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摘要：在高等教育追求“内涵式”发展的今天，计算机教育摆脱工具化的困扰，改变传统的技能训练式的实践教学模式势在必行。本文在高校计算机教育教学改革探索的背景下，提出了以“计算思维”为导向的大学计算机教学改革实方案，并以非计算机专业计算机基础教育为例，给出了教学实践案例和初步验证了其合理性及可行性。
关键词：计算思维 计算机教育 认识论 教学评价
基金项目：本文受昆明理工大学“面向行业的管控一体化系统”学科方向团队项目支持
计算机作为通用的智力工具，在信息化深度发展的今天，其应用领域急速扩张，与其他学科的融合程度也前所未有地深入。国内高校传统的计算机教育主要以可量化的技能测试作为考核指标，以分数的差异、资质证书的获取作为教育差异的主要指标，这种同质化的教育模式背离了信息化时代对人才培养的要求。学生一方面喜欢“玩电脑”，另一方面却对计算机课程不感兴趣，而教师则往往限于理论课空泛的讲解，而实践课以强化操作为主的教学模式之中。“狭义工具论”使大学计算机教育迷失了发展方向。
1 高等计算机教育现状
现代科技发展所需的海量信息加工处理、快速准确的工业设计与仿真、科学有效的管理决策，无不深度依赖计算机科学与技术。如同数学和物理为自然科学提供了坚实的理论基石，计算机科学为其他学科的发展提供了重要的方法和手段，甚至是一种全新的思维模式。然而，如何构建科学的计算机基础教育、专业教育的教学体系，使知识体系构建、社会人才需求、学生学习需求达到一定程度的统一，却成为了高校现阶段计算机教育改革的重要课题。信息化的深度普及改变了传统的以集中实践、辅导为主的教学方式，课堂理论知识体系的陈旧固化与学生的求知趋向与广度需求的矛盾也日益突出。
如下几方面的变化是高等计算机教育改革所需重视的问题。
1.1 学生信息化背景的变化
现阶段高校学生群体普遍属于“信息时代原住民”，信息化对其影响与生俱来。学生对信息科学基本具有好奇感。如图1所示，以某高校2012级1000名新生作为调查样本，仅有1.3%的学生基本不使用互联网。
1.2 学生获取知识渠道的变化
开放式的网络时代，学生参与课程学习的时空界限得到了很大的延展，学生学习的独立性和离散性增强，静态知识的传授渐渐丧失了课堂的主导地位。如图2所示，学生在解决问题的渠道中，网络求助的比例（18.84%）已经接近于向老师提问的比例（21.26%）。
1.3 社会对人才信息化素养需求的变化
社会对人才信息化的需求愈发呈现多元化特征。形式单一且过分量化的考核方式，长时间作为国内多数大学计算机教学的主要评价手段。机器可判的命题形式限制了开放性和研究性为主的考核内容的实施。在这样的教学背景下，考证成为了课程学习的主要目标。
基于以上的现状，高校计算机教育在教学内容、教学方法及教学实践上实施变革，使计算机高等教育适应社会经济发展的要求、适应各级各类高校自身的人才培养目标的要求，已经显得十分迫切。
2 “计算思维”思想的引入
2006年，卡内基·梅隆大学周以真教授首次提出了计算思维的概念：“计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”。计算思维和阅读、写作和算数一样是人类解析能力的重要构成要素。计算思维在学界已经被定位为与理论思维、实验思维并驾齐驱的人类三大科学思维之一。Mc Master等学者提出了大学计算机教育培养MAC（Mathematical、Abstract、Computational ）thinking的理论体系，明确了计算思维不等同于程序的观念，科罗拉多大学Andri Ioannidou等以游戏设计思想和工程技术思想进行联系对照及迁移，提出了更加具体的计算思维模式培养的实施方法。董荣胜、袁开榜等学者在计算思维的概念拓展、定位等做出了较为深入的研究，并提出了较为具体的国内大学计算机教育实施方案。
