對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的思考
0引言
計(jì)算思維是美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授于2006年提出并定義的新概念，她認(rèn)為計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。
計(jì)算思維的提出引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，影響了我國的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的思路和方向。2010年7月，西安九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)上發(fā)布的《九校聯(lián)盟計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》強(qiáng)調(diào)了將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的核心任務(wù)。2011年中科院陳國良院士在《中國大學(xué)教學(xué)》上發(fā)表了計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育，提出了以計(jì)算思維為主要內(nèi)容的計(jì)算思維導(dǎo)論課程的構(gòu)建。計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育相結(jié)合成為目前計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域比較熱點(diǎn)的研究?jī)?nèi)容。
結(jié)合高校的教學(xué)實(shí)際情況，筆者認(rèn)為，對(duì)計(jì)算思維概念本身的認(rèn)識(shí)以及如何在教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力應(yīng)是研究的重點(diǎn)。
1計(jì)算思維
隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的飛速發(fā)展，目前計(jì)算機(jī)的使用已經(jīng)深入到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，人們希望能夠更好地借助計(jì)算機(jī)完成工作，尤其是在科學(xué)研究領(lǐng)域，科研人員更迫切希望計(jì)算機(jī)為其研究開辟新的思路和方法。計(jì)算思維的提出是通過突出計(jì)算機(jī)處理問題的特性，引導(dǎo)人們從理論的角度理解計(jì)算機(jī)的行為，以便更好地使用它。然而關(guān)于計(jì)算思維這個(gè)概念，計(jì)算機(jī)學(xué)界一直存在著爭(zhēng)議，主要以ACM的前任會(huì)長(zhǎng)Peter J Denning和2003年圖靈獎(jiǎng)獲得者Peter Naur為代表。
計(jì)算思維(Computational Thinking)的爭(zhēng)議，關(guān)鍵在于對(duì)計(jì)算(Computation)一詞的理解。什么是計(jì)算?目前沒有明確唯一的定義，但一般的理解是，計(jì)算可看做一種信息狀態(tài)到另一種信息狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，其中包含信息的傳遞和變化。比如，在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)里，一組輸入到一組輸出，其中的變化過程就是計(jì)算。然而在生物學(xué)領(lǐng)域有個(gè)著名的中心法則，即DNARNA蛋白質(zhì)，現(xiàn)代分子生物學(xué)研究表明，DNA,RNA、蛋白質(zhì)都是由其編碼序列決定的，它們之間的變換存在著信息的傳遞，科學(xué)家們認(rèn)為這也是一種計(jì)算。
周以真教授關(guān)于計(jì)算思維的定義，顯然是將計(jì)算限定在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，這樣是否會(huì)導(dǎo)致人們對(duì)計(jì)算認(rèn)識(shí)的局限甚至是誤解?Denning教授指出:計(jì)算思維并不是計(jì)算機(jī)科學(xué)唯一和獨(dú)有的特征，如果不謹(jǐn)慎地認(rèn)識(shí)和看待它，將會(huì)把人們引向思維的陷阱。同時(shí)，他認(rèn)為計(jì)算作為信息的處理過程，在自然界中是無處不在的，計(jì)算機(jī)的計(jì)算只是眾多計(jì)算中的一種形式。
計(jì)算機(jī)可以幫助人們完成很多任務(wù)，導(dǎo)致人們對(duì)它寄予過高的期望，周以真教授認(rèn)為應(yīng)該將計(jì)算思維變成常識(shí)。但是，這種美好的愿望忽略了一個(gè)基本的事實(shí)計(jì)算機(jī)本身的局限性。目前的計(jì)算機(jī)是以圖靈機(jī)為基本模型，Nour教授在Computing versus human thinking一文中論證了這種計(jì)算機(jī)并不能描述人的思維，它只是描述現(xiàn)實(shí)世界的一種形式。這種觀點(diǎn)從根本上說明了當(dāng)前計(jì)算機(jī)在處理信息能力上的局限性。當(dāng)然，我們不能預(yù)測(cè)計(jì)算機(jī)以后能否完全描述和模擬人的思維，但是在目前的架構(gòu)下是不能實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算機(jī)雖然能幫助我們解決很多現(xiàn)實(shí)的問題，但不能期望它是萬能的，我們要了解目前計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究邊界。Nour教授的研究還表明，圖靈模型不足以描述人的智能，如何使機(jī)器具有人的智能，可能還需要從不同的角度去研究，比如生物學(xué)的角度或非數(shù)字的形式。
上述兩位教授提出的質(zhì)疑，實(shí)質(zhì)上是計(jì)算思維定義的延伸，即計(jì)算不能僅指計(jì)算機(jī)科學(xué)范疇內(nèi)的計(jì)算，目前計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念也不足以描述所有的計(jì)算。計(jì)算思維的定義是從目前計(jì)算機(jī)科學(xué)所處的水平和角度提出的'概念，這個(gè)概念可以概括當(dāng)前計(jì)算機(jī)工作的特點(diǎn)，但如果作為一種思維方式進(jìn)行推廣，可能會(huì)在某種程度上限制人們的思維。
