針對(duì)計(jì)算思維驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容體系開(kāi)展的相關(guān)研究

1、針對(duì)計(jì)算思維驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)根底教學(xué)內(nèi)容體系開(kāi)展的相關(guān)研究一、計(jì)算機(jī)根底教學(xué)的困境和改革長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)計(jì)算機(jī)根底教學(xué)的定位模糊不清，出現(xiàn)了諸如狹義工具論、唯編程論、濃縮論、無(wú)用論等各種認(rèn)識(shí)誤區(qū)，學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容沒(méi)有興趣，老師也對(duì)教學(xué)提不起興趣。針對(duì)這種情況，計(jì)算機(jī)根底教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)進(jìn)展了兩次改革。2022年，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的周以真教授提出了計(jì)算思維的理念，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者紛紛展開(kāi)研究，討論計(jì)算思維的本質(zhì)及其驅(qū)動(dòng)下的教學(xué)改革問(wèn)題。以此為契機(jī)，我國(guó)的計(jì)算機(jī)根底教育正在醞釀第三次改革，即以計(jì)算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程改革。二、計(jì)算思維的本質(zhì)與核心內(nèi)容按照周以真教授的表述，計(jì)算思維就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的根底概念

2、去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)的行為。計(jì)算思維應(yīng)該是每個(gè)人的根本技能，而不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。正如每個(gè)人都應(yīng)具備根本的讀、寫(xiě)、算才能一樣，現(xiàn)代社會(huì)還需要每個(gè)人都具備根本的計(jì)算思維才能，可以自覺(jué)的運(yùn)用計(jì)算科學(xué)的思想方法，解決各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題。總結(jié)前人的研究成果，可以得出如下結(jié)論：(1)計(jì)算思維的本質(zhì)是基于計(jì)算環(huán)境和約束的問(wèn)題求解的思想方法。(2)計(jì)算思維的主要內(nèi)容涉及：計(jì)算模型的研究，計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造，計(jì)算系統(tǒng)的特征與約束，如何有效利用計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)展問(wèn)題求解以及問(wèn)題求解的效能評(píng)價(jià)與驗(yàn)證。(3)計(jì)算思維的主要特征包括：抽象、自動(dòng)化、形式化和機(jī)械化。(4)計(jì)算學(xué)科中的核心概念包括：計(jì)算、抽象

3、、自動(dòng)化、設(shè)計(jì)、通信、協(xié)作、記憶和評(píng)估等，以這八個(gè)概念為根底，可以輻射出一系列內(nèi)容，構(gòu)成計(jì)算思維的內(nèi)容框架。三、面向計(jì)算思維才能培養(yǎng)的課程內(nèi)容體系以圖1的內(nèi)容框架為根底，對(duì)計(jì)算機(jī)根底教學(xué)的內(nèi)容體系進(jìn)展重組。首先，將課程體系分為兩局部，即核心課程和選修課程。核心課程面向所有的專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)，包括計(jì)算思維導(dǎo)論和算法與程序設(shè)計(jì)根底兩門(mén);選修課程那么針對(duì)不同的專(zhuān)業(yè)及應(yīng)用領(lǐng)域選擇開(kāi)設(shè)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及應(yīng)用、多媒體信息處理、信息平安根底、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)根底等。下面針對(duì)兩門(mén)核心課程設(shè)計(jì)其內(nèi)容體系。1.計(jì)算思維導(dǎo)論課程內(nèi)容體系。計(jì)算思維導(dǎo)論是學(xué)生入學(xué)后的第一門(mén)計(jì)算機(jī)課程，其內(nèi)容體系被分為如下六個(gè)單元：(1)計(jì)算思維的理論

4、根底。從原始計(jì)算方法及演化入手，理解計(jì)算的歷史及自動(dòng)計(jì)算工具、方法的演化;針對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的工作原理，從數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算入手，解決計(jì)算的根本問(wèn)題;采用圖靈機(jī)理解自動(dòng)計(jì)算模型以及形式化方法，進(jìn)而理解馮諾依曼體系，分析其局限性并引出近些年新興的計(jì)算模型。(2)計(jì)算思維的邏輯根底。首先通過(guò)邏輯理解思維的規(guī)律和過(guò)程，進(jìn)而講解布爾邏輯、命題邏輯和謂詞邏輯，學(xué)習(xí)邏輯的表示、運(yùn)算以及推理方法，理解計(jì)算思維中的形式化方法，最后將邏輯思維與算法聯(lián)絡(luò)起來(lái)，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算與推理。(3)計(jì)算思維的方法學(xué)。首先分析人類(lèi)解決問(wèn)題的思維過(guò)程，引出借助計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的過(guò)程，并對(duì)兩者進(jìn)展比照。計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的首要步驟是抽象

5、和建模，這就是問(wèn)題描繪;然后是設(shè)計(jì)適宜的數(shù)據(jù)構(gòu)造和算法，并依靠程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)算法，這就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn);最后還要驗(yàn)證結(jié)果的正確性以及求解效率等。(4)計(jì)算思維的算法根底。圍繞三大主題展開(kāi)：算法根底，理解算法的概念、性質(zhì)和分類(lèi)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)算法的表示，并明確同一個(gè)問(wèn)題會(huì)有多種不同的算法;常用算法思想，精選窮舉、遞推、遞歸、回溯、分治、并行化等常用算法，啟迪學(xué)生思維;典型應(yīng)用，選擇應(yīng)用場(chǎng)景，介紹同一個(gè)問(wèn)題的多種算法實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生理解算法是程序設(shè)計(jì)的靈魂。(5)計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)學(xué)科中的應(yīng)用。從操作系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、信息平安等領(lǐng)域關(guān)注的核心問(wèn)題以及解決問(wèn)題的根本方法出發(fā)，概要介紹

