1、中圖分類號：g642中圖分類號g642文章編號：1672-5913(2012)15-0069-05計算機導論課程中計算思維能力培養研究何秀青 1，何聚厚 1，2（1. 陜西師范大學 計算機科學學院，陜西 西安 710062 ；2. 陜西師范大學 教師專業能力發展中心，陜西 西安 710062）摘要：針對計算機科學課程結構中有效培養學生計算思維能力的問題，分析作為所有專業課先導課的計算機導論課程中計算思維能力培養的重要性、面臨的挑戰和教育理論基礎，提出在計算機導論課 程中基于 moodle，以 netlogo 為實踐平臺，通過問題分析、抽象建模、編程模擬、特征探索 4 個階段， 以循環遞增的方式

2、進行計算思維能力培養的實踐架構，并通過實例詳細闡述實踐過程和基于多目標的 評價過程。關鍵詞：計算機導論；計算思維；計算機科學課程結構進行全面闡述的同時 2，美國卡內基 梅隆大 學周以真教授提出的計算思維（computational thinking）理 念 5，得到了國內外專家的一致 認可，并成為計算機科學課程體系結構設計和 學生能力培養的指導性思想和方法 4-8。計算 思維強調運用計算機科學的基礎概念去求解問 題、設計系統和理解人類的行為，其本質是抽 象（abstraction）和自動化（automation），其核 心是基于計算模型（環境）和約束的問題求解 5。 可以看出，計算思維是對基于

3、二維矩陣的計算 機科學知識領域進行有效學習的進一步系統闡 述，將貫穿于計算機科學的所有課程設計。在 計算機科學課程的教學過程中，強化計算思維 能力的培養，對于培養高素質的計算機科學人 才尤為重要 4-5。近年來，國內學者基于計算思維對計算機 科學及其相關學科的課程結構、課程改革等也 進行了深入研究。如 2008 年 10 月在“計算思維計算機導論作為計算機科學及其相關專業所有專業課程的先導課程，要求學生通過該課 程的學習，構建其后續專業課程學習的知識結 構，并有效指導其后續課程的學習 1-4，因此 其課程內 容、授課要求等成為國內外學者關 注的熱點 4-5。acm 教育委員會于 1989 年在

4、 computing as a discipline的報告中使用二 維矩陣描述如何通過理論、抽象和設計三個過 程（橫向），實現對計算機科學的知識領域（縱 向 ）有效進行課程設計與學習：知識領域在理 論上相互交叉支持；通過抽象實現對行為的有 效建模，并挖掘其潛在的特征；通過設計實現 對問題的描述，并轉化為解決方案，最后通過 具體的編程實現解決問題 1。可見，在計算機 導論課程中引導學生構建知識領域的關系，并 培養其抽象建模和設計能力，對于后續學習具 有重要意義。在其后的 cc2001 和 cc2005 中， acm 和 ieee-cs 對計算機科學課程體系結構 基金項目：中央高校基本科研 (gk

5、201002028); 國家 985 優勢學科“教師教育創新平臺”項目 (gj9850104)。作者簡介：何秀青，女，講師，研究方向為軟件演化；何聚厚，男，副教授，研究方向為信息安全技術、教育信 息化技術。計 算 機 教 育computer education702012與計算機導論專題研討會”上，董榮勝教授等學者深入探討了基于計算思維的計算機導論課程結 構 4。2010 年 7 月， 在“九校聯 盟（c9）計 算 機基礎課程研討會”上，眾多學者在分析計算機 基礎教育面臨的問題和挑戰的基礎上，一直認為 計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培分委員會制定的計算機科學與技術專業規范中，建議計算