工具论和教学中缺乏真理性基本科学规律的支撑，是大学计算机教育发展的主要障碍。简单的应用技能培训式的教学方式，渐渐使计算机教学变得索然无味，丧失了学科的文化底蕴。“计算思维”的引入，从认识论上解决了计算机教育在高等教育中的地位定位和发展方向的问题。在实际的教学实践中，计算思维并不应该仅停留在理论的层面，而是要与具体的教育目标及专业特点相结合，实现在计算机教育中的多元逻辑训练，依托应用目标培养学生在信息化背景下的自我解决问题的能力。
3 融合计算思维的教育改革实践
同理论思维和实验思维相比较，计算思维还远没有发展到成熟阶段。将计算思维融入到在具体的教学模式设定与教学方法实施中，还需要不断地进行尝试与探索。计算思维涉及基础科学、技术科学及工程技术三大科学层次，同其他学科的交叉可以衍生出诸多的理论创新和应用创新。引导和培养学生在高等教育阶段的计算思维能力，使其在信息时代的生活、学习中拥有利用计算思维理解、解决问题的素养，正是融合计算思维的新型计算机教育的魅力所在。
研究型高校、面向应用的一般本科院校、职业本科等不同层次的高校，所实施的计算机基础教育及专业教育应有不同的侧重。本研究基于本科计算机基础教育，着重在如下几个方面实施改革：
3.1 为课程界定科学合理的边界，排除单纯的技能训练式教学内容和教学形式。静态的知识主要采取教师引导，学生通过网络等开放学习形式自学的方式加以学习。
3.2 设计与生活情境、专业背景相关的精彩的案例作为学习的切入点。以“计数器”为例，对于低年级非专业的学生，可以从站点统计、购物计算、根据在线时间计算等级等学生熟悉的应用场景入手，剖析计数的原理，从而形象而清晰地阐明信息如何存储、如何处理和如何实现。作为开放性延展，可以引导学生思考与计数相关的问题，例如容忍出错的有限次数计数、计数值的数据库存储与文件存储之间的差异、计数器的图形化表示等。图3为大学计算机课程提高班教学中计数器原理实现与B/S三层结构对应关系示意。 教学实践证明，这样富于延展性，给学生充分思考空间的案例，既达到了锻炼学生计算思维的目的，又满足了学生驾驭计算工具而获得的成就感。
3.3 设置开放性的实践课题，加强实践环节的师生交互。实践环节对于计算机教学十分重要。固然计算思维是不需要插电的，但加以实践，会让学生更加直观而真切地感受计算思维及信息技术的实用价值。在实践环节的教学内容设定上要尽量避免技能强化的性质。具有探索性和开放性的实践课题可以培养锻炼学生思考解题思路、策划解题方案、寻求与实践解题办法的能力，这对于学生未来借助计算思维解决专业问题的能力培养是很有好处的。实践课题的拟定可以淡化对软件工具的要求，可以让学生在明确求解目标的前提下较为自由地选择工具及发挥个人的能力。在实践中教师可以加强和学生的交流与共同，帮助其优化解决问题的方案，或者在关键实践环节指导、协助学生完成任务。
4 尚存问题与深化改革的构想
教学改革的实施也受到教学管理及考核评价体系等多方面原因的限制，在实施如何计算思维的大学计算机教育改革的过程中，如下问题需要进行考虑：
4.1 课程评价体系、考核方式的改革
长期应试教育的影响，阻碍了高校计算机教育改革的具体实施，可量化的客观指标更受这种体制的欢迎。在高校的计算机课程考核方式中，操作路径可评判的技能测试以及答案具有唯一性的理论考题，是无纸化考试系统的主要形式。学生为了通过这种形式的考试，无非采取背记理论知识、强化技能训练的模式。这无疑与培养计算思维的教育理念是背道而驰的。
4.2 功利主义的阻碍
在应试教育长期影响的背景下，追求考试通过率、追求用各种社会认证证书来衡量教学水平的现象在国内高校中较为普遍存在。高校计算机教育在这种既承担计算思维能力培养，又承担现实应用指标的重压下，很难发挥个性、找准地位。这也是目前高校计算机教育较难割舍传统教学模式的主要原因之一。在“知识”与“技能”的天平上，为了量化的“指标”，教学行为往往选择了短效的后者。
4.3 个性化教学与统一教学模式的取舍
计算机科学学科体系庞杂，计算思维具有较强的渗透性和融合性，所以与专业结合搞好高校计算机教育具有较高的操作难度。针对不同学科背景开设特色的计算机教育不同于以往的分级教学，对教师也提出了比以往更高的要求。对选课群体的学科需求的划分也需要在今后的教学管理实践中加以改进及优化。