從另一個(gè)角度看，計(jì)算思維概念的提出具有非常積極的意義，它從一定程度上簡(jiǎn)明扼要地指出了計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心和本質(zhì)問題，為其他科學(xué)領(lǐng)域的研究人員深入學(xué)習(xí)和理解計(jì)算機(jī)科學(xué)提供了很好的目標(biāo)與方向。綜上所述，計(jì)算思維目前還是一個(gè)處于研究和探索的定義或概念，有待發(fā)展和完善，因此，我們?cè)趯⒋烁拍钸\(yùn)用到大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革中時(shí)，應(yīng)注意此概念涵蓋的范圍。
2計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革
在當(dāng)前的信息化社會(huì)中，計(jì)算機(jī)作為信息處理的主要工具已成為人們生活、學(xué)習(xí)和工作必不可少的幫手，因此，在各個(gè)層次的教育中，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育都是非常必要的。但是，在以往計(jì)算機(jī)教學(xué)的過程中，不論是教學(xué)方法還是教學(xué)內(nèi)容都存在著狹義工具論的問題，即僅把計(jì)算機(jī)作為工具，產(chǎn)生的后果是，學(xué)生只能機(jī)械地操作計(jì)算機(jī)而不能靈活地使用計(jì)算機(jī)解決問題。從另一個(gè)角度看，工具論的教學(xué)思維導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)思想不明確，老師和學(xué)生熱衷于追逐新技術(shù)、新方法，多年的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育并沒有形成穩(wěn)定的課程知識(shí)體系和科學(xué)的課程知識(shí)結(jié)構(gòu)，這都是教學(xué)中亟待改革的弊端。把計(jì)算思維引入計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的研究即是針對(duì)這一弊端提出的解決思路。
計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及行為理解，正好指明了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育不應(yīng)只停留在工具使用層面，而應(yīng)深入地培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)解決問題的能力。
然而，如何才能培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力?計(jì)算思維不能只是抽象的概念，我們需深入思考一下計(jì)算思維的內(nèi)涵，再結(jié)合計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的實(shí)際對(duì)其進(jìn)行全面的分析。
我們知道一種思維的形成不是通過一兩門課程的學(xué)習(xí)就能構(gòu)建起來的。具體到計(jì)算思維，按照其定義，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解的，而計(jì)算機(jī)學(xué)科求解問題通常有3個(gè)過程:①理論(數(shù)學(xué));②抽象(模型);③設(shè)計(jì)(工程)。具備這3個(gè)過程的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)課程至少包括離散數(shù)學(xué)、算法分析理論、計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)方法學(xué)以及至少一種程序設(shè)計(jì)語言。
目前，我國的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)屬于公共基礎(chǔ)課程，其課時(shí)和教學(xué)內(nèi)容都很有限，一般在1-3個(gè)學(xué)期內(nèi)完成，每個(gè)學(xué)期開設(shè)一門計(jì)算機(jī)相關(guān)課程，大概總學(xué)時(shí)不會(huì)超過200學(xué)時(shí)。如果按照上文的方式引入以計(jì)算思維為主的教學(xué)，其課時(shí)至少要翻一倍，且這種調(diào)整涉及所有專業(yè)，其可行性有待商榷。況且，課程的深度與難度也不是所有專業(yè)的學(xué)生都能適應(yīng)的。因此，通過大幅增加教學(xué)內(nèi)容和加深教學(xué)難度的方式來培養(yǎng)計(jì)算思維，其實(shí)施難度較大。
怎樣才能將計(jì)算思維的理念有效地運(yùn)用到大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中去呢?計(jì)算思維涵蓋的內(nèi)容非常廣泛，如果籠統(tǒng)地強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，在教學(xué)實(shí)踐中難以落實(shí)。根據(jù)學(xué)生專業(yè)的特點(diǎn)以及對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)需求的層次不同，教師可以將計(jì)算思維能力進(jìn)一步分解與細(xì)化，實(shí)現(xiàn)在不同層次上培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。
計(jì)算思維能力由淺到深可分為3個(gè)層次:操作能力、信息處理能力、問題求解能力。
操作能力是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的能力，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生使用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題，只有在熟練操作機(jī)器的基礎(chǔ)上才可能進(jìn)一步了解機(jī)器。操作能力是計(jì)算思維最基本的內(nèi)容。計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)眾多，應(yīng)用程序更是成千上萬，操作能力的培養(yǎng)關(guān)鍵是能夠舉一反三，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。這個(gè)階段的學(xué)習(xí)應(yīng)以上機(jī)訓(xùn)練為主，學(xué)生學(xué)習(xí)若干個(gè)應(yīng)用程序的使用，并自學(xué)幾個(gè)應(yīng)用程序，達(dá)到自行掌握應(yīng)用程序的能力。