6、機導論 24 個授課學時 3。因此在 內容講授與實踐的各個環節，必須考慮各種因 素，遵循全局設計原則，分步實施策略，基于 問題分析、抽象建模、編程模擬和特征探索 4 個 階段，采用自頂向下、循環遞增的方式，引導 學生逐步進行實踐。6養 。陳國良等闡述了計算思維對培養學生創新能力的重要性，提出了以計算思維能力培養為目 標的計算機基礎課程改革的必要性 7。盧俊嶺等 探討了“基于計算思維的算法設計與分析課程改 革”8 等。國內外基于計算思維的計算機科學課程體 系結構和學生能力培養的研究，在理論上都有 非常好的借鑒意義，但在如何通過具體案例培 養學生的計算思維能力方面，還缺乏系統的論 述。為此，本文以

7、計算機導論課程為背景，以計 算思維能力的培養為目標，提出了計算機導論 課程中循環遞增的計算思維能力培養實踐架構， 并通過實例詳細闡述了實踐過程和基于多目標 的評價過程。2計算思維能力培養實踐2.1教育理論基礎計算思維作為信息技術環境下分析解決問題的指導性思想和方法，根據現代建構主義學 習理論，它不可能被“教”給學生，而是通過個 體之間（教師和學生，學生和學生）的社會活動 和合作交流，學生在自己的頭腦中建構自己對 計算思維的理解，在這個學習和發展的過程中， 教師扮演著“促進者”和“幫助者”的角色，通 過激勵、協作等方式幫助指導學生實現對計算 思維能力的理解和提高 9。同時，隨著 web 2.0、

8、 知識構建系統（如 wiki）和智能搜索技術等的快 速發展，各種有效促進學習的工具和技術層出 不窮，學習超越了個人的內化活動 10，個人既 是復雜知識的貢獻者，又可以通過“關聯”受益 于復雜的知識 10，關聯主義（connectivism）作 為數字時代的學習理論，得到了越來越多學者 的認可。因此，在計算機導論課程中培養學生計 算思維能力時，也要強化學生的“關聯”能力。 通過“關聯”，學生既可以有效開展計算思維能 力培養的實踐，又可以為計算思維能力提供有 益補充。1計算思維能力培養分析計算思維能力的培養過程以計算理論為基礎，以問題解決為導向，有效組織、開展各種 活動，最終提高基于計算理論解決實

9、際問題的 能力。但計算機導論作為計算機科學及其相關 專業學生步入大學的第一門課程，很多知識點 只是泛泛而談，因此，必須引導學生通過網絡 學習等手段實現對這些知識點的準確理解，并 構建知識點在理論上的關聯性。由于學生還沒 有學習任何編程語言，在通過編程設計實現問 題的求解過程中，需要選擇簡單易用的實踐環 境。計算機導論作為非核心課程，課時一般比較 少，如教育部計算機科學與技術專業教學指導2.2實踐架構設計基于計算機導論課程在計算機科學課程體學科建設與教學改革第 15 期71系結構中的定位和作用，以及在計算機導論課程中計算思維能力培養面臨的挑戰和其教育理論基 礎，我們設計了一個循環遞增的計算思維能

10、力培 養實踐架構，如圖 1 所示。的過程，基礎是計算機導論理論和實踐平臺的學習，以及利用網絡資源。考慮到學生在抽象 建模和編程模擬等方面是初學 者，為此實踐 平臺采用 netlogo12。netlogo 是基于多智能 體（agent）的集成建模仿真平 臺，用于對基 于時間演化的復雜系統建模仿真，其基本思路 是通過觀察分析現實系統，抽象出每個個體所 遵循的規則和個體之間的相互作用，構建仿真 模型并編程模擬，通過仿真涌現的結果再來反 映現實系統。可以看出，基于 netlogo 的仿真 過程和計算思維培養的實踐過程比較吻合。同 時，netlogo 的操作簡單，解釋執行編程語言 簡單易懂，適合初學者使

