计算机程序设计课程中有效培养学生计算思维的研究与探索

来源:用户上传      作者:黄静 段涛

　　摘  要： 随着大数据和智能化的推进下，计算思维的力量被加速地放大，在计算机基础课程中，仅仅掌握对计算机基础的应用技术已经远远不够，选择Python为非计算机专业学生提供信息化时代的交流工具，通过学生自主学习探索、课程讲授引导、课程学习反馈，有效培养学生的计算思维，为应对和参与医疗信息化和智能化做好铺垫。
　　关键词： 计算思维;有效培养;计算机程序设计课程
　　中图分类号： TP3-05    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.10.068
　　本文著录格式：黄静，段涛. 计算机程序设计课程中有效培养学生计算思维的研究与探索[J]. 软件，2020，41（10）：268269+281
　　【Abstract】： With the advancement of big data and intelligence， the power of computing thinking is accelerated to enlarge. In the basic computer courses， it is not enough to only master the application technology of computer foundation. Python is chosen to provide the non computer major students with the communication tools in the information age. Through students’ independent study and exploration， course teaching and guidance， and course learning feedback， students’ computing thinking can be effectively cultivated， which paves the way for coping with and participating in medical informatization and intelligence.
　　【Key words】： Computational Thinking; Effective training; Computer programming course
　　0  引言
　　计算思维在2006年由美国科学家周以真教授提出，指人在利用计算机科学的思维方式来解决问题的思维活动。作为一项必备技能，计算思维是培养学生学会解决问题的思路和方法，是为数字中国培养人才的必要环节。计算机程序设计是培养学生计算思维的关键课程，创新教学方式方法，强化对学生计算思维的培养，提升学生的学习能力和专业素养，是课程改革的大势所趋。
　　1  计算思维是计算机基础教育的核心任务
　　2010年7月西安交通大学举办了首届“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”，陈国良院士作了“计算思维能力培养研究”的报告，并主持了该专题的讨论。同时，在《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》中提出：旗帜鲜明地把“计算思维能力的培养”作为计算机基础教学的核心任务[1]。
　　2012年教育部高教司设立了以计算思维为切入点的“大学计算机课程改革项目”。2013年5月中旬，教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会针对在高校计算机教育中加强计算思维的研究和教育进行了深入的讨论，并在此发表旨在大力推进以计算思维为切入点的《计算机教学改革宣言》，旨在通过培养学生计算思维的意识和方法，提高计算机应用水平[2]。
　　计算思维古已有之，可追溯到二十世纪五十年代，与理论思维、实验思维共同构成了人类的三大科学思维，但是相对于理论思维在数学中和实验思维在物理学中的培养和应用来说一直以来计算思维不為人所知，直到2006年，美国卡内基·梅隆大学（CMU）的周以真教授，发表了题为Computational Thinking 的文章， 清晰系统地阐述了建立在计算机处理能力及其局限性基础之上的思维方式——计算思维，将计算思维引入了人们的视线[3]。
　　一直以来教师们在计算机教学中都无意识的应用着计算思维，但并未对计算思维的培养和考核进行过系统化思考，伴随着以计算机科学为基础的信息技术的迅猛发展，计算思维的力量被加速地放大，了解、学习、掌握和应用计算思维去解决与自己专业相关的信息技术问题是非计算机专业学生迫切需要面对的问题。
　　2  计算机基础教育现状
　　长期以来高校的计算机基础教育课程理论内容主要包括数字化世界、计算机硬件的组成、计算机软件家族、操作系统、计算机网络、数据库与多媒体技术等内容，实践内容主要包括操作系统的应用、办公软件的使用、数据库的使用和多媒体制作等内容[4]。
　　在大数据时代迈向智能化时代的背景下，对于大学生来说计算机基础的应用技术已经远远不够，未来的工作中在对大数据进行分析、呈现和应用的情况下，在与大量的智能体进行交流和合作的情景下，对于非计算机专业的人来说编程语言是一个重要的交流工具[5]。高校目前针对编程语言的教学主要围绕着C语言、C++、C#、VB、Java等，作为非计算机专业的初学者比较有难度，而Python从诞生之初就被誉为最容易上手的编程语言，Python入门快、功能强大、高效灵活的特点，无论是想进入数据分析、人工智能、网站开发、网络安全、集群运维这些领域，还是希望掌握第一门编程语言，都是很好的起点[6]。
　　在综合了解了高校计算机基础课程的现状前提下，结合我校学生学情，引入了计算机程序设计课程（python）作为计算机基础课程选修课程，在铺垫了计算机知识、能力、素质的前提下，提升非计算机专业学生应用计算机解决问题的能力与水平。 　　3  计算机程序设计课程中计算思维培养存在的问题