6、計(jì)算思維在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，使學(xué)生實(shí)在感受計(jì)算機(jī)學(xué)科中的根本思想方法。(6)計(jì)算思維在其他學(xué)科中的應(yīng)用。精選各行業(yè)的典型案例，直觀展示計(jì)算思維在其他行業(yè)中的應(yīng)用。2.算法與程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容體系。用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題，算法與程序設(shè)計(jì)根底是針對(duì)理工科開(kāi)設(shè)的一門(mén)計(jì)算機(jī)根底課程，其內(nèi)容體系分為七個(gè)局部：(1)程序設(shè)計(jì)根底。首先通過(guò)一系列例如，介紹程序設(shè)計(jì)中的核心概念和方法，建立根本的程序認(rèn)知;然后從數(shù)據(jù)抽象和過(guò)程抽象兩個(gè)角度理解計(jì)算思維中的核心概念抽象，對(duì)于數(shù)據(jù)抽象，重點(diǎn)介紹根本數(shù)據(jù)類(lèi)型以及數(shù)據(jù)的表示與存儲(chǔ)方法，概要介紹數(shù)組、構(gòu)造體、指針及其他復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型。(2)程序的流程控制。從算法的表示入手，引出構(gòu)

7、造化程序設(shè)計(jì)的思想以及三種根本構(gòu)造;以構(gòu)造為核心概念，使學(xué)生理解通過(guò)根本構(gòu)造的組合與嵌套實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的流程控制;然后通過(guò)案例介紹三種控制構(gòu)造，純熟掌握根本流程控制方法以及流程的組合嵌套等構(gòu)造方法。(3)復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型。針對(duì)數(shù)據(jù)抽象，介紹數(shù)組、指針、構(gòu)造體、鏈表等數(shù)據(jù)類(lèi)型。對(duì)于每一種類(lèi)型，從其應(yīng)用場(chǎng)景引入，分析為什么要使用該類(lèi)型以及如何構(gòu)造和使用該類(lèi)型。由于幾種復(fù)雜類(lèi)型之間具有親密的聯(lián)絡(luò)，所以在內(nèi)容組織上要關(guān)注這些關(guān)系，使學(xué)生清楚把握知識(shí)脈絡(luò)。(4)面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)。從面向過(guò)程的根本思想入手，解釋其自頂向下、逐步求精、模塊化設(shè)計(jì)、構(gòu)造化編碼的根本概念，并將模塊映射為函數(shù)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造化程序的構(gòu)造;對(duì)于

8、函數(shù)這一核心概念，應(yīng)將其接口和實(shí)現(xiàn)分開(kāi)，這樣有利于理解函數(shù)的使用，也便于向面向?qū)ο蠓椒ㄟ^(guò)渡。(5)典型算法的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。從應(yīng)用情境出發(fā)，精選用計(jì)算方法解決實(shí)際問(wèn)題的一系列典型案例，分析其算法，設(shè)計(jì)函數(shù)原型并實(shí)現(xiàn)算法。要介紹的核心算法包括：窮舉算法、分治算法、遞推算法、遞歸算法、回溯算法、排序算法和檢索算法等。(6)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。要引導(dǎo)學(xué)生理解面向過(guò)程的缺點(diǎn)及面向?qū)ο蟮母牧迹斫獬橄蟮乃枷胍约胺庋b、繼承、多態(tài)的特性。在樹(shù)立面向?qū)ο蟮乃枷牒螅灰獙W(xué)會(huì)使用系統(tǒng)庫(kù)或第三方庫(kù)中的類(lèi)和對(duì)象;二要學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)自己的類(lèi)和對(duì)象。對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，抓住字符串、輸入輸出流等根底類(lèi)，深化理解類(lèi)的接口及訪問(wèn)方法，學(xué)會(huì)使用API;同時(shí)學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)數(shù)組、向量和哈希表等幾種典型容器類(lèi)的用法，這些容器在開(kāi)發(fā)中廣泛使用。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，要從封裝、繼承、多態(tài)三大特性入手，引出類(lèi)的設(shè)計(jì)、對(duì)象的構(gòu)造以及對(duì)象間的通信方式，并給出詳細(xì)例如，用圖表和代碼的方式表達(dá)自己的設(shè)計(jì)。(7)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與文件。計(jì)算思維中的一個(gè)核心概念是記憶，數(shù)據(jù)構(gòu)造研究的是數(shù)據(jù)的內(nèi)存記憶方式，而文件研究的是數(shù)據(jù)的持久記憶方式。要弄清楚文件的類(lèi)型以及存儲(chǔ)和處理方式，針對(duì)順序讀寫(xiě)、隨機(jī)讀寫(xiě)介紹其原理與代碼實(shí)現(xiàn)，最后介紹面向?qū)ο蟓h(huán)境下的文件操作方法以及幾種流的使用方法。四、結(jié)語(yǔ)本文研究了計(jì)算思維的