将计算思维融入大学生“卓越计划”的人才培养研究

将计算思维融入大学生“卓越计划”的人才培养研究
陈娜，胡畅霞，王学军
（石家庄铁道大学，河北石家庄050043）
摘要：思维能力的提高对于一个人的成长有着至关重要的作用。

随着计算机技术的发展，计算机的功能越来越强大，计算机技术正逐步延伸到科学研究和人才培养的各个领域，与之而来的计算思维也逐步走入人们的视野当中。

在结合我校申请“2011计划”的过程和实际实施“卓越计划”的情况，重点阐述我校在卓越工程师培养过程中，计算思维培养的重要性以及计算思维在教育教学应用实例对培，养出符合《国家中长期教育改革和发展纲要》所要求的创新型工程技术人才，有着积极的影响。

关键词：计算思维；卓越工程师培养；2011计划；教学改革
中图分类号：G642文献标识码：A
文章编号：1009-3044(2021)07-0085-02
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
1引言
“卓越工程师教育培养计划”是高等教育机构在贯彻落实我国《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》与《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020）》时的重大改革项目，是推进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重要举措和必经之路。

“卓越计划”的目标是：打造具备较强创新能力，并且能够良好地适应经济社会发展需求的”高质量、高水平和高适应能力”的各类工程技术人才，这对我国走新型工业化发展道路和实现创新型国家、人才强国战略都具有重要的示范与引导作用。

除此之外，在继国家“985工程”和“211工程”的高等学校建设之后，2011年我国又提出了在高校开展“高等学校创新能力提升计划”，即“2011计划”，这依然是意在提升我国创新意识。

“2011计划”的核心思想是以高校和企业的协同创新为载体，面向科学研究前沿、面向传统文化的传承与创新、面向实际行业和产业和面向区域的协同发展。

由此可以清晰地知道，卓越工程师和“2011计划”是一脉相承，息息相关的，对高校的人才培养提出了基本的规格和目标。

为了实现卓越工程师和2011计划的人才培养的需求，就需要在我们高校的教学中深入的探索创新性人才培养的手段和模式。

本文作者长期从事计算机计算原理、数据库等方面的一线教学，对计算思维的原理有着深入的认识，并且一直尝试着将计算思维作为教学手段融入教学中，所以本文在结合本校申请“2011计划”的过程和实际实施“卓越计划”的情况，重点阐述我校在卓越工程师培养过程中，计算思维培养的重要性以及
计算思维在教育教学应用实例。

2计算思维概念
思维教学本身不是一个新的提法，它的历史由来已久，其核心理念是通过思维能力的训练使学习者能够以“思维”为技能思考和解决问题。

美国卡内基·梅隆大学周以真教授指出：“计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[3]”。

计算思维是每个人所具有的基本技能，不仅仅属于计算机科学家，而且是我们大家都有必要掌握的技能。

计算思维的核心思想是以递推的方式并行处理计算问题，如此一来，原本复杂、庞大的系统就会被抽象和离散为若干简单和熟知的分散任务，且以并行的方式轻松处理问题，其基本流程都是“化简、嵌入、转化和仿真”。

计算思维具有三个显著特征：（1）计算思维不是亘古不变的固定程序，而是具有普适性的思维模式；（2）计算思维是智能化的人-机互动式的“高级算法”，可以优化问题处理的方法；（3）计算思维是离散数学和工程思维紧密结合的产物，天生具有强烈的创新和广泛的工程应用价值。

从上述的分析中，可以知道计算思维有很好的普适性和可操纵性，能够更便捷、更有效的转迁到教育教学中。

3卓越工程师培养状况分析
在以往的人才培养中，当学生走向工作岗位后总是发现学校里知识和现场的工作局面“失联”，很多实际问题不能得到解
收稿日期：2020-05-15
基金项目：本文系河北省高等教育教学改革研究与实践2017年度项目“面向工程教育专业认证的计算机科学与技术专业行业特色人才培养模式及实践”（项目编号：2017GJJG）；石家庄铁道大学2019年度高等教育教学研究一般项目“面向卓越工程师人才培养的实践课程体系研究”（项目编号：Y201908）；石家庄铁道大学2019年度高等教育教学研究重点项目“移动情景学习下的学习效果评价研究”（项目编号：Z201907）之阶段性研究成果。