　　目前在计算机程序设计课程中，重视培养学生的算法思维，在掌握python语言基本的编写规则的前提下，撰写针对具体问题的一系列详细指令。算法思维是计算思维的一部分，强调在对问题的抽象分析前提下，用python指令来解决问题。但是，计算思维的培养存在如下问题：
　　（1）计算思维的培养尚未形成体系，在日常教学的过程中，都有运用到计算思维，但是没有对计算思维做一个系统的思考研究并且推广于实际教学中，切实提高学生运用计算机解决实际问题的能力。
　　（2）对计算思维的重要性认识不足，将对学生的培养停留在掌握python语言的工具层面，未能提升到学科的思维层面，计算思维的教学引导欠缺。
　　（3）教学模式单一，教师主导的课堂，在激发学生学习的积极主动性上不足，为将计算思维有效融入在教学中，教学内容和教学案例的选择上需要再思考[7]。
　　（4）在18学时的授课时间内，对课程体系的把握不够精炼，作为计算机基础课程，面向不同专业背景的学生，面向不同计算机基础的学生，应对不足。
　　（5）大部分同学的思维仍旧停留在把计算机当作工具用即可，仅仅了解学习计算机的基本知识、基本操作，在python语言的学习过程中停留在把代码抄写正确能够运行即可的目标上，不求甚解。
　　4  基于计算思维有效培养的教学改革
　　在18个学时的授课中精简课程体系，教学内容包括Python语言基本语法、算法的基本结构、函数和简单第三方库的使用，在对Python语言第三方库的应用中启发学生解决实际医学相关专业问题能力。
　　4.1  学生自主学习探索
　　通过课程资源网站发布学习资源、学习任务和目的，让学生通过视频资源或推荐阅读，在课前进行相关内容的学习，比如Python語言的基本语法结构的学习，并对教师提出的问题进行思考和回答，对课程的讲解进行铺垫，将教师从基础性知识的教学中解放出来，提升课堂效率;让学生在课后对课堂上的讲解进行消化并完成课程任务，以小组合作或个人独立完成的形式进行问题选择、调研和解决，激发学生独立思考，同时培养学生自主解决问题的能力。
　　4.2  课程讲授引导
　　算法思维的讲授培养学生的计算思维，Python课程的讲解面向非计算机专业学生，课程学时有限，学生基础薄弱，算法思维的讲解选择哪些内容如何推进是培养学生计算思维的重难点工作。在课程的进行中，采取案例教学，选取综合性、趣味性、探究性的教学案例，选取与学生专业相关的案例，将算法思维的讲解通过案例呈现给学生，让学生通过案例了解到，面对问题如何分析建模优化求解的过程，是对算法思维讲解润物无声进行推进的过程。
　　计算思维是对问题进行拆解、分析建模、抽象为算法并解决问题的过程[8]。计算思维包含算法，但不仅仅是算法。它包含有对要解决问题的分析，在一开始要对问题有详细确切的了解;在此基础上构建基本的物理模型或模式并建立数学模型;然后才是选择计算方法确立算法最后解决问题。计算机程序设计课程中计算思维的有效培养，将传统的计算机程序设计课程从侧重算法提升到计算思维的培养，提升了课程教学的广度和深度，课堂的重点放在通过讨论，通过对典型案例的分析，让学生掌握问题的重点和关键词，从多方面探讨问题求解的方式，在分析求解的过程中，让学生逐渐掌握计算思维解决问题的流程和方式方法，为以后自己专业的信息化改革做好知识储备，也为以后融入和引领医疗的信息化改革和医疗的智能化改革做好铺垫。
　　4.3  课程学习反馈
　　课堂时间紧凑，通过课前课后的反馈，有问题实时提出，集中解决。学生可以通过钉钉或者微信，提出自己在学习过程中疑惑和有困难的问题，教师集中解决。为了提升学生学习的积极性，教师将学生做的案例放到钉钉或者微信群中，让学生一起来研讨，总结纠正代码编写中的问题和错误，共同推进问题的解决。同时将优秀的代码呈现出来，让学生体会简洁高效代码的编写，相互学习，促进高效编程。
　　5  结语
　　社会信息化不断向纵深发展，各行各业的信息化进程不断加速。计算机程序设计课程顺应了当前计算思维的发展趋势，践行了计算机基础课程教学基本要求，满足了不同层次不同专业同学对提升计算机知识结构的要求，推动了计算机基础课程的可持续发展。
　　在对计算机程序设计课程讲授的过程中，将对知识的讲授目的从掌握技术提升到熟练思维，探索用系统的计算思维作为理论化背景引导教学实践，为计算思维的培养研究抛砖引玉。
　　参考文献
　　[1]九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明[J]. 中国大学教学， 2010（9）： 4+9.
　　[2]教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会. 计算思维教学改革宣言[J]. 中国大学教学， 2013（7）： 7-10.
　　[3]范文翔， 张一春， 李艺. 《国内外计算思维研究与发展综述》[J]. 远程教育杂志， 2018（2）： 3-15.
　　[4]谌文芳， 高海波， 谌兴宇. 面向计算思维的大学计算机基础课程教学内容改革[J]. 课程教育研究， 2017（51）： 242-243.
　　[5]陈萱华， 杨玲. 计算机教学中计算机思维能力的培养[J]. 公安海警学院学报， 2019， 18（3）： 29-33.
　　[6]杨春丽， 邢英俊. 计算机应用与计算思维关系探讨[J]. 信息与电脑（理论版）， 2017（3）： 254-256.
　　[7]徐瑾. PBL教学模式下的计算思维培养教学策略实践及思考分析[J]. 学苑教育， 2020（16）： 84.
　　[8]张文兰， 闫怡， 刘盼盼. 教育者计算思维教学能力及其发展路径——美国ISTE《教育者标准：计算思维能力》解读与启示[J]. 中国远程教育， 2020， 41（7）： 60-68.
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