计算思维在大学计算机基础教学中的应用研究

总第235期
2013年3月（上）The Science Education Article Collects Total.235
March2013（A）
摘要计算思维作为人类科学思维的基本方式之一,近年来受到了国内外计算机界的广泛关注。

本文研究了计算机基础教学中的计算思维的体现,并指出培养计算思维能力是当前国内外大学计算机教育的重要组成部分。

关键词计算思维计算机基础教学
The Study on How Thought Computation is Applied in College Computer Teaching//Gao Yanying
Abstract Thought computation is one of basic mind manners of human beings,and has been focused by people in computation field.How thought computation is presented in college computer teaching is demonstrated in this paper,and it is the most impor-tant element in college computer teaching in our nation and abroad.
Key words thought computation;computer teaching
1引言
我们人类在认识世界和改造世界的过程中，不断地探究科学领域的知识，形成了理论科学、实验科学、计算科学三大学科类别。

它们正推动着人类文明的进步和科技的发展。

以三大学科为主线，形成了三种科学的思维方式。

它们分别是以物理学科为代表的实证思维，以观察和总结自然规律为特征；以数学学科为代表的逻辑思维方式，以推理和演绎为特征；以计算机学科为代表的计算思维方式，是运用计算机科学的基础概念进行问题求解，系统设计。

本文我们主要讨论计算思维方式在计算机基础教学中如何体现。

今天的人们生活在各种不同形式和方式的网络中，人们信息交流的工具是电子邮件、移动电话和发送短信，人们在商场、超市经常刷卡消费，在互联网中人们浏览新闻、写博客、发微博……以上的各种行为方式都留下了人们的数字印记。

海量的数字印记汇聚在一起就成为复杂的个人和集体行为的图景，这些都是对社会的人及组织行为的映射，网络数据可用来分析个人和群体的行为模式，从而加深人们对生活组织和社会的理解。

将计算科学应用于社会科学便自然而然提出了计算社会科学。

计算社会科学的研究涉及人们交互方式、社会网络的形态及演化规律，三方面问题的研究可以帮助人们解答很多社会问题，计算社会科学是计算思维推动其他学科发展的典范。

信息化技术发展的今天，计算机作为必不可少的工具，已经在生产生活的各个领域广泛应用。

2理解计算思维概念
计算思维的概念是美国卡内基梅隆大学计算机科学主任周以真教授提出的，他在2010年给出了计算思维的定义[1]：计算思维是与形式化问题及其解决方案相关的一个思维过程，其解决问题的表示形式应该能有效地被信息处理代理执行。

具体的计算思维包括一系列广泛的计算机科学的思维方法，计算思维是通过嵌入、转化和仿真等方法，把一个个困难的抽象的问题解释成如何求解的思维方法，是对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。

计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法[2]。

利用计算思维可以把复杂的任务，设计庞大的工程系统进行分解，简化。

它可以为预期的多个用户进行模块化，为预期未来的应用而进行缓存。

计算思维通过冗余、纠错方式，在最坏的情况下进行预防、保护和恢复的一种思维方法。

在日常生活中当你孩子早晨去上学时，他把每天的学习用品放入书包，这就是预置和缓存。

当你孩子弄丢他的一只手套时，你让他沿走过的路寻找，这就是回推。

在超市结账时，你要选择哪个队列排队？这就是多服务器系统的性能模型。

为什么停电时你的电话仍然可用？这就是失败的无关性和设计的冗余性。

这些都加深了我们对计算思维的理解。

时代发展的今天，要求我们学会计算思维，著名的教育专家提到：“课堂是一种生活，怎样在这段时间里积极地、主动地展示生命活力，是我们的研究重点。

每个学生以完整的生命个体状态存在于课堂生活中，他们不仅是教学的对象，学习的主体，而且是教育的资源，是课堂生活的共同创造者。

”这就要求我们即是教育者，又是研究者，既改变旧的教育模式，也改变自己。

3把计算思维融入计算机基础教学课堂
大学计算机基础课程是大学生在步入大学时的第一门计算机课程，这门课程强调的是思维训练而不是具体实现，学这门课程让新生认识到计算机学科之美，教学目的是从培养学生的科学认知能力出发，让他们理解和建立“信息、计算、智能”这三大核心科学概念，在大学的课堂中，从传统的授课模式，老师讲解，学生被动的接受，转化为学生想学习，要主动学习的思维模式，这是我们要把计算思维引入教
计算思维在大学计算机基础教学中的应用研究
高延英
(东北农业大学电气与信息学院黑龙江·哈尔滨150030)
中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1672-7894（2013）07-0061-02
基金项目：教育部大学计算机课程改革项目：“农林院校创新性人才计算思维能力培养方案与教学资源建设”；黑龙江省教育厅规划课题：“高
等农业院校建立学生计算思维能力培养体系的研究”，研究项目编号：GBC1211016。

作者简介：高延英（1978—），女，黑龙江哈尔滨人，东北农业大学电气与信息学院教师，研究方向为计算机科学与技术。

61 . All Rights Reserved.
学中的最佳效果。

课堂上，让我们的学生充分发挥自己的想象空间，运用高效率的思维模式思考，增进学生之间的讨论和交流，相互的帮助与合作，这样的课堂已不再是教师一个人施展才华的舞台，而是师生之间互相交流的平台，是引导学生发挥自己空间的场所。

我们教师在上课前，不仅要充分考虑学生课堂能学到什么，而是如何让学生的学习效率最高。

学生的思路开阔，思维活跃，这要求我们要不断的学习并设计符合学生知识结构和心理特点的生动的教学实例，贴近生活实际的，这样才能吸引学生的目光，能够为学生的创新思维预留空间。

