对大学计算机基础教学改革的思考

2018-05-07 大学计算机基础

  0引言

  计算思维是美国卡内基梅隆大学周以真教授于2006年提出并定义的新概念,她认为计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。

  计算思维的提出引起了国内外学者的关注,影响了我国的大学计算机基础教学改革的思路和方向。2010年7月,西安九校联盟(C9)计算机基础课程研讨会上发布的《九校联盟计算机基础教学发展战略联合声明》强调了将计算思维能力的培养作为计算机基础教育的核心任务。2011年中科院陈国良院士在《中国大学教学》上发表了计算思维与大学计算机基础教育,提出了以计算思维为主要内容的计算思维导论课程的构建。计算思维与大学计算机基础教育相结合成为目前计算机教育领域比较热点的研究内容。

  结合高校的教学实际情况,笔者认为,对计算思维概念本身的认识以及如何在教学实践中培养学生的计算思维能力应是研究的重点。

  1计算思维

  随着计算机科学的飞速发展,目前计算机的使用已经深入到社会的各个领域,人们希望能够更好地借助计算机完成工作,尤其是在科学研究领域,科研人员更迫切希望计算机为其研究开辟新的思路和方法。计算思维的提出是通过突出计算机处理问题的特性,引导人们从理论的角度理解计算机的行为,以便更好地使用它。然而关于计算思维这个概念,计算机学界一直存在着争议,主要以ACM的前任会长Peter J Denning和2003年图灵奖获得者Peter Naur为代表。

  计算思维(Computational Thinking)的争议,关键在于对计算(Computation)一词的理解。什么是计算?目前没有明确唯一的定义,但一般的理解是,计算可看做一种信息状态到另一种信息状态的转变过程,其中包含信息的传递和变化。比如,在计算机程序设计里,一组输入到一组输出,其中的变化过程就是计算。然而在生物学领域有个著名的中心法则,即DNARNA蛋白质,现代分子生物学研究表明,DNA,RNA、蛋白质都是由其编码序列决定的,它们之间的变换存在着信息的传递,科学家们认为这也是一种计算。

  周以真教授关于计算思维的定义,显然是将计算限定在计算机科学领域,这样是否会导致人们对计算认识的局限甚至是误解?Denning教授指出:计算思维并不是计算机科学唯一和独有的`特征,如果不谨慎地认识和看待它,将会把人们引向思维的陷阱。同时,他认为计算作为信息的处理过程,在自然界中是无处不在的,计算机的计算只是众多计算中的一种形式。

  计算机可以帮助人们完成很多任务,导致人们对它寄予过高的期望,周以真教授认为应该将计算思维变成常识。但是,这种美好的愿望忽略了一个基本的事实计算机本身的局限性。目前的计算机是以图灵机为基本模型,Nour教授在Computing versus human thinking一文中论证了这种计算机并不能描述人的思维,它只是描述现实世界的一种形式。这种观点从根本上说明了当前计算机在处理信息能力上的局限性。当然,我们不能预测计算机以后能否完全描述和模拟人的思维,但是在目前的架构下是不能实现的。计算机虽然能帮助我们解决很多现实的问题,但不能期望它是万能的,我们要了解目前计算机科学的研究边界。Nour教授的研究还表明,图灵模型不足以描述人的智能,如何使机器具有人的智能,可能还需要从不同的角度去研究,比如生物学的角度或非数字的形式。

  上述两位教授提出的质疑,实质上是计算思维定义的延伸,即计算不能仅指计算机科学范畴内的计算,目前计算机科学的基础概念也不足以描述所有的计算。计算思维的定义是从目前计算机科学所处的水平和角度提出的概念,这个概念可以概括当前计算机工作的特点,但如果作为一种思维方式进行推广,可能会在某种程度上限制人们的思维。

  从另一个角度看,计算思维概念的提出具有非常积极的意义,它从一定程度上简明扼要地指出了计算机科学的核心和本质问题,为其他科学领域的研究人员深入学习和理解计算机科学提供了很好的目标与方向。综上所述,计算思维目前还是一个处于研究和探索的定义或概念,有待发展和完善,因此,我们在将此概念运用到大学计算机基础教学改革中时,应注意此概念涵盖的范围。

  2计算思维与大学计算机基础教学改革

  在当前的信息化社会中,计算机作为信息处理的主要工具已成为人们生活、学习和工作必不可少的帮手,因此,在各个层次的教育中,计算机基础教育都是非常必要的。但是,在以往计算机教学的过程中,不论是教学方法还是教学内容都存在着狭义工具论的问题,即仅把计算机作为工具,产生的后果是,学生只能机械地操作计算机而不能灵活地使用计算机解决问题。从另一个角度看,工具论的教学思维导致了计算机基础教学思想不明确,老师和学生热衷于追逐新技术、新方法,多年的计算机基础教育并没有形成稳定的课程知识体系和科学的课程知识结构,这都是教学中亟待改革的弊端。把计算思维引入计算机基础教学改革的研究即是针对这一弊端提出的解决思路。

  计算思维强调运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及行为理解,正好指明了计算机基础教育不应只停留在工具使用层面,而应深入地培养学生运用计算机科学解决问题的能力。

