计算机导论课程中计算思维能力培养研究.doc

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1、中图分类号：G642中图分类号G642文章编号：1672-5913(2012)15-0069-05计算机导论课程中计算思维能力培养研究何秀青 1，何聚厚 1，2（1. 陕西师范大学 计算机科学学院，陕西 西安 710062 ；2. 陕西师范大学 教师专业能力发展中心，陕西 西安 710062）摘要：针对计算机科学课程结构中有效培养学生计算思维能力的问题，分析作为所有专业课先导课的计算机导论课程中计算思维能力培养的重要性、面临的挑战和教育理论基础，提出在计算机导论课 程中基于 Moodle，以 NetLogo 为实践平台，通过问题分析、抽象建模、编程模拟、特征探索 4 个阶段， 以循环递增的方式

2、进行计算思维能力培养的实践架构，并通过实例详细阐述实践过程和基于多目标的 评价过程。关键词：计算机导论；计算思维；计算机科学课程结构进行全面阐述的同时 2，美国卡内基 梅隆大 学周以真教授提出的计算思维（Computational Thinking）理 念 5，得到了国内外专家的一致 认可，并成为计算机科学课程体系结构设计和 学生能力培养的指导性思想和方法 4-8。计算 思维强调运用计算机科学的基础概念去求解问 题、设计系统和理解人类的行为，其本质是抽 象（Abstraction）和自动化（Automation），其核 心是基于计算模型（环境）和约束的问题求解 5。 可以看出，计算思维是对基于

3、二维矩阵的计算 机科学知识领域进行有效学习的进一步系统阐 述，将贯穿于计算机科学的所有课程设计。在 计算机科学课程的教学过程中，强化计算思维 能力的培养，对于培养高素质的计算机科学人 才尤为重要 4-5。近年来，国内学者基于计算思维对计算机 科学及其相关学科的课程结构、课程改革等也 进行了深入研究。如 2008 年 10 月在“计算思维计算机导论作为计算机科学及其相关专业所有专业课程的先导课程，要求学生通过该课 程的学习，构建其后续专业课程学习的知识结 构，并有效指导其后续课程的学习 1-4，因此 其课程内 容、授课要求等成为国内外学者关 注的热点 4-5。ACM 教育委员会于 1989 年在

4、 Computing as a Discipline的报告中使用二 维矩阵描述如何通过理论、抽象和设计三个过 程（横向），实现对计算机科学的知识领域（纵 向 ）有效进行课程设计与学习：知识领域在理 论上相互交叉支持；通过抽象实现对行为的有 效建模，并挖掘其潜在的特征；通过设计实现 对问题的描述，并转化为解决方案，最后通过 具体的编程实现解决问题 1。可见，在计算机 导论课程中引导学生构建知识领域的关系，并 培养其抽象建模和设计能力，对于后续学习具 有重要意义。在其后的 CC2001 和 CC2005 中， ACM 和 IEEE-CS 对计算机科学课程体系结构 基金项目：中央高校基本科研 (GK

5、201002028); 国家 985 优势学科“教师教育创新平台”项目 (GJ9850104)。作者简介：何秀青，女，讲师，研究方向为软件演化；何聚厚，男，副教授，研究方向为信息安全技术、教育信 息化技术。计 算 机 教 育Computer Education702012与计算机导论专题研讨会”上，董荣胜教授等学者深入探讨了基于计算思维的计算机导论课程结 构 4。2010 年 7 月， 在“九校联 盟（C9）计 算 机基础课程研讨会”上，众多学者在分析计算机 基础教育面临的问题和挑战的基础上，一直认为 计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培分委员会制定的计算机科学与技术专业规范中，建议计算

6、机导论 24 个授课学时 3。因此在 内容讲授与实践的各个环节，必须考虑各种因 素，遵循全局设计原则，分步实施策略，基于 问题分析、抽象建模、编程模拟和特征探索 4 个 阶段，采用自顶向下、循环递增的方式，引导 学生逐步进行实践。6养 。陈国良等阐述了计算思维对培养学生创新能力的重要性，提出了以计算思维能力培养为目 标的计算机基础课程改革的必要性 7。卢俊岭等 探讨了“基于计算思维的算法设计与分析课程改 革”8 等。国内外基于计算思维的计算机科学课程体 系结构和学生能力培养的研究，在理论上都有 非常好的借鉴意义，但在如何通过具体案例培 养学生的计算思维能力方面，还缺乏系统的论 述。为此，本文以

7、计算机导论课程为背景，以计 算思维能力的培养为目标，提出了计算机导论 课程中循环递增的计算思维能力培养实践架构， 并通过实例详细阐述了实践过程和基于多目标 的评价过程。2计算思维能力培养实践2.1教育理论基础计算思维作为信息技术环境下分析解决问题的指导性思想和方法，根据现代建构主义学 习理论，它不可能被“教”给学生，而是通过个 体之间（教师和学生，学生和学生）的社会活动 和合作交流，学生在自己的头脑中建构自己对 计算思维的理解，在这个学习和发展的过程中， 教师扮演着“促进者”和“帮助者”的角色，通 过激励、协作等方式帮助指导学生实现对计算 思维能力的理解和提高 9。同时，随着 Web 2.0、