11、用。netlogo 中的智 能體包括烏龜（turtles）、碎片（patches）、鏈接（links）和觀察者（observer）。“世界”是一個二 維的網格，每個網格是一個碎片；烏龜可以在 “世界”范圍內移動，根據模擬內容的不同，烏 龜可能代表不同的模擬對象（breeds）；通過鏈 接構建烏龜之間的關系；觀察者通過模擬過程 監視功能看到烏龜、碎片和鏈接在模擬過程中 的變化。基于 moodle 提供關于 netlogo 的相關學 習資料、常規操作和建模編程的視頻。不同于 傳統的從基本語句和操作開始的編程語言學習， 我們以 netlogo 解決具體的問題為背景，引導 學生通過網絡先概括學習 ne

12、tlogo，體會計算 思維能力中基于計算模型（環境）和約束的問題 求解思路，然后根據自己的需求，逐步展開學 習相應的內容。這種自頂向下的思路更有利于 激發學生利用 netlogo 進行計算思維能力培養 的學習。圖 1 計算機導論課程中計算思維能力培養實踐架構學習平臺采用模塊化面向對象的動態學習環 境 moodle（modular object-oriented dynamic learning environment）11。moodle 是 基 于 建 構主義教育理論開發的免費開源 e-learning 系 統，通過論壇、測驗、資源共享、投票、問卷 調查、網絡作業、在線聊天、專題討論和互動 評

13、價等功能，有效開展計算機導論課程基于網 絡的輔助學習、網絡資源的查找和共享，以及 計算思維能力培養的實踐活動。同時，老師基于 moodle 開展一些專題討論，如大學學習模式與 高中學習模式有什么樣的差異；如何更好地應 對大學學習；主動學習與被動學習對創新能力 的培養有什么影響等，引導學生盡快適應大學 學習和生活，并使學生領會信息時代正式學習 和非正式學習、階段性學習和終身學習的重要 性，為后續的基于 moodle 的專業課學習打下堅 實的基礎。計算思維能力培養的實踐包括問題分析、 抽象建模、編程模擬和特征探索 4 個循環遞增3具體實施實踐小組的所有活動基于 moodle，以“非計 算 機 教

14、育computer education722012隔離”活動組展開，不同小組成員之間可以相互觀摩并共享資源。每個實踐小組至少創建問題 分析、抽象建模、編程模擬和特征探索 4 個討 論話題。1）問題分析：小組成員探討確定要解決的 問題，并逐步細化問題。2）抽象建模：通過簡單的語言和符號建立 解決問題的模型。對于初學者，可以采用逐步細 化的方式，即先在合理的假設基礎上建立簡單的 模型，以便后面的步驟能夠繼續實施，然后根據 循環遞增的思想逐步細化模型。3）編程模擬：根據建立的模型查閱相關資 料，探討需要的編程語句、相應的技術和如何逐 步完善程序并實現模擬分析。4）特征探索：根據模擬運行的結果探討是否

15、實現了預期目標，模擬顯示現象體現了問題的 哪些特征，是否通過引入其他參數更好地模擬并 解決問題等。根據探討的結果進入問題分析并開 始下一次實踐過程。表 1 是以“簡化的草原生態系統模擬與演化” 為例進行計算思維能力培養的實踐過程。學生還 可以對模型進行進一步分析，如添加新的物種 狼，狼可以吃羊、也可能被餓死等。實踐過程完成一次循環后，小組成員之間 通過對等互評給出形成性評價，老師也要給每 個小組成員給出形成性評價。最后以實踐小組為 單位提交總結報告，并把程序及相關文檔發布到 moodle 的公共討論區，供其他小組成員觀摩。表 1 計算思維能力培養實踐：以“簡化的草原生態系統模擬與演化”為例真實

