计算思维教学的内容设计.docx

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计算思维教学的内容设计摘要：针对目前计算机基础通识教育中计算思维教学面临的挑战，在教学内容设计方面对计算思维教学改革进行探讨，提出教学内容设计的原那么和适合新生的教学内容，同时阐述在“钱学森创新拓展班”中的实施过程和效果。关键词：计算机基础；通识教育；计算思维；教学内容设计；钱学森创新拓展班在信息时代，没有计算支持的科研是不可想象的，因此，各专业学生必须学习利用计算进行问题求解的技能。如何培养非计算机专业学生的计算机使用技能和计算机问题求解能力，给计算科学的教育带来了新的挑战。周以真教授2006年提出了计算思维概念，为计算科学教育规划了远景，周教授认为计算思维是“基于计算机科学的解决问题、设计系统和理解人类行为的能力”，是每个人必须掌握的基本分析思维技能，而不仅仅是计算机科学家所必需的。近年来，国内外计算机教育界就如何进行计算思维教学进行了很多探索，特别是在对非计算机专业学生的计算思维能力培养方面。国内教育界同行在计算思维的认识、教学内容设计、教学实践等方面进行了屡次研讨，形成了以计算思维为统领，开展大学计算机基础通识教育改革的共识㈣。基于该共识，各所大学开始了计算思维的教学改革，取得了初步成果。然而，由于对计算思维内涵和内容的解读和侧重点上的差异，各大学在计算思维教学内容选取和教学实施形式上有很大的不同，在计算思维教学内容的选取、配套实验环节设计上还未形成很好的体系。近几年，国防科学技术大学依托“大学计算机基础”课程进行非计算机专业计算思维教学改革，在计算思维教学内容、实验内容、教学方法与手段等方面形成了一整套体系。1.计算思维内涵对计算思维内涵的解读有很多。这些观点包括ACM/IEEE提出的计算作为一门学科所具TT的30个核心技术；周以真教授提出计算思维就是自动化抽象的过程；De Souza等认为计算思维是从自然语言描述开始，不断对其进行精化，最后得到可计算模型或代码；Kuster等理解的计算思维内涵是数据分析、算法设计与实现，以及数学建模等技术的一个综合体。Engelbart认为计算思维的内涵分为三个层次：使用计算机的基本能力、理解计算机系统的熟练能力和计算思维能力。Peter Denning提出了计算的儿大原那么，从知识体系的角度对计算思维的内涵进行了解释。对计算思维内涵的不同认识，极大地影响着教学内容的设计与实施。我们认同的计算思维的内涵是：计算思维是一种解决问题的思维方法，这种方法将问题转换为某个计算装置上的信息处理过程，并寻求一种算法上的解决方法。对该内涵中涉及的几个关键词的理解如卜.:1)“思维方法”，指在解决问题的过程中，能利用计算机科学中的抽象、自动化、数据分析、数据建模等手段，对问题进行深刻的认识和转化。2)“计算装置”，这个装置可以是人脑、机械装置和计算机系统，但是最终会落实到计算机系统上，因此,对计算装置的工作原理需要有较好的认识和理解,并能在理解计算装置的过程中体会到计算思维的作用，以及计算思维对问题求解带来的非传统的解决方法。3)”信息处理过程”，即需要理解什么是信息。对信息处理来说，一切皆是符号，对符号的不同理解和操作带来不同的结果，即从信息论的高度来认识计算装置所作的各种处理，以及问题求解即是一个信息转换的过程。并且信息处理的过程还涉及信息处理系统的构建，能帮助学生建立系统观。4)“算法”，需要理解什么是算法、常用的算法有什么、常用的设计算法的策略有什么、如何设计算法解决一类问题等相关知识点。2.