要培养学生结合教学内容学会自己动手、观察思考问题，引导他们在实践中进行科学的思维，而不是我们生硬地把自己的思维定式强加给学生，要善于鼓励学生大胆提问，认真虚心听取学生意见，放手让学生勇于发现和创新。

目前，计算思维在教学中的应用和推广正在逐步展开，一些计算机教育者正在教学过程中推进计算思维能力的培养。

我们讲授计算机基础理论课程时，面向文科、经管类的学生培养他们计算思维可以更偏重数据的收集、管理、分析和可视化等，主要案例中体现现实生活中复杂数据的处理问题，如工资、报表统计等；面向我们全校的理科的学生则要偏重于基础算法及知识的拓展，如并行算法、我国古代的经典算法（迭代法、递归法、汉诺塔算法）等。

大学计算机基础教学中，当我们讲到多媒体技术基础时，课堂上我们给学生介绍的多媒体软件是网页三件客之一Flash软件，这是一款很适用的动画制作软件，简单易学。

我们讲授此软件时，如何让学生既掌握了动画制作，又培养学生的计算思维呢？这需要我们老师要精心选取案例。

如我们可以选择学生比较感兴趣的游戏界面的动画作品为案例，让学生对传统的游戏动画进行改良，我们可以设计《打熊猫》为动画的小游戏，让学生利用flash动画制作如何使一只可爱的熊猫在同一洞口不断地出现和消失的动画。

洞口中出现的动物，可以以自己喜欢的小动物为动画题材，选取一个作为动画素材，并讲解给学生制作的过程不难，这样大大激发了学生的参与热情，调动了学生的积极性。

从构思到选择工具软件，从素材收集，图片选取，到背景音乐的添加到动画的制作，都需要学生充分发挥想象力、独立思考，让学生根据自己的爱好大胆创新，在调试过程中使作品逼真，动画效果与场景吸引人，主动去研究，以达到完美境界，从而提高了自己的水平。

通过对这个动画的制作，学生已经掌握了位图动画的简单制作要点，接下来我们可以给学生提出新的研究设计任务：制作如何让动画中的小熊猫在两个洞口乃至多个洞口同时出现和消失的动画。

通过循序渐进地设置任务，难度逐渐加大，留给学生自由发挥的空间，启发学生运用计算思维的方法，让学生思考中学习，学习中创新。

在教学中，不是由老师直接告诉学生如何解决问题，而是学生根据老师的设计情境、任务要求，主动学习和分析，获取解决问题的方法，建立自己的思维方式，提出解决的方案。

4计算思维在计算机基础课程体系中的体现及其他领域的应用
大学计算机基础的课程很多内容都对计算思维提供了很好的诠释和生动的案例。

例如，计算机广泛应用于科学计算、数据处理、过程控制等领域，实质通过学习培养了学生计算思维意识的作用。

从古代算盘到计算机的产生、发展是计算思维内容不断拓展的过程。

数据在计算机中的表示，为什么采用二进制，是表示问题的方法。

我们介绍的计算机操作系统知识是用计算思维思想解决了计算机自身问题的案例。

计算机如何工作，如何让软硬件相互配合，解决计算机数据的存储管理、文件管理等。

在日常生活中，网上购物、网上开店是典型的有别于传统思维的计算思维活动。

设计一个动画，实际是一个建模和仿真的问题过程。

“程序设计基础”是一门关于计算思维方法的课程，是我们新生在有了一定的计算机基本理论知识和基本的计算思维之后，开设的一门典型的计算思维课程。

它涉及大量的算法，像枚举法、递归法、迭代法等都是毫无争议的典型的设计。

在计算机网络基础知识的学习中，我们给学生引入问题，如今我们应用的电子商务，数据的共享，网络的传输通信是如何实现的？两台配置和规格不同的计算机之间相互通信，收发端信息的识别，信息传递过程中如何选择最优的路径，信息传递过程中的完整性、安全性问题的解决等。

解决这个问题的核心是遵循什么样的规则和约定，即要用什么样的协议，连接网络。

网络设计这并不是设计一个庞大的协议来满足所有的网络，而是把复杂的问题简单化，采用分层的结构，分而治之的方法，把复杂的问题分解为若干步骤，若干个小问题，并相应的设计小的协议，使每一个小协议的设计、测试、连通都相对比较容易。

这依然是计算思维的体现。

在生物学领域，蛋白质动力学可以用计算过程来模拟；在医疗设备中，用机器学习方法分析功能核磁共振数据；化学领域用优化和搜索算法寻找优化化学反应条件和提高产量的物质；在航空航天等领域采用计算机模拟测试飞机的运行轨迹及性能。

在娱乐领域，利用虚拟现实技术开发的各种大型游戏，可以模拟人的动作，有很好的视觉和感知效果等等。

这些都体现了计算思维的应用。

5结语
培养当代大学生用计算机解决和处理问题的思维和能力，提升大学生的综合素质，强化创新实践能力。

基于计算思维开展教学研究与实践是当今高效计算机基础教学面临的新课题和首要任务，也是培养大学生综合素质的重要环节。

将计算思维融入计算机基础教学中，目的是培养学生像拥有阅读、写作和算术基本技能一样拥有计算思维能力，并可以应用于日常的学习、研究与未来的工作中。

参考文献
[1]jan cuny,larry snyder,jeannette m.wing.demystifyingct for non-com-
puter[J].word in progress,2010.
[2]李廉.计算思维——
—概念与挑战[J].中国大学教学，2012（1）.
[3]教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会.高等学校计算
机基础教学发展战略研究报告暨计算机基础课程教学基本要求[M].北京:高等教育出版社,2009.
[4]陈国良,等.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学,
2011（1）.
教改教法62
. All Rights Reserved.。