作者简介：陈娜（1979—），女，辽宁辽阳人，副教授，主要研究方向为计算机科学与技术及相关专业的教学科研工作；胡畅霞（1977—），女，河南卫辉人，副教授，主要研究方向为计算机科学与技术及相关专业的教学科研工作；王学军（1968—），男，河北石家庄人，教授，主要研究方向为计算机科学与技术及相关专业的教学研究工作。

决，理由是“学校老师没有教给我们，我们在课本中没有遇到类似的问题”，这样的培养效果让高校的教育者很是尴尬。

工业技术和计算机技术都在迅速地更新中，如此迅猛的趋势我们不可能阻挡，教师也不能实时的传授最新的动态。

我校在“土木工程”和“机械设计制造及其自动化”两个优势特色专业设立了“卓越班”。

如何把土木工程或者机械工程等工科专业中涉及的具体技术进行合理抽象和概括？如何潜移默化地让学生体会计算机技术中的思维方式等等?都是摆在我们面前的紧迫问题。

作为工科的学生来说，了解和掌握计算思维的学习方式，对于将来成为具有创新意识和竞争力的人才至关重要。

因此，在工科的人才培养中，要摆脱传统教学的模式，有必要创新的将计算思维的精髓融入工科教学中，为卓越人才的培养提供先进的理念。

计算思维是一剂“良药”，可以以计算思维的不变应对技术革新的快变，以计算思维的巧妙应对工程问题的复杂性。

在就业越来越困难的今天，掌握了计算思维，无疑是给培养的人才增加了在职场的竞争力。

如果学生真正掌握了这样的思维方式，往往要比记住若干的专业名词实用的多。

为培养出符合我国《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）》创新型工科技术人才的需要，我校在“卓越计划”人才培养方面重点加强对学生的计算思维的培养。

本文作者在教育教学活动中，利用自身在计算思维的科研和教学便利计算思维的理念充分的融入教学环节中。

4卓越工程师培养与计算思维的有机结合
通过上述的分析，我们知道计算思维的教学方式是可以应用于“卓越计划”和2011的工科人才培养过程。

本文分别从工科的人才培养过程中的课堂引入和课堂教学两个环节深入探讨如何具体实现“卓越计划”的人才培养过程与计算思维培养理念的有机结合。

4.1计算思维的先前课堂引入
在进行专业课程讲授之前，教师就明确指出计算思维能力在未来专业课程体系中的重要地位。

学生在经历四年的系统培养，所具有的能力不单单是自己专业内的简单知识点的简单应用，而是应用这些知识构建更复杂的专业模型，解决实际情况的工程问题。

例如：计算思维中大量的算法都可以巧妙的计算工程问题中高阶项，可以很好地计算提高精度，这些算法曾成功的运用到了波音777飞机的研发中，成为历史上应用计算机算法的最成功的案例，它完全通过计算机仿真模拟和设计，没有经过风洞测试，不但大大地缩减了研发周期，还降低了机身重量、减少了浪费并节省制造成本。

再比如，我们所熟知的全球定位系统
GPS，它可以为我们计算出各种不同需求的、从出发地到目的地最优路径，可以是花费时间最短，也可以是过路费最少，也可以是避免拥堵等等，其实GPS的原理的就是动态规划算法中寻找最优路径的做法。

因此，教师可以通过大量诸如上述的实例分析，说明计算思维不仅仅是计算机专业在编程方面的应用，而且是解决工程问题过程中的需求，激发学生掌握计算思维的兴趣，引导学生主动探索计算思维在专业课程中的应用。

