概念；通过对科学大师的解读沉淀一种学者的尊严和对真理的敬重和向往,培养学生的社会责任心.
2.3遵从螺旋式组织方式,提升学生思维
若将教学比作爬山,通常的教学习惯是一口气从山下直线攻顶,而布鲁纳在《教育过程》中所提出的螺旋式课程（Spiralcurriculum）则是绕着山转,在相同的角度看到的风景虽然都一样,但每次绕回来时的高度不同,能看到的广度和深度都不一样.等到达山顶时学生不仅对山有具体认知,也能掌握四周环境全面性的关联知识.计算机导论课程几乎涵盖了计算机领域所有的理论、技术和研究课题,内容太过广泛,若前后不能很好地呼应起来,学生往往会因孤立地学习太多的知识点而导致前面学的内容到后面就忘记了,理解起来也相对困难.对于计算机科学这样一个有机的、庞大的学科体系,教师应该引发学生对计算机学科知识结构的理解,精熟其基本原则、原理,以此产生类化的能力,而不是零碎概念、知识点的描述.
我们在课程实施中,遵循螺旋式课程的组织方式.首先结合教学团队多年的教学经验和团队成员之间的合作讨论对课程知识进行合理的结构化；然后从学生认知发展角度出发,沿认知发展的动作表象、形象表象、符号表象3个阶段来组织课程内容.讲授内容如2.1节所述,知识点在组织安排上前后呼应,螺旋式地扩展和加深,直至复杂、抽象的现代知识领域；最后在教学过程中我们采用合理的教学方式和紧密相连的学习节目来配合教学过程.比如教学中我们注重学习情境的安排,在讲授算法时,注重引导学生感受其产生背景,摸索过程,走过什么道路,不同阶段产生什么改变,将来的发展趋势是什么,它还可以做什么改进等.引导学生主动参与学习活动,提供学生更多自行探索的机会,最终实现将“知识个人化”.为使学生站在同一角度看到更大的广度和深度,我们主张采用团队教学制.计算机学科发展迅速,应用领域广,学科交叉和渗透十分突出,而计算机学科教师掌握和积累知识的广度是有限的,往往限于个别研究方向,为了提高学生的学习兴趣,拓展学生的思维和视野,在不同的知识领域会组织邀请相应有所“专”的教师来讲授,这样可以发挥团队互补优势,实现对学生全方位的指导,收到良好的人本教育的效果.
2.4采用分级评价手段,有效监管教学过程
计算思维能力的培养是一个长期的过程,学习和思维不是彼此独立的,是紧密而互补地联系在一起的.所以为了内化学生的计算思维能力,我们必须有效监管整个教学过程,对每个个体在不同的教学环节中的表现做出正确评价,这样才可以实施因材施教,兼顾那些因各种原因而落后的学生.
我们采用螺旋式教学法,非常注重引导学生课前进行预习.在讲授新内容之前,我们要求学生课前收集相应的材料加以了解,课堂上通过实施提问式教学,引导学生积极讨论,同时依据学生参与情况及时做出相应的评价,对未准备的学生要给予相应惩罚,并在下次课中加重对其进行考察.相应地,在平时作业中我们不会布置常识性的题目,而是根据授课内容布置一些能够引发思考、对计算机学科整体认知有帮助的题目,这样就避免了作业抄袭的现象,增加了学生主动思考的机会,教师也可及时捕获学生思维能力的
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变化,调整和改进后续的讲解内容.我们所采用的团队教学制为实施团队合作式学习提供了很好的平台.在整个课程结束后,教学团队中的每个成员会给出一些具有挑战性和合作性的题目,学生根据自身对学科分支的理解和把握情况来挑选导师,在导师的牵头引领下开展以小组为单位的研究型学习.学生最终需按照要求提交论文或报告,并在小组内通过上台演讲的方式进行答辩,最终以个人和小组的共同表现综合给出评定.
期末考试是课程教学的最后环节,也是整个评价的最后一部分.为了与课程“导思维”的目的一致,我们与平时授课和作业结合起来,在大量减少客观性的、死记硬背式题目后,增加大量探讨性的、主观性题目,给予学生足够的思考空间.这样一方面在某种程度上减少考场的机会,另一方面也能够更好地检验学生对计算机学科整体认识的程度.
3结语
计算机科学与技术不仅为不同专业人员提供了解决相关问题的有效方法和手段,而且提供了一种独特的处理问题的思维方式.因此在计算机导论课程中,我们坚持将“导思维”放在第一位,在授课过程中以学生为主体,选择合适的教学方法,充分调用学生的积极性和主动性,通过多级评价体系强化教学效果,为后续相关课程的学习奠定理论和方法论的基础.当然有关计算思维能力的培养是个漫长的过程,是一个终生学习的过程,对于每一位教育工作者都应在教学中坚持“授之以渔”,而不是简单化为“授人以鱼”.
（见习编辑：刘丽丽；编辑：郭田珍）