浅谈基于计算思维的大学计算机基础课程创新型教学模式

来源:用户上传      作者:张宇昕 颜雁 丁岩 王睿

　　摘要：针对大学计算机基础课程教学，该文提出了一种基于计算思维创新型教学模式。该模式把计算思维的培养融合在理论教学中，并结合多种教学模式，为建设立体化混合式学习环境和资源提供相应的理论依据，为培养大学生计算思维能力提供有效支撑。
　　关键词：计算思维;大学计算机基础;创新型教学
　　中图分类号：G642 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）06-0167-03
　　1浅谈计算思维
　　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。计算思维是以它的独特的思维模式以及系统的设计理念，在实际问题解决过程中的价值日益凸显，因此国内外学者们越来越关注。计算机科学的发展，体现了计算思维的作用，也促使了计算思维的发展。计算思维必将成为人们生活中的一种重要的思维。因此，计算机科学教学为了让大一新生能更快地进入计算机的世界，应当开设一门新课“如何像程序员一样思维”的课程。此课程应该面向大学中所有理工科专业，而不仅仅是计算机科学专业的学生。在学生刚刚进入大学时，让学生更多地接触和了解计算的方法以及数学模型。对于大一新生来说，兴趣什么都重要。如何激发学生对计算机学科的学习兴趣成为我们的首要任务。我们更多地工作中心是让更多非计算机专业的学生也学会用“抽象”的思维方式来解决问题，才能更好了理解和读懂未来的信息社会。
　　大学计算机基础课程是高等院校计算机基础课程中重要的基础课。也是大学通识教育的重要组成部分。该课程以培养学生的信息素养和计算思维为主线进行课程内容设置，其教学目标是：全面培养学生的信息素养，培养学生良好的计算思维能力，传授计算机科学基础知识，为各学科学生未来计算机相关课程的学习打下坚实的基础，从而培养学生利用计算机求解实际问题的能力和计算机应用水平。
　　2如何培养学生的计算思维意识
　　针对刚刚走人大学的新生来说，他们的逻辑思维能力在十几年的学习过程中得到了系统而全面的培养，但是计算思维对于他们来说还是崭新的开始。众所周知计算思维是伴随人类计算工具的出现自然而然形成的，是自古有之的一种思维方法，也是每一个人都具有的一种技能。计算思维的培养是无意识的、自发的，对于大学生计算思维意识的培养应因势利导，把大学生计算思维由无意识形态激活为有意识且自发的自觉意识中来。那么，对于应用型本科大学生来说，如何应用所学计算机知识来解决实际问题才是培养计算思维意识的最佳途径。
　　3如何培养学生的计算思维能力
　　3.1教学方式上的变化
　　互联网时代背景下，学生可以从不同的互联网学习平台获取知识。另一个方面，教师通过网络同样可以完成教学的多样化。例如，组建QQ群、微信群、利用雨课堂、慕课等方式，通过这些方式教师和学生间的实时通信，使教学过程更有趣、信息量更大、教学素材更丰富，师生的连接更紧密通畅。在这样的教学过程中，学生的主动性大大提高，更积极主动的参与案例的讨论和分析，更积极思考问题，也拓宽了视野。在一定程度上可以提高学生内在动力、使学习成为由内心出发为自己而努力的一件有趣的事情。同时可以促进学生间的共同学习，也可以提高学生流动学习，培养学生终身学习的能力。
　　3.2教学目标的变化
　　对于非计算机专业的学生来讲，掌握一定的计算机技术是必要的，但不是重要的。重要的是让他们了解计算机的背景，对老师所讲例题的理解，编程方法的简单应用。这里包括计算机应用有什么规律，计算机应用如何被创造，对本专业有什么价值。非计算机专业如何培养计算思维成了核心任务，这个任务要求学生掌握如何利用计算机来分析和解决问题。找到计算机解决问题的入口和思路。并且找到计算机技术与学生所学专业的结合点，进而使学生在自己的学科领域内有所成就和创新。
　　3.3教材内容的变化