8、 知识构建系统（如 Wiki）和智能搜索技术等的快 速发展，各种有效促进学习的工具和技术层出 不穷，学习超越了个人的内化活动 10，个人既 是复杂知识的贡献者，又可以通过“关联”受益 于复杂的知识 10，关联主义（Connectivism）作 为数字时代的学习理论，得到了越来越多学者 的认可。因此，在计算机导论课程中培养学生计 算思维能力时，也要强化学生的“关联”能力。 通过“关联”，学生既可以有效开展计算思维能 力培养的实践，又可以为计算思维能力提供有 益补充。1计算思维能力培养分析计算思维能力的培养过程以计算理论为基础，以问题解决为导向，有效组织、开展各种 活动，最终提高基于计算理论解决实

9、际问题的 能力。但计算机导论作为计算机科学及其相关 专业学生步入大学的第一门课程，很多知识点 只是泛泛而谈，因此，必须引导学生通过网络 学习等手段实现对这些知识点的准确理解，并 构建知识点在理论上的关联性。由于学生还没 有学习任何编程语言，在通过编程设计实现问 题的求解过程中，需要选择简单易用的实践环 境。计算机导论作为非核心课程，课时一般比较 少，如教育部计算机科学与技术专业教学指导2.2实践架构设计基于计算机导论课程在计算机科学课程体学科建设与教学改革第 15 期71系结构中的定位和作用，以及在计算机导论课程中计算思维能力培养面临的挑战和其教育理论基 础，我们设计了一个循环递增的计算思维能

10、力培 养实践架构，如图 1 所示。的过程，基础是计算机导论理论和实践平台的学习，以及利用网络资源。考虑到学生在抽象 建模和编程模拟等方面是初学 者，为此实践 平台采用 NetLogo12。NetLogo 是基于多智能 体（Agent）的集成建模仿真平 台，用于对基 于时间演化的复杂系统建模仿真，其基本思路 是通过观察分析现实系统，抽象出每个个体所 遵循的规则和个体之间的相互作用，构建仿真 模型并编程模拟，通过仿真涌现的结果再来反 映现实系统。可以看出，基于 NetLogo 的仿真 过程和计算思维培养的实践过程比较吻合。同 时，NetLogo 的操作简单，解释执行编程语言 简单易懂，适合初学者使

11、用。NetLogo 中的智 能体包括乌龟（turtles）、碎片（patches）、链接（links）和观察者（observer）。“世界”是一个二 维的网格，每个网格是一个碎片；乌龟可以在 “世界”范围内移动，根据模拟内容的不同，乌 龟可能代表不同的模拟对象（breeds）；通过链 接构建乌龟之间的关系；观察者通过模拟过程 监视功能看到乌龟、碎片和链接在模拟过程中 的变化。基于 Moodle 提供关于 NetLogo 的相关学 习资料、常规操作和建模编程的视频。不同于 传统的从基本语句和操作开始的编程语言学习， 我们以 NetLogo 解决具体的问题为背景，引导 学生通过网络先概括学习 Ne

12、tLogo，体会计算 思维能力中基于计算模型（环境）和约束的问题 求解思路，然后根据自己的需求，逐步展开学 习相应的内容。这种自顶向下的思路更有利于 激发学生利用 NetLogo 进行计算思维能力培养 的学习。图 1 计算机导论课程中计算思维能力培养实践架构学习平台采用模块化面向对象的动态学习环 境 Moodle（Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment）11。Moodle 是 基 于 建 构主义教育理论开发的免费开源 E-learning 系 统，通过论坛、测验、资源共享、投票、问卷 调查、网络作业、在线聊天、专题讨论和互动 评

13、价等功能，有效开展计算机导论课程基于网 络的辅助学习、网络资源的查找和共享，以及 计算思维能力培养的实践活动。同时，老师基于 Moodle 开展一些专题讨论，如大学学习模式与 高中学习模式有什么样的差异；如何更好地应 对大学学习；主动学习与被动学习对创新能力 的培养有什么影响等，引导学生尽快适应大学 学习和生活，并使学生领会信息时代正式学习 和非正式学习、阶段性学习和终身学习的重要 性，为后续的基于 Moodle 的专业课学习打下坚 实的基础。计算思维能力培养的实践包括问题分析、 抽象建模、编程模拟和特征探索 4 个循环递增3具体实施实践小组的所有活动基于 Moodle，以“非计 算 机 教

14、育Computer Education722012隔离”活动组展开，不同小组成员之间可以相互观摩并共享资源。每个实践小组至少创建问题 分析、抽象建模、编程模拟和特征探索 4 个讨 论话题。1）问题分析：小组成员探讨确定要解决的 问题，并逐步细化问题。2）抽象建模：通过简单的语言和符号建立 解决问题的模型。对于初学者，可以采用逐步细 化的方式，即先在合理的假设基础上建立简单的 模型，以便后面的步骤能够继续实施，然后根据 循环递增的思想逐步细化模型。3）编程模拟：根据建立的模型查阅相关资 料，探讨需要的编程语句、相应的技术和如何逐 步完善程序并实现模拟分析。4）特征探索：根据模拟运行的结果探讨是否