计算思维教学内容设计原那么基于对计算思维内涵的理解，我们将教学中要解决的问题分解成几个局部(如表1第1列所示)，对这儿个问题的回答，就成为我们设计教学内容的指导原那么(如表1第2列所示)。表1给出了计算思维教学内容设计的指导原那么，下面对这些原那么进行详细的解读。首先，培养思维方法更强调思维过程，思维结果那么变为次要因素。例如，目前教学内容中对图灵机的讲授偏重于结构、规那么表、状态转换等知识点，对它如何产生、为什么是这种结构、与冯・诺依曼体系结构之间的关系等问题涉及较少。其次，计算思维虽然是新概念，但其涵盖了对计算装置的理解，因此，需要兼顾原有计算机系统知识点，并引入新的知识点来讲授计算机问题求解技能。同时考虑授课对象的特点，虽然新生在入学时已选定了专业，但是他们的知识背景来源于日常生活以及初高中各门课程。因此，在教学内容设计时要从新生的知识背景去寻找表达计算思维的知识点，进行类比以帮助更好地理解和掌握计算思维。第三，重点关注计算机问题求解能力培养。根据对计算思维内涵的认识，问题求解就是一种信息处理过程，在这个过程中，可以直接利用现有工具和方法，也可创造新的方法。因此，在设计教学内容时，需要兼顾如何利用现有"工具和如何创造新工具进行问题求解这两个方面。对前者，需要培养根据已有工具对问题进行分析、抽象和建模的能力，最终建立现有工具能处理的模型。对后者，需要培养利用所学的基本算法、建模方法创造算法或系统解决一类问题的能力。第四，针对人类学习、掌握和精通新知识的过程，选取了德雷福斯技能获取模型作为能力培养的指导。该模型将人对某种技能的掌握过程分为5个阶段：新手、高级新手、胜任者、精通者和专家。其中新手这个角色正是“大学计算机基础”课程计算思维的授课对象。在该模型中，对新手的培养原那么是“新手需要规那么”。即在设计教学内容时，需要为计算思维的初学者建立何时应用何种计算思维技能的规那么、何种类型的问题通常使用何种技能来解决等规那么。使得初学者在进行计算问题求解时能在这些规那么的指导下，逐步地解决问题，培养自信和计算的乐趣。最后，计算思维的培养应到达什么效果。我们认为经过课程学习和针对性培养，学生应能理解计算思维的概念、内涵以及计算思维对各行、业带来的影响，初步掌握常用计算机问题求解策略，能下意识地运用计算思维利用现有工具或创造工具解决问题。例如，F机中通讯录的组织，如学生能意识到是根据符号的字典序排列，并能利用该排序将同一单位（类型）的通讯对象组织在一起，即为“下意识’’地使用计算思维。总之，我们在设计教学内容时遵循的原那么可归纳为：兼顾现有知识点，进行针对性拔高；引人新知识点，专注能力培养。3.计算思维教学内容例如我们遵循上述原那么，对“大学计算机基础’’课程进行设计，课程总学时为36,各知识点的学时分配、教学内容和配套实验活动如表2所示。3.1兼顾现有知识点，进行针对性拔高我们选取能够表达计算思维的计算机系统的知识点进行升华，将该知识点的具体技术作为自学内容。例如，二进制与香农定理有很强的关联，因此，内容选取上，从香农定理开始，以信息的度量、信息的表示、信息的处理为主线，自然地引出二进制及其在软硬件上的信息表示与处理。同时，我们安排了相应实验，即利用继电器重现香农利用电路进行布尔运算的工作。再如，从信息的表示角度可将信息看做是符号串，即一切皆是符号。以此为出发点，引出什么是计算的问题，通过对该问题的解答——即计算是信息的转换—串联起信息符号的解释规那么、图灵机、冯・诺依曼体系结构等知识点。在这些知识点的介绍上，偏重于图灵机等计算模型的产生过程，由其产生过程再现计算模型对人类计算活动的抽象过程，表达了计算思维中的抽象。