5 结语
总之，以计算思维为导向的高校计算机教育，为高校计算机教育的转型和提升提供了较为明确的发展方向。但是在教育改革的实践之路上，还有许多具体的技术性问题需要进一步探索与验证。教学的内容、技巧和方式方法可以因教学环境及施教对象有着灵活的变化，教育理念的梳理及转型才是高校计算机教育围绕计算思维进行改革的关键所在。
参考文献
[1]Jeannette M. Wing. Computational Thingking[J]. Communication of the ACM.2006（3）
[2]谭浩强.研究计算思维，坚持面向应用[J].计算机教育.2012.11
[3]McMaster， Kirby Rague， Brian； Anderson， Nicole.Integrating mathematical thinking， abstract thinking， and computational thinking[C]Frontiers in Education Conference （FIE）， 2010 IEEE.27-30 Oct. 2010.S3G-1 - S3G-6
[4]Andri Ioannidou，Vicki Bennett，Alexander Repenning， Kyu Han Koh， Ashok Basawapatna.Computational Thinking Patterns[C].2011 Annual Meeting of the American Educational Research Association （AERA），2011
[5]陈国良，董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学，2011.1
[6]董荣胜.计算思维与计算机导论[J].计算机科学.2009（4）
[7]袁开榜.二十一世纪，人们应该具有计算思维能力[J].计算机教育.2011.3
[8]牟琴，谭良.计算思维的研究及其进展[J].计算机科学.2011（2）
[9]朱亚宗.论计算思维[J].计算机科学，2009（4）
责任编辑：陈 顺
关键词：计算思维 计算机教育 认识论 教学评价
基金项目：本文受昆明理工大学“面向行业的管控一体化系统”学科方向团队项目支持
计算机作为通用的智力工具，在信息化深度发展的今天，其应用领域急速扩张，与其他学科的融合程度也前所未有地深入。国内高校传统的计算机教育主要以可量化的技能测试作为考核指标，以分数的差异、资质证书的获取作为教育差异的主要指标，这种同质化的教育模式背离了信息化时代对人才培养的要求。学生一方面喜欢“玩电脑”，另一方面却对计算机课程不感兴趣，而教师则往往限于理论课空泛的讲解，而实践课以强化操作为主的教学模式之中。“狭义工具论”使大学计算机教育迷失了发展方向。
1 高等计算机教育现状
现代科技发展所需的海量信息加工处理、快速准确的工业设计与仿真、科学有效的管理决策，无不深度依赖计算机科学与技术。如同数学和物理为自然科学提供了坚实的理论基石，计算机科学为其他学科的发展提供了重要的方法和手段，甚至是一种全新的思维模式。然而，如何构建科学的计算机基础教育、专业教育的教学体系，使知识体系构建、社会人才需求、学生学习需求达到一定程度的统一，却成为了高校现阶段计算机教育改革的重要课题。信息化的深度普及改变了传统的以集中实践、辅导为主的教学方式，课堂理论知识体系的陈旧固化与学生的求知趋向与广度需求的矛盾也日益突出。
如下几方面的变化是高等计算机教育改革所需重视的问题。
1.1 学生信息化背景的变化
现阶段高校学生群体普遍属于“信息时代原住民”，信息化对其影响与生俱来。学生对信息科学基本具有好奇感。如图1所示，以某高校2012级1000名新生作为调查样本，仅有1.3%的学生基本不使用互联网。
1.2 学生获取知识渠道的变化