15、实现了预期目标，模拟显示现象体现了问题的 哪些特征，是否通过引入其他参数更好地模拟并 解决问题等。根据探讨的结果进入问题分析并开 始下一次实践过程。表 1 是以“简化的草原生态系统模拟与演化” 为例进行计算思维能力培养的实践过程。学生还 可以对模型进行进一步分析，如添加新的物种 狼，狼可以吃羊、也可能被饿死等。实践过程完成一次循环后，小组成员之间 通过对等互评给出形成性评价，老师也要给每 个小组成员给出形成性评价。最后以实践小组为 单位提交总结报告，并把程序及相关文档发布到 Moodle 的公共讨论区，供其他小组成员观摩。表 1 计算思维能力培养实践：以“简化的草原生态系统模拟与演化”为例真实

16、情景与演化但无法显示羊的吃关系数目达到稳定状态很小范围震荡，且说明：由于篇幅所限，论文中编程模拟使用描述性语言。性评 价（Formative Assessment）和总结性评价 （Summative Assessment）相结合的方式。1）实践过程完成一次循环后，老师和小组 成员对实践过程和阶段性成果进行观察分析，基 于形成性评价的基本目的，如促进对内容理解， 改善学习方式，提高技能等。老师对每个小组成4多目标评价为了有效地指 导、激 励、 促进学生计算 思维能力的实践过程，在实践过程中采用形成过程问题分析抽象建模编程模拟特征探索1物种：羊，草Ecology=Sheep，Grass Sheep

17、=si|0iN Grass=gj|0jM 创建wh个patch作为羊群生活的世界 Grass（wh=M），颜色为green；创建 N个turtle形成Sheep，设置每个turtle的随 机位置。静态系统无法体现2羊可以随机行走并吃掉 草；草可以随机生长si=(move，eat)，gj=(die，grow) si在gj的为两个元组，si在gj的 位置且对gj进行eat，则gj成为 die；若gj为die，则以概率P确 定是否生长。在每次模拟tick的过程中，turtle随机确 定方向并前进一步；若所在的patch为 green，则eat该patch，patch颜色变为 black；若某patc

18、h的颜色为black，则以概 率P确定是否变成green。P为一指定值。生态系统由静变动， 与草的生长之间的3羊可以在一定条件下生 小羊；若一段时间没吃 草，则被饿死为元组si增加energy属性，每 次eat成功，则energy递增，否 则递减；energy达到一定的阀 值，则si减掉一定的energy并 Sheep增加元素sk；若energy为0，则在sheep中删除si。为turtle添加变量energy，且初始值为一非 零正数；对于每一个turtle，若eat成功， 则energy以步长x递增，当energy大于阀 值K时，创建新的turtle；若eat失败，则 energy以步长y递

19、减，当energy小于等于0 时，删除该turtle；为turtle和patch数目变 化添加数据观察和plots绘图；为turtle的 初始个数、K、x和y变量添加滑动条，可 以比较这些变量取不同值时模拟结果有 什么差别。根据模拟可以看出， 当K，x，y不变时， turtle和patch绿色时，其比值在一个 与turtle的初始个数（大于零）无关。学科建设与教学改革第 15 期73员，以及小组成员之间，从如下几个方面给出相应的量化评价和反馈信息。（1）是否提出过建设性的意见和建议。（2）是否针对其他小组成员的意见和建议进 行过具有实质内容的讨论。（3）所提交的资料是否对小组的问题解决具 有实

20、质性的贡献。（4）对小组其他成员的优点和不足能否进行 客观评价并给予改进的建议。（5）能否主动参与小组讨论和协同学习。（6）其他方面的突出表现等。 不同评价者重点的关注点可能不同，但必须给出相应的量化评价（1-5 分）和反馈信息。量 化评价作为结论性评价的重要依据，而被评价者 根据反馈信息，可以有效改进其后续实践表现。 同时，每个小组成员根据老师和其他成员的反馈 信息，进行一定的自我反思。2）结论性评价。老师根据小组项目的完成情况、实践过程的完成情况、每个人在不同实践过程中的量化评价 等，给出结论性反馈信息和量化评价。结论性量 化评价采用简单加权平均的方式，老师的评价具 有较高的权值。5结语计

21、算思维能力的培养已经成为计算机科学专业教学和计算机基础教学的核心任务，成为指导 计算机科学及其相关学科教学改革的风向标。计 算机导论课程教学中强化计算思维能力的培养， 必将成为计算机导论课程教学的发展方向。笔者 虽给出了比较详细的在计算机导论课程中有效培 养学生计算思维能力的实践架构、实践案例和评 价方法，但还有很多细节需要进一步研究，如形 成性评价中如何确保每个学生评价的客观性，被 评价者能够有效反思并应用于后续实践；结论性 评价中简单加权平均的科学性等。参考文献：12 3Denning P J, Comer D E. Computing as a disciplineJ. Communic

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