16、情景與演化但無法顯示羊的吃關系數目達到穩定狀態很小范圍震蕩，且說明：由于篇幅所限，論文中編程模擬使用描述性語言。性評 價（formative assessment）和總結性評價 （summative assessment）相結合的方式。1）實踐過程完成一次循環后，老師和小組 成員對實踐過程和階段性成果進行觀察分析，基 于形成性評價的基本目的，如促進對內容理解， 改善學習方式，提高技能等。老師對每個小組成4多目標評價為了有效地指 導、激 勵、 促進學生計算 思維能力的實踐過程，在實踐過程中采用形成過程問題分析抽象建模編程模擬特征探索1物種：羊，草ecology=sheep，grass sheep

17、=si|0in grass=gj|0jm 創建wh個patch作為羊群生活的世界 grass（wh=m），顏色為green；創建 n個turtle形成sheep，設置每個turtle的隨 機位置。靜態系統無法體現2羊可以隨機行走并吃掉 草；草可以隨機生長si=(move，eat)，gj=(die，grow) si在gj的為兩個元組，si在gj的 位置且對gj進行eat，則gj成為 die；若gj為die，則以概率p確 定是否生長。在每次模擬tick的過程中，turtle隨機確 定方向并前進一步；若所在的patch為 green，則eat該patch，patch顏色變為 black；若某patc

18、h的顏色為black，則以概 率p確定是否變成green。p為一指定值。生態系統由靜變動， 與草的生長之間的3羊可以在一定條件下生 小羊；若一段時間沒吃 草，則被餓死為元組si增加energy屬性，每 次eat成功，則energy遞增，否 則遞減；energy達到一定的閥 值，則si減掉一定的energy并 sheep增加元素sk；若energy為0，則在sheep中刪除si。為turtle添加變量energy，且初始值為一非 零正數；對于每一個turtle，若eat成功， 則energy以步長x遞增，當energy大于閥 值k時，創建新的turtle；若eat失敗，則 energy以步長y遞

19、減，當energy小于等于0 時，刪除該turtle；為turtle和patch數目變 化添加數據觀察和plots繪圖；為turtle的 初始個數、k、x和y變量添加滑動條，可 以比較這些變量取不同值時模擬結果有 什么差別。根據模擬可以看出， 當k，x，y不變時， turtle和patch綠色時，其比值在一個 與turtle的初始個數（大于零）無關。學科建設與教學改革第 15 期73員，以及小組成員之間，從如下幾個方面給出相應的量化評價和反饋信息。（1）是否提出過建設性的意見和建議。（2）是否針對其他小組成員的意見和建議進 行過具有實質內容的討論。（3）所提交的資料是否對小組的問題解決具 有實

20、質性的貢獻。（4）對小組其他成員的優點和不足能否進行 客觀評價并給予改進的建議。（5）能否主動參與小組討論和協同學習。（6）其他方面的突出表現等。 不同評價者重點的關注點可能不同，但必須給出相應的量化評價（1-5 分）和反饋信息。量 化評價作為結論性評價的重要依據，而被評價者 根據反饋信息，可以有效改進其后續實踐表現。 同時，每個小組成員根據老師和其他成員的反饋 信息，進行一定的自我反思。2）結論性評價。老師根據小組項目的完成情況、實踐過程的完成情況、每個人在不同實踐過程中的量化評價 等，給出結論性反饋信息和量化評價。結論性量 化評價采用簡單加權平均的方式，老師的評價具 有較高的權值。5結語計

21、算思維能力的培養已經成為計算機科學專業教學和計算機基礎教學的核心任務，成為指導 計算機科學及其相關學科教學改革的風向標。計 算機導論課程教學中強化計算思維能力的培養， 必將成為計算機導論課程教學的發展方向。筆者 雖給出了比較詳細的在計算機導論課程中有效培 養學生計算思維能力的實踐架構、實踐案例和評 價方法，但還有很多細節需要進一步研究，如形 成性評價中如何確保每個學生評價的客觀性，被 評價者能夠有效反思并應用于后續實踐；結論性 評價中簡單加權平均的科學性等。參考文獻：12 3denning p j, comer d e. computing as a disciplinej. communic

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