  然而,如何才能培养学生的计算思维能力?计算思维不能只是抽象的概念,我们需深入思考一下计算思维的内涵,再结合计算机基础教学的实际对其进行全面的分析。

  我们知道一种思维的形成不是通过一两门课程的学习就能构建起来的。具体到计算思维,按照其定义,计算思维是运用计算机学科的基础概念进行问题求解的,而计算机学科求解问题通常有3个过程:①理论(数学);②抽象(模型);③设计(工程)。具备这3个过程的计算机基础知识课程至少包括离散数学、算法分析理论、计算机组成原理、数据结构、程序设计方法学以及至少一种程序设计语言。

  目前,我国的大学计算机基础教学属于公共基础课程,其课时和教学内容都很有限,一般在1-3个学期内完成,每个学期开设一门计算机相关课程,大概总学时不会超过200学时。如果按照上文的方式引入以计算思维为主的教学,其课时至少要翻一倍,且这种调整涉及所有专业,其可行性有待商榷。况且,课程的深度与难度也不是所有专业的学生都能适应的。因此,通过大幅增加教学内容和加深教学难度的方式来培养计算思维,其实施难度较大。

  怎样才能将计算思维的理念有效地运用到大学计算机基础教学中去呢?计算思维涵盖的内容非常广泛,如果笼统地强调计算思维能力的培养,在教学实践中难以落实。根据学生专业的特点以及对计算机知识需求的层次不同,教师可以将计算思维能力进一步分解与细化,实现在不同层次上培养学生的计算思维能力。

  计算思维能力由浅到深可分为3个层次:操作能力、信息处理能力、问题求解能力。

  操作能力是指运用计算机应用程序的能力,非计算机专业的学生使用计算机解决实际问题,只有在熟练操作机器的基础上才可能进一步了解机器。操作能力是计算思维最基本的内容。计算机的操作系统众多,应用程序更是成千上万,操作能力的培养关键是能够举一反三,培养学生的自学能力。这个阶段的学习应以上机训练为主,学生学习若干个应用程序的使用,并自学几个应用程序,达到自行掌握应用程序的能力。

  信息处理能力是指主动运用计算机存储、传输、管理和处理各类信息的能力。在这个层次,我们首先应该让学生掌握计算机硬件结构、数制编码、网络基础、数据库基础等基本问题,注重培养学生从信息处理的角度理解并应用这些知识,引导他们以计算机学科的眼光看待和处理生活中的信息,培养学生主动运用计算机进行信息处理的能力。

  问题求解能力是指运用计算机求解实际问题的能力,即将实际问题化为计算机能够求解的方式。对于非计算机专业的学生,我们主要通过讲授程序设计语言让他们理解和运用计算机求解问题的方式,培养他们发现问题的能力,发现计算机与自身专业的结合点。

  3从知识教学向思维教学转变

  计算机基础教学的传统教学模式以老师为主体,将计算机的相关知识传授给学生,先讲基础理论知识,再教相关软件的应用,这是典型的知识教学模式。知识教学侧重于学习现成的知识结论、技巧和方法,忽视了学科基本方法和基本精神的培养与训练,这也正是造成计算机基础教学种种弊端的根源。

  思维教学强调在教学环节中对学生进行思维的训练。美国心理学和教育学专家Robert J Sternberg指出:思维教学的核心理念是培养聪明的学习者,教师不仅要教会学生如何解决问题,也要教会他们发现值得解决的问题。以往的教学重视如何将知识与技能传授给学生,学生被动接受,并没有主动思考。思维教学强调以问题为核心,问题可以是老师提出的问题也可以是学生提出的问题。教学模式主要以提出问题分析问题解决问题为主,辅以理论知识的介绍。在问题的提出、分析、解答过程中需要学生参与,极大地调动了学生的积极性;在思考的过程中由老师引导学生进行思维训练。发现问题需要有实践做基础,因此,思维教学中创设情境是非常必要的。大学计算机基础教学可以依据思维教学理论制定相应的思维教学实施步骤。

  例如,在讲授操作系统这个知识模块时,教师往往一开始就是讲操作系统的原理、特征与分类等基础知识,学生一般难以接受,尤其不能理解进程、并发、虚拟等概念,更别说提出自己感兴趣的问题了。然而,思维教学模式先创设情境,从现在学生熟悉的智能手机入手,再教学生使用Windows操作系统,让学生了解操作系统的作用。在初步了解的前提下,适当地提出问题:操作系统怎么进行设备管理?为什么死机的情况下,可以通过结束任务或进程恢复机器?任务管理器管理的是什么?学生在使用的过程中也会提出很多他们感兴趣的问题。教师在对这些问题进行分析和解答的过程中,将操作系统的基础知识传授给学生。整个学习过程里,学生不仅学到了操作系统是什么,怎么运行,也了解了操作系统为什么这么做,从而培养了从计算思维的视角认识和理解操作系统的能力。

  4结语

  计算思维能力的培养是当前大学计算机基础教学改革的重点方向,全面深刻地认识计算思维概念的内涵,有利于扩展老师和学生的视野。研究如何在教学实践中培养学生的计算思维能力是非常迫切的任务,将教学模式从知识教学向思维教学转变是值得深入研究和切实可行的改革举措。

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