　　我们学校目前教材的内容不再按照计算机学科的内部顺序进行，某种意义上颠覆了傳统的教学顺序。例如我们不介绍计算机组成、工作原理，学生直接接触到的是计算机算法、程序、计算机网络、数据结构等。利用这样的模式，我们不再拘泥于技术细节，更着眼于整体上把握计算机科学中各分支之间的特点，各个知识点的联系，更着力探讨综合应用知识来解决实际问题。在程序的引入和讲解中，从最简单的生活中例子着手。例如，在C语言中由华氏温度转换对应的摄氏温度问题。首先，在顺序结构章节给定华氏温度的值f=100°F。通过下面
　　在此程序讲解过程中，从实际问题需要出发，由浅人深，逐步求精。
　　与学生专业角度的契合点：我们不再使用传统计算机类课程的授课思路，而是从专业角度出发选取经典案例。通过这类案例的讲述，可以更清晰的解读计算思维在这些领域中应用的方法。帮助学生在本专业领域中更好地应用计算思维来理解专业知识。这样的模式在我校开展过程中得到广泛的认可。
　　3.4基于计算思维的多种教学方式的结合
　　教学中教师讲授实际的计算思维方法，例如递归方法：在递归函数的讲解中我们更重视学生对于递归调用的过程的理解和掌握。同时，借助多种学习环境以及各种层次、各种类型的学习资源辅助教学。例如，“雨课堂”以及校内BlackBoard学习平台等。在平台上学生间可以相互交流，可以及时高效发现问题、解决问题，并达到拓展迁移、内化知识。例如，在讲解程序设计中的排序问题时，教师从比较和交换讲起，比较和交换是排序算法中的关键技术。然后使用计算思维中递归思想，以及关注点分离的方法，把十个不同随机自然数的排序问题进行分解。这样，就可以只考虑两个不同随机自然数的大小比较和排序问题。问题难度很显然降低了。如图1所示：
　　进而再继续扩展，从小到大排序十个不同随机自然数，完成一趟排序。使十个自然数中最大的一个排到最后一个位置。如图2所示：
　　在解决排序问题的过程，学生们充分发挥想象，深入学习研究，最终想到多种不同的排序方法。实现了例如简单选择排序、冒泡排序、归并排序等等。其他方法的设计和扩展都是在BlackBoard学习平台实现的。通过巩固练习和相互交流，学生很快掌握自己发现的解决排序问题的方法，同时也可以了解其他有效解决排序问题的策略和方法，拓展了思维空间，为学生计算思维能力的培养起到了推动作用。学生们的交流协作，这也使学生反思自己的学习过程，进而重新整理知识点，构建出适合自己的一套学习方法和学习模式。通过这个过程解决问题能力、计算思维能力与创新能力都得以提升。
　　教学中教师可以通过BlackBoard学习平台监控到学生的学习过程中的每个环节的评价如图3和图4所示：
　　学生也可以了解自己在各个环节掌握情况。每章节作业情况和学生交流情况，教师端可以一目了然。课堂上教师们通过“雨课堂”实时掌握学生参与度、各班级答题情况、答题易错点，对于出错率较高的题目可以重点讲解。在这样的过程中，所有的学习环节都是在计算思维理念的指导下进行的。通过计算思维方法的不断应用，最终达到有效培养学生计算思维能力的目的。
　　4基于计算思维的创新型教学模式效果分析
　　以大学计算机基础课程理论教学和实践环节为基础，我们进行了基于计算思维的创新型教学模式的教学效果的评价分析。按照新版教学大纲的要求，我们从四个角度进行分析该教学模式对学生计算思维能力培养和满意程度等方面的效果。这四个角度分别是：解决问题问题能力提升、学习兴趣扩大化和学习态度的严谨程度、学习计算机自觉性与兴趣和源自学习过程的考核方式。分析效果的方法采用问卷调查来进行，共发问卷230份，回收215份，有效回收率超过98%。通过对所有问卷的整理、分析和总结，评价结果如图5所示：
　　5结束语
　　我们所提出来的基于计算思维的大学计算机基础课程创新模型教学模式已经应用于实际教学中一年之久，它在激发学生学习兴趣调动学生学习兴趣的同时，提高了学生的实际编程能力。教会学生在解决具体实际问题时，运用计算思维的方式来着手解决问题。面对编程新手不再那么困难。为学生的初步的计算思维方式的形成奠定的基础。为提高学生们的综合能力提供了保障。
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