信息處理能力是指主動(dòng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、傳輸、管理和處理各類信息的能力。在這個(gè)層次，我們首先應(yīng)該讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、數(shù)制編碼、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)等基本問題，注重培養(yǎng)學(xué)生從信息處理的角度理解并應(yīng)用這些知識(shí)，引導(dǎo)他們以計(jì)算機(jī)學(xué)科的眼光看待和處理生活中的信息，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理的能力。
問題求解能力是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)求解實(shí)際問題的能力，即將實(shí)際問題化為計(jì)算機(jī)能夠求解的方式。對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，我們主要通過講授程序設(shè)計(jì)語言讓他們理解和運(yùn)用計(jì)算機(jī)求解問題的方式，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題的能力，發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與自身專業(yè)的結(jié)合點(diǎn)。
3從知識(shí)教學(xué)向思維教學(xué)轉(zhuǎn)變
計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)模式以老師為主體，將計(jì)算機(jī)的相關(guān)知識(shí)傳授給學(xué)生，先講基礎(chǔ)理論知識(shí)，再教相關(guān)軟件的應(yīng)用，這是典型的知識(shí)教學(xué)模式。知識(shí)教學(xué)側(cè)重于學(xué)習(xí)現(xiàn)成的知識(shí)結(jié)論、技巧和方法，忽視了學(xué)科基本方法和基本精神的培養(yǎng)與訓(xùn)練，這也正是造成計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)種種弊端的根源。
思維教學(xué)強(qiáng)調(diào)在教學(xué)環(huán)節(jié)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維的訓(xùn)練。美國心理學(xué)和教育學(xué)專家Robert J Sternberg指出:思維教學(xué)的核心理念是培養(yǎng)聰明的學(xué)習(xí)者，教師不僅要教會(huì)學(xué)生如何解決問題，也要教會(huì)他們發(fā)現(xiàn)值得解決的問題。以往的教學(xué)重視如何將知識(shí)與技能傳授給學(xué)生，學(xué)生被動(dòng)接受，并沒有主動(dòng)思考。思維教學(xué)強(qiáng)調(diào)以問題為核心，問題可以是老師提出的問題也可以是學(xué)生提出的問題。教學(xué)模式主要以提出問題分析問題解決問題為主，輔以理論知識(shí)的介紹。在問題的提出、分析、解答過程中需要學(xué)生參與，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性;在思考的過程中由老師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練。發(fā)現(xiàn)問題需要有實(shí)踐做基礎(chǔ)，因此，思維教學(xué)中創(chuàng)設(shè)情境是非常必要的。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)可以依據(jù)思維教學(xué)理論制定相應(yīng)的思維教學(xué)實(shí)施步驟。
例如，在講授操作系統(tǒng)這個(gè)知識(shí)模塊時(shí)，教師往往一開始就是講操作系統(tǒng)的原理、特征與分類等基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生一般難以接受，尤其不能理解進(jìn)程、并發(fā)、虛擬等概念，更別說提出自己感興趣的問題了。然而，思維教學(xué)模式先創(chuàng)設(shè)情境，從現(xiàn)在學(xué)生熟悉的智能手機(jī)入手，再教學(xué)生使用Windows操作系統(tǒng)，讓學(xué)生了解操作系統(tǒng)的作用。在初步了解的前提下，適當(dāng)?shù)靥岢鰡栴}:操作系統(tǒng)怎么進(jìn)行設(shè)備管理?為什么死機(jī)的情況下，可以通過結(jié)束任務(wù)或進(jìn)程恢復(fù)機(jī)器?任務(wù)管理器管理的是什么?學(xué)生在使用的過程中也會(huì)提出很多他們感興趣的問題。教師在對(duì)這些問題進(jìn)行分析和解答的過程中，將操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)傳授給學(xué)生。整個(gè)學(xué)習(xí)過程里，學(xué)生不僅學(xué)到了操作系統(tǒng)是什么，怎么運(yùn)行，也了解了操作系統(tǒng)為什么這么做，從而培養(yǎng)了從計(jì)算思維的視角認(rèn)識(shí)和理解操作系統(tǒng)的能力。
4結(jié)語
計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是當(dāng)前大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的重點(diǎn)方向，全面深刻地認(rèn)識(shí)計(jì)算思維概念的內(nèi)涵，有利于擴(kuò)展老師和學(xué)生的視野。研究如何在教學(xué)實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力是非常迫切的任務(wù)，將教學(xué)模式從知識(shí)教學(xué)向思維教學(xué)轉(zhuǎn)變是值得深入研究和切實(shí)可行的改革舉措。
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