计算思维与大学计算机基础教育【荐】.docVIP

计算思维与大学计算机基础教育 陈国良 董荣胜 （中国科学技术大学，桂林电子科技大学） 摘要：文章首先介绍了大学计算机基础课程的重要性，分析了教学中存在的问题，指出了“狭义工具论”的危害。然后从推动人类文明进步、科技发展三大科学思维之一的“计算思维”入手，阐述了计算思维对培养学生创新能力的重要性。最后按计算思维主要内容，即问题求解、系统设计和人类行为理解，探讨了大学计算机基础课程设置，强调了课程结构设计的重要性，给出了一种以“计算思维”为核心的大学计算机基础课程教学的最小集，为大学计算机基础教育提供了一种以提高学生计算思维能力为目标的新模式。 关键词：计算思维；大学计算机基础教育；计算思维导论 一、大学计算机基础课程的重要性 对于计算科学的重要性，在美国总统信息技术咨询委员会（PITAC）2005 年6 月给美国总统提交的报告《计算科学： 确保美国竞争力》（ Computational Science:Ensuring America’s Competitiveness）有明确的阐述。报告认为，虽然计算本身也是一门学科，但是其具有促进其他学科发展的作用[1]。报告认为，21 世纪科学上最重要的、经济上最有前途的前沿研究都有可能通过先进的计算技术和计算科学而得到解决。尽管报告用的是“都有可能”，但是对于我们学科来说，这个论述已相当到位。那么，为其他学科培养掌握先进计算技术的大学计算机基础课程就显得非常重要。从国家层面，对这门课程的定位就是基础课程，也就是与数学、物理相同地位的基础课程。既然是基础课程，课程的教学方法就应该像数学与物理一样，讲授学科的基础概念。 二、大学计算机基础课程教学存在的问题 目前，在大学计算机基础课程的教学中出现了一些问题，主要是“狭义工具论”的问题。“狭义工具论”就是认为计算机基础教学就是教学生怎么将计算机作为工具使用。应该说这种认识对计算机的教育非常有害，这样会使学生对计算学科的认识淡化，无助于计算技术中最重要的核心思想与方法的掌握。作为“狭义工具论”显然不好，但在过去一段时间里，在高校中的确某种程度上存在这种倾向。 再来看教程，我们大学计算机基础的教程，名称很多，诸如入门、文化等等，都被认为是计算机基础课的教材。内容基本上是有关领域的浓缩版，把它压缩在一起。好像网络也讲一点，人工智能、数据库也讲一点，都很浓缩。这会产生怎样的后果？那就是：学生进入大学后，对第一门计算机课程兴趣不大，逃课率较高。 我国出现的这些问题，其实美国也存在。美国著名计算机杂志Communications of The ACM 前主编PeterDenning 教授，2003 年11 月在Communications of TheACM 上发表了《伟大的计算原理》（Great Principles ofComputing）一文[2]，在文中介绍过这个问题。当然，他讲的是“程序设计语言”作为大学的第一门计算机基础课程的问题。他介绍道，面对程序设计语言中繁杂的语法规则，在课程的学习过程中，有35％～50%的学生辍学；另外，不少学生还通过抄袭或者是作弊的方式来完成课程。许多非计算机专业的学生从来都没有体验过计算的愉悦——计算原理的相互影响以及问题有效解决的思维方式。 2005 年11 月，美国Computing Research News 刊登了一篇名为《科学与工程专业毕业生的工资》的报告。报告介绍了2003 年10 月在美国科学与工程领域各学科中，计算机与信息科学专业毕业生的平均工资最高。尽管如此，2001 年以来，主修计算相关专业的学生却在不断下降。 加州大学洛杉矶分校的高等教育研究会一直都在追踪学生主修专业的情况。他们发现学生对计算专业的兴趣波动很大。具体数据如下图所示[3]。 图 美国主修计算专业学生人数的变化 三、计算思维在美国产生的背景 计算科学的至关重要性与学生兴趣的下降形成鲜明对比。2005 年6 月，美国总统信息技术咨询委员会（PITAC）向美国总统提交报告后，美国科学基金会（NSF）很快组织计算教育与研究领域的专家，召开系列会议，于2005年末至2006 年初形成4 份应对危机的报告。 （1）Report of NSF Workshop on Integrative ComputingEducation and Research(ICER) Northeast Workshop； （2）Report of NSF Midwest Region Workshop on ICER:Preparing IT Graduates for 2010 and Beyond； （3）Report from the Southeast Region Workshop on ICER: Preparing IT Graduates for