基于计算思维的大学计算机基础课程教学初探
2022-06-09
0引言
"大学计算机基础"是目前国内高校非计算机专业的计算机教育公共基础课程。课程主要由理论知识讲授和操作技能训练两部分组成。理论教学主要包括：计算机软、硬件技术与网络技术的基本概念、计算机信息系统安全、数据库技术基础、程序设计与算法基础、多媒体技术基础等方面的内容。操作技能训练包括：Windows操作系统的一些基本操作和常用软件的使用，主要是Office办公自动化软件、网页制作软件及图像处理软件等。
2010年10月在"第六届大学计算机课程报告论坛"上，由中国科学技术大学陈国良院士提出将计算思维引入大学计算机基础教学，从此计算思维得到了国内计算机基础教育界的广泛重视。利用计算机基础教学来培养大学生的计算机思维能力，让学生学会利用计算思维去思考、解决问题，对提高计算机基础教学水平、培养优秀人才具有重要的意义。
1计算思维的内容
美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真（JeannetteM.Wing）教授于2006年3月在美国计算机权威期刊《CommunicationsoftheACM》上给出[1]，并定义的计算思维（ComputationalThinking）是：运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[2]。这一概念深度概括和抽象，让人难以理解，同时周教授又把计算思维引伸成七大类方法。由于教学对象是非计算机专业学生，无论是概念还是进一步引伸，仍然显得晦涩难懂，对教学工作几乎不存在可操作性，需要探讨研究，力图重新规划成可以开展教学的问题。经过探讨分析，大家发现周以真教授对计算思维的论述涵盖了"意识、方法和本质"三个方面问题：
1.1计算思维意识计算思维从古至今，无所不在。计算思维的内容在不断地拓展延伸。所以计算思维并不是一种新发明，而是人类早已存在的思维活动，是每个人都具备的一种技能。目前，计算思维与理论思维、实验思维一起已被公认为人类的三大科学思维。数学学科以推理和演绎来培养理论思维（即推理思维），物理学科以观察和总结自然规律来培养实验思维（又称实证思维），计算机学科以设计和构造来培养计算思维（又称构造思维）计算思维的案例在计算机基础教学中也是处处存在的。关键是人们如何把计算思维从无意识变为有意识，从被动变为主动地去解决各类问题。
1.2计算思维方法计算思维内容的核心是计算思维方法，周以真教授将其引伸为七大类方法。总而言之，可概括成两大类：一类是出自数学和工程的方法；另一类是出自独有的计算机科学方法。计算思维与计算方法彼此促进，彼此互补。计算思维方法是通过计算方法对计算思维研究取得的成果进行反复研究和吸收来丰富内容的。
在大学计算机基础课程中，几乎每一个定义都与计算思维方法相对应。例如，Cache是预置和缓存方法，多核处理器是并行处理方法。[3]在计算机应用课题中，每一个案例都是多种计算思维方法的集合。
1.3计算思维的本质计算思维的根本内容即其本质是"抽象化"和"自动化"。与数学和物理科学相比，计算思维中的抽象完全超越物理时空观，并完全用符号来表示。数学抽象的最大特点是抛开现实事物的物理、化学和生物学等特性，而仅保留其量的关系和空间形式，而计算思维中的抽象化却不仅仅如此。不仅有形式化表示，而且表示还应具备有限性、程序性和机械性。
2计算思维教学现状
①计算思维教学的无意识的。由于计算思维的研究不是很成熟，又因为计算机应用的根本是求解问题，而且问题求解的方法就是计算思维的方法，所以计算机基础教育者都在无意识、潜移默化地实行计算思维教学。②对培养计算思维能力的重要性缺乏认识。以前，人们普遍观点是计算思维是计算机应用能力之一，没有真正意识到它是人类的三大科学思维之一，是推动人类文明发展和科学进步的三大支柱之一，是21世纪人才必备的根本技能。所以，从某战略高度将计算思维从计算机应用能力中突显出来，作为学习者的一种基本技能来实施教学。③教学只注重技术与应用，却忽视了思维方法。由于开发软件或系统是计算机应用的最终目的，因此教学上只重视它们的开发过程和细节，而忽视了引导计算机应用的思维方法教学。因此计算机基础教学必然要将课程提升至思维教学的高度。