开放式的网络时代，学生参与课程学习的时空界限得到了很大的延展，学生学习的独立性和离散性增强，静态知识的传授渐渐丧失了课堂的主导地位。如图2所示，学生在解决问题的渠道中，网络求助的比例（18.84%）已经接近于向老师提问的比例（21.26%）。
1.3 社会对人才信息化素养需求的变化
社会对人才信息化的需求愈发呈现多元化特征。形式单一且过分量化的考核方式，长时间作为国内多数大学计算机教学的主要评价手段。机器可判的命题形式限制了开放性和研究性为主的考核内容的实施。在这样的教学背景下，考证成为了课程学习的主要目标。
基于以上的现状，高校计算机教育在教学内容、教学方法及教学实践上实施变革，使计算机高等教育适应社会经济发展的要求、适应各级各类高校自身的人才培养目标的要求，已经显得十分迫切。
2 “计算思维”思想的引入
2006年，卡内基·梅隆大学周以真教授首次提出了计算思维的概念：“计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”。计算思维和阅读、写作和算数一样是人类解析能力的重要构成要素。计算思维在学界已经被定位为与理论思维、实验思维并驾齐驱的人类三大科学思维之一。Mc Master等学者提出了大学计算机教育培养MAC（Mathematical、Abstract、Computational ）thinking的理论体系，明确了计算思维不等同于程序的观念，科罗拉多大学Andri Ioannidou等以游戏设计思想和工程技术思想进行联系对照及迁移，提出了更加具体的计算思维模式培养的实施方法。董荣胜、袁开榜等学者在计算思维的概念拓展、定位等做出了较为深入的研究，并提出了较为具体的国内大学计算机教育实施方案。
工具论和教学中缺乏真理性基本科学规律的支撑，是大学计算机教育发展的主要障碍。简单的应用技能培训式的教学方式，渐渐使计算机教学变得索然无味，丧失了学科的文化底蕴。“计算思维”的引入，从认识论上解决了计算机教育在高等教育中的地位定位和发展方向的问题。在实际的教学实践中，计算思维并不应该仅停留在理论的层面，而是要与具体的教育目标及专业特点相结合，实现在计算机教育中的多元逻辑训练，依托应用目标培养学生在信息化背景下的自我解决问题的能力。
3 融合计算思维的教育改革实践
同理论思维和实验思维相比较，计算思维还远没有发展到成熟阶段。将计算思维融入到在具体的教学模式设定与教学方法实施中，还需要不断地进行尝试与探索。计算思维涉及基础科学、技术科学及工程技术三大科学层次，同其他学科的交叉可以衍生出诸多的理论创新和应用创新。引导和培养学生在高等教育阶段的计算思维能力，使其在信息时代的生活、学习中拥有利用计算思维理解、解决问题的素养，正是融合计算思维的新型计算机教育的魅力所在。
研究型高校、面向应用的一般本科院校、职业本科等不同层次的高校，所实施的计算机基础教育及专业教育应有不同的侧重。本研究基于本科计算机基础教育，着重在如下几个方面实施改革：
3.1 为课程界定科学合理的边界，排除单纯的技能训练式教学内容和教学形式。静态的知识主要采取教师引导，学生通过网络等开放学习形式自学的方式加以学习。
3.2 设计与生活情境、专业背景相关的精彩的案例作为学习的切入点。以“计数器”为例，对于低年级非专业的学生，可以从站点统计、购物计算、根据在线时间计算等级等学生熟悉的应用场景入手，剖析计数的原理，从而形象而清晰地阐明信息如何存储、如何处理和如何实现。作为开放性延展，可以引导学生思考与计数相关的问题，例如容忍出错的有限次数计数、计数值的数据库存储与文件存储之间的差异、计数器的图形化表示等。图3为大学计算机课程提高班教学中计数器原理实现与B/S三层结构对应关系示意。 教学实践证明，这样富于延展性，给学生充分思考空间的案例，既达到了锻炼学生计算思维的目的，又满足了学生驾驭计算工具而获得的成就感。