通过冯・诺依曼体系结构与人根据命令自动完成任务的类比，引导学生思考如何才能让机器进行自动计算，表达计算思维中自动化的思维。对知识点的其他方面，如软件系统、网络系统等，也进行了升华，突出其中的并发、分层、虚拟化等计算思维关键思想，弱化知识点具体技术的介绍，如在学生理解冯・诺依曼体系结构特点和原理后，可将计算机工作原理作为自学内容。3.2引入新知识点，专注能力培养新的知识点和能力培养包括两个方面的内容，一是如何利用现rr工具解决问题，二是如何创造工具解决问题。这两者都离不开问题建模，即将现实生活中的问题建模成计算机便于处理的模型。这样的模型主要是数据模型，如数据库中的E-R图、面向对象建模、队列、栈、树和图等。在数据建模的配套实践环节，安排了E-R图建模与Excel、Access结合的问题求解实验，Z3求解器的问题建模、物理学模拟器的问题建模等。对后者，除了数据建模外，还需要引入操作建模的内容，即在所建模型上的相应操作，其木质是结合数据结构的算法设计与实现。在算法设计方面，选取常用的算法，如搜索、排序、树和图的算法等，并以这些算法为案例进行内容设计。如结合学生的知识背景，介绍如何用归纳法设计算法，使学生在创造工具解决问题时，能有规那么可遵循。归纳法设计算法虽然不能解决所有的算法设计问题，但是可应用于绝大局部算法设计问题，并且其设计出来的算法基本是递归算法，所以归纳法可与常用算法设计策略相结合，串联起相关知识点。在算法的实现方面，选择精简后的函数式程序设计语言Haskell作为实现载体。Haskell语言简洁，其数据结构和操作函数较为完善，采用自然的递归函数书写方式（函数式程序设计相对于命令式程序设计（Raptor等）对计算机系统知识要求较低，关心要做什么而不是怎么做），这些优点便于无程序设计背景的学生快速掌握该语言，对所学算法知识进行实践和体验。4.实施与效果我们在国防科学技术大学“钱学森创新拓展班”进行了基于设计的”大学计算机基础”课程教学实践。从每年入学新生中选拔30名学生组成“钱学森创新拓展班”，学生来自全校多个专业。在该班进行的教学改革，将会逐步推广到全校其他专业的教学上。在教学实践中，我们严格按照安排的学时展开课堂教学，同时，每周安排2次实验，每次2小时，由授课老师和辅导老师全程跟踪指导，全部课程在9周内完成。与前2年的教学效果相比，学生对计算机基础知识思想方法层次的理解更深，以此带动了学习计算科学的兴趣。突出表达在以下两方面：1）学生在学习了图灵机等计算模型和计算装置的产生过程后，分析和思考问题的层次更高，相比以前重点关注计算机基础知识的讲授和实验，学生通过学习新的教学内容，不但更好地掌握了基础知识，还能深刻理解其本质，在思维方式上有所收获。2）在函数式程序设计学习方面，相比于以前的Raptor工具，学生表现出更强的适应能力，效果很好。Raptor工具本质上还是一种命令式程序设计泛型，关心的是“怎么做从学生反应，可知，在初高中学过函数后，函数式程序设计的概念很容易理解，并且编程时不需过多考虑计算机系统的细节，更多地关注“做什么5.结语我们在计算思维教学内容设计的原那么、内容选取、实施与效果等方面进行了一些探索和实践。设计的教学内容更能适应新生现有的知识水平，教学效果很好。但实践中也发现了一些缺乏，如在计算思维实践语言的选取上，我们发现还没有一种语言能完全表达计算思维的思维特性和思维术语。函数式程序设计虽然能部分解决该问题，但还是贴近于实现，抽象层次不够。今后，我们仍需在计算思维教学上不断探索，寻求更好的培养方式，设计出更能表达计算思维的实践配套工具和语言，以到达更好的培养效果。