"大学计算机基础"是目前国内高校非计算机专业的计算机教育公共基础课程。课程主要由理论知识讲授和操作技能训练两部分组成。理论教学主要包括：计算机软、硬件技术与网络技术的基本概念、计算机信息系统安全、数据库技术基础、程序设计与算法基础、多媒体技术基础等方面的内容。操作技能训练包括：Windows操作系统的一些基本操作和常用软件的使用，主要是Office办公自动化软件、网页制作软件及图像处理软件等。
2010年10月在"第六届大学计算机课程报告论坛"上，由中国科学技术大学陈国良院士提出将计算思维引入大学计算机基础教学，从此计算思维得到了国内计算机基础教育界的广泛重视。利用计算机基础教学来培养大学生的计算机思维能力，让学生学会利用计算思维去思考、解决问题，对提高计算机基础教学水平、培养优秀人才具有重要的意义。
1计算思维的内容
美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真（JeannetteM.Wing）教授于2006年3月在美国计算机权威期刊《CommunicationsoftheACM》上给出[1]，并定义的计算思维（ComputationalThinking）是：运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[2]。这一概念深度概括和抽象，让人难以理解，同时周教授又把计算思维引伸成七大类方法。由于教学对象是非计算机专业学生，无论是概念还是进一步引伸，仍然显得晦涩难懂，对教学工作几乎不存在可操作性，需要探讨研究，力图重新规划成可以开展教学的问题。经过探讨分析，大家发现周以真教授对计算思维的论述涵盖了"意识、方法和本质"三个方面问题：
1.1计算思维意识计算思维从古至今，无所不在。计算思维的内容在不断地拓展延伸。所以计算思维并不是一种新发明，而是人类早已存在的思维活动，是每个人都具备的一种技能。目前，计算思维与理论思维、实验思维一起已被公认为人类的三大科学思维。数学学科以推理和演绎来培养理论思维（即推理思维），物理学科以观察和总结自然规律来培养实验思维（又称实证思维），计算机学科以设计和构造来培养计算思维（又称构造思维）计算思维的案例在计算机基础教学中也是处处存在的。关键是人们如何把计算思维从无意识变为有意识，从被动变为主动地去解决各类问题。
1.2计算思维方法计算思维内容的核心是计算思维方法，周以真教授将其引伸为七大类方法。总而言之，可概括成两大类：一类是出自数学和工程的方法；另一类是出自独有的计算机科学方法。计算思维与计算方法彼此促进，彼此互补。计算思维方法是通过计算方法对计算思维研究取得的成果进行反复研究和吸收来丰富内容的。
在大学计算机基础课程中，几乎每一个定义都与计算思维方法相对应。例如，Cache是预置和缓存方法，多核处理器是并行处理方法。[3]在计算机应用课题中，每一个案例都是多种计算思维方法的集合。
1.3计算思维的本质计算思维的根本内容即其本质是"抽象化"和"自动化"。与数学和物理科学相比，计算思维中的抽象完全超越物理时空观，并完全用符号来表示。数学抽象的最大特点是抛开现实事物的物理、化学和生物学等特性，而仅保留其量的关系和空间形式，而计算思维中的抽象化却不仅仅如此。不仅有形式化表示，而且表示还应具备有限性、程序性和机械性。
2计算思维教学现状
①计算思维教学的无意识的。由于计算思维的研究不是很成熟，又因为计算机应用的根本是求解问题，而且问题求解的方法就是计算思维的方法，所以计算机基础教育者都在无意识、潜移默化地实行计算思维教学。②对培养计算思维能力的重要性缺乏认识。以前，人们普遍观点是计算思维是计算机应用能力之一，没有真正意识到它是人类的三大科学思维之一，是推动人类文明发展和科学进步的三大支柱之一，是21世纪人才必备的根本技能。所以，从某战略高度将计算思维从计算机应用能力中突显出来，作为学习者的一种基本技能来实施教学。③教学只注重技术与应用，却忽视了思维方法。由于开发软件或系统是计算机应用的最终目的，因此教学上只重视它们的开发过程和细节，而忽视了引导计算机应用的思维方法教学。因此计算机基础教学必然要将课程提升至思维教学的高度。