4.2计算思维与课堂教学的紧密结合
要实现计算思维与课堂教学的有机结合，需要从如下两个角度来确保实现：
首先，基于计算思维的基本理念，将“抽象”和“自动化”的核心思想在各个教学环节中用大量的实例讲透，将烦琐的推理过程先用规定的符号进行确切的定义，对概念进行定量的公式推演。

举个例子：假设有面值分别是1元、5角、1角的3种硬币，小孩买了价值6元2角的食品，给了售货员10元钱，售货员希望找给小孩硬币数目最少。

这种简单地从具有最大面值的币种开始，按递减的顺序考虑各种币种的方法称为“贪心法”。

贪心法体以当前和局部利益最大化求解问题，具体过程：①分解：将原问题分解为若干个相互独立的阶段；②解决：对每个阶段求局部的最优解，即进行贪心选择；③合并：把各个阶段的解合并为原问题的一个可行解。

看似一个很简单的例子阐明了贪心法的本质，这是最接近于人类日常思维的一种问题求解方法，它已在人类工作和生活的各个领域得到广泛的应用。

因此，将计算机科学中的抽象思维变成工科学生更容易接受的具体表达形式，从而实现计算思维与工科学生的“无缝对接”。

形成良好的计算思维的技能的是每一个学生必须掌握的，是学生未来充分发挥职场能力的前期条件。

然后，用土木工程或者机械工程专业课程中工程实例，反演抽象的计算思维用途，通过对比传统解决问题的方式和采用了计算思维的解决问题的异同，重点突出计算思维在解决问题中优势，让学生体会计算思维的巧妙之处。

例如，让学生搜索专业课中的相关资料，那就可以让学生充分的利用“搜索引擎”的思想，即设计一些策略、运用计算机编辑程序，从互联网上自动搜索信息，最后对专业信息进行组织和后处理，将专业课相关的知识点和脉络清晰地展现出来。

其实就是运用计算思维中的“网络爬虫”法，其原理是：图的遍历，以图的某个顶点出发，遍历图中所有顶点，且使每个顶点仅被访问一次。

看起来很简单，但是如果在百度和谷歌上手工的键入每个关键词，根据搜索到的条目再一一筛选结果，找到需要的专业知识，会浪费很多的时间，而且人工的操作难免会遗漏一些重要的知识点。

计算机的重复性计算能力是最为擅长的，而其中的计算算法却是人为定义和操作的，其实就是计算思维为“幕后的操作者”。

所以，将计算思维发扬和应用到知识的学习中，是一种智慧的表现，也是课堂教学必然的选择。

4.3基于计算思维的知识体系构建
计算思维由于自身优势的存在，不但能有效提高学生的课堂掌握知识的效率，更能使学生对自己的知识结构进行合理的分类和构建，形成系统的技术体系，有利于今后创新性的工作，这正是国家对人才培养最终追求的目标。

在工科教学具体活动中，教师通过“推理、反演和重现”等方式努力促成学生形成基于计算思维的思考和解决问题的意识，数理逻辑的基本概念就可以游刃有余的引入课堂，离散数学中数理逻辑的真正效果也就体现出来了，学生的专业知识点就成为完整的体系，枯燥与无序的专业课程可以彼此融通和应用。

（下转第98页）
资料；
（2）学生通过老师提供的资料自行完成课程相应知识点的学习；
（3）老师提供课外互动交流的平台和方式，及时解决学生自学存在的问题；
（4）课堂教学主要是学生自学成果和方法分享交流，以便了解学生对所学知识点的掌握情况；
（5）最后课堂点评和评价学生工程项目完成情况。