3.3 设置开放性的实践课题，加强实践环节的师生交互。实践环节对于计算机教学十分重要。固然计算思维是不需要插电的，但加以实践，会让学生更加直观而真切地感受计算思维及信息技术的实用价值。在实践环节的教学内容设定上要尽量避免技能强化的性质。具有探索性和开放性的实践课题可以培养锻炼学生思考解题思路、策划解题方案、寻求与实践解题办法的能力，这对于学生未来借助计算思维解决专业问题的能力培养是很有好处的。实践课题的拟定可以淡化对软件工具的要求，可以让学生在明确求解目标的前提下较为自由地选择工具及发挥个人的能力。在实践中教师可以加强和学生的交流与共同，帮助其优化解决问题的方案，或者在关键实践环节指导、协助学生完成任务。
4 尚存问题与深化改革的构想
教学改革的实施也受到教学管理及考核评价体系等多方面原因的限制，在实施如何计算思维的大学计算机教育改革的过程中，如下问题需要进行考虑：
4.1 课程评价体系、考核方式的改革
长期应试教育的影响，阻碍了高校计算机教育改革的具体实施，可量化的客观指标更受这种体制的欢迎。在高校的计算机课程考核方式中，操作路径可评判的技能测试以及答案具有唯一性的理论考题，是无纸化考试系统的主要形式。学生为了通过这种形式的考试，无非采取背记理论知识、强化技能训练的模式。这无疑与培养计算思维的教育理念是背道而驰的。
4.2 功利主义的阻碍
在应试教育长期影响的背景下，追求考试通过率、追求用各种社会认证证书来衡量教学水平的现象在国内高校中较为普遍存在。高校计算机教育在这种既承担计算思维能力培养，又承担现实应用指标的重压下，很难发挥个性、找准地位。这也是目前高校计算机教育较难割舍传统教学模式的主要原因之一。在“知识”与“技能”的天平上，为了量化的“指标”，教学行为往往选择了短效的后者。
4.3 个性化教学与统一教学模式的取舍
计算机科学学科体系庞杂，计算思维具有较强的渗透性和融合性，所以与专业结合搞好高校计算机教育具有较高的操作难度。针对不同学科背景开设特色的计算机教育不同于以往的分级教学，对教师也提出了比以往更高的要求。对选课群体的学科需求的划分也需要在今后的教学管理实践中加以改进及优化。
5 结语
总之，以计算思维为导向的高校计算机教育，为高校计算机教育的转型和提升提供了较为明确的发展方向。但是在教育改革的实践之路上，还有许多具体的技术性问题需要进一步探索与验证。教学的内容、技巧和方式方法可以因教学环境及施教对象有着灵活的变化，教育理念的梳理及转型才是高校计算机教育围绕计算思维进行改革的关键所在。
参考文献
[1]Jeannette M. Wing. Computational Thingking[J]. Communication of the ACM.2006（3）
[2]谭浩强.研究计算思维，坚持面向应用[J].计算机教育.2012.11
[3]McMaster， Kirby Rague， Brian； Anderson， Nicole.Integrating mathematical thinking， abstract thinking， and computational thinking[C]Frontiers in Education Conference （FIE）， 2010 IEEE.27-30 Oct. 2010.S3G-1 - S3G-6
[4]Andri Ioannidou，Vicki Bennett，Alexander Repenning， Kyu Han Koh， Ashok Basawapatna.Computational Thinking Patterns[C].2011 Annual Meeting of the American Educational Research Association （AERA），2011
[5]陈国良，董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学，2011.1
[6]董荣胜.计算思维与计算机导论[J].计算机科学.2009（4）
[7]袁开榜.二十一世纪，人们应该具有计算思维能力[J].计算机教育.2011.3
[8]牟琴，谭良.计算思维的研究及其进展[J].计算机科学.2011（2）
[9]朱亚宗.论计算思维[J].计算机科学，2009（4）
责任编辑：陈 顺