这一教学模式的改进可以一定程度的缓解学生课堂学习时间紧的压力，也可以提高学生的自学能力。

最后课堂点评和评价环节可以让学生进一步了解工程项目的解决路径，提升学生的工程化应用能力。

3以“回归工程”为导向的课程考核评价方法
3.1基于项目完成情况评价方法的过程考核体系的建立
以课程章节内容为基础，完成项目案例库的建设，并以章节内容中重要知识点为评价关键点，建立项目完成度评价体系，具体单个评价关键点评价标准如表1所示。

表1关键点评价标准
考核内容
关键点
评分依据
优秀(85~100)
解题思
路或设计方
案合理，并能
体现创新意
识
良好(75~84)
解题思
路或设计方
案较合理，并
能体现创新
意识
中等(65~74)
解题思
路或设计方
案可接受，有
一定的创新
意识
及格(64~60)
解题思
路或设计方
案可接受，创
新意识体现
较少
不及格(<60)
解题思
路或设计方
案不合理，没
有体现创新
意识
项目完成度评价内容包括关键点目标完成度评价和项目关键点完成情况分析，具体计算方法如下。

项目完成系数=∑i=1n关键点得分80(i为关键点个数)
其中，项目关键点得分80为完成基本分，60-79分段则关键点完成度小于1，少于60分则关键点未完成，多于80分则关键点完成度大于1。

3.2以学生为中心的课程考核体系的建立
为了扭转学生对课程的学习只是为了取得期末考试高分的学习现状，加大过程考核权重，建立以课程过程考核为主，期末考核为辅的课程评价体系。

期末考核内容以工程应用内容为主，融入工程应用的思考与见解，以便提升学生终身学习的意识。

具体课程考核评价标准如表2所示。

表2课程考核评分标准
考核依据
过程考核
（项目完成
度）
期末考试
分值比例
50
%
10
%
40%
项目
完成
分
项目
超额
完成
加成
考核/评价细则
本部分成绩100分，成绩按
50%比例计入课程总评成
绩；项目分最高得分为100
分，多于100分按照100
计算。

本部分成绩10分，直接计入
课程总评成绩。

考试题型建议为分析题、计
算题、程序设计题等。

计算方法
项目分=
项目完成系数
项目关键点个数
⋅100
加成分=()
项目分-100⋅1025
4结束语
结合新工科教育发展趋势，思考将“回归工程”的教育理念融入《计算方法》课程教学中来，改变传统课程教育枯燥、学习驱动力不足、评价过程不完善的教学现状。

以工程问题为导向的教学内容设计，让学生明白课程学习内容的实用性，激发学生的课程学习兴趣，调动课程学习的积极性和主动性；以项目驱动为导向的教学模式设计，可以一定程度的缓解学生课堂学习时间紧的压力，也可以提高学生的自学能力；以“回归工程”为导向的课程考核评价方法，提升过程考核的权重，让学生平时学习动力更足，进一步激发学生的学习积极性。

参考文献：
[1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究, 2017(3):1-6.
[2]陆国栋,李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程
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[3]刘华蓥.计算方法及程序实现[M].北京:科学出版社,2015.
[4]王金柱.《计算方法》课程教学改革的探索与实践[J].陕西教
育学院学报,2011,27(1):81-83.
【通联编辑：李雅琪】
（上接第86页）
5总结
学习专业知识和逻辑思维不是彼此孤立的，而是应该取长补短，紧密结合在一起的。

本文借助在计算机技术中的计算思维的长期教学经验，提出将逻辑性很强的计算思维与卓越工程师人才培养计划的教学活动相结合，重点阐述我校在卓越工程师培养过程中，提出计算思维培养的重要性以及计算思维在教育教学应用实例，为卓越人才的培养提供先进的理念。

参考文献：
[1]斯滕伯格.思维教学——培养聪明的学习者[M].北京:中国轻
工业出版社,2001:127.
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共课教学改革研究[J].电脑与电信,2015(3):21-24. [5]刘贵松,陈文宇,王晓斌,等.计算机学科本科生计算思维能力
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【通联编辑：光文玲】。