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关键词:计算机网络;教学本质;教学策略
中图分类号:G642 文献标识码:B
1认识
1.1本科教学的本质及其重要性
“本”是草木之根的意思,根在草木整个生长过程中起着决定性的作用,是草木成长的内因。显然,本科教育需要解决的是一个人成长的“本”的问题,也就是要解决一个人的认识和思维方法问题。映射到教学中,也就是要落实两点:①如何培养学生的元认知能力。因为一个人的学习能力是其所有能力的基础,是本质能力。②如何培养学生的系统化思维模式。因为系统化思维模式不但可以使学生真正理解概念的形成(来源)和本质,更重要的是,它能够使学生潜移默化地养成正确的分析问题和认识问题的方法,以及逐步建立其持续创新的科学研究能力。具体而言,按照认知科学的现代研究成果,前者要培养基于模式及其建构的学习方法,实现认识论在学习问题中的具体应用,即解决如何学习的问题。图1是该方法的直观视图。对于后者,就是要培养基于联系的系统化思维方法,实现知识点到知识线,知识线到知识面,知识面到知识体的融会贯通,最终实现持续创新。图2是其直观视图。两者的关系可以通过图3直观表述,也就是说,前者是局部微观的“本”,后者是整体宏观的“本”。
针对本科教学,另一个值得重视的方面是,从人的生理角度讲,大学本科阶段是一个人的思维模式和认识能力形成的重要和主要阶段。人的思维模式一旦形成,改变起来十分困难,有时甚至是不可能的。因此,作为生产特殊产品的本科教学,对于一个人的成长来说具有极其重要的影响和关键的作用。
1.2本科“计算机网络”课程教学的本质和内涵
本科“计算机网络”课程的教学,显然是本科教学的一个特例,因此本科“计算机网络”课程教学的本质和内涵,应该是本科教学的本质和内涵在“计算机网络”课程中的具体体现,或者说,它就是本科教学的本质和内涵对“计算机网络”课程教学的直接投影。具体来说,就是要将基于模式及其建构的学习方法投影到“计算机网络”课程的教学中,挖掘“计算机网络”课程中的知识应用模式,建立面向模式教学的教学模式。更进一步,实现系统化思维模式教学思想对“计算机网络”课程教学的直接投影,建立面向“计算机网络”课程知识系统化思维教学的教学体系。最终,解决本科“计算机网络”课程教学的“本”。图4直观表述了本科“计算机网络”课程教学的本质和内涵。
2思考
2.1教学的基本要素及其关系
教学包括四个基本要素:教师、学生、教材(教学内容)和教学过程(教学活动、教学环境等)。教材要素体现的是教学的静态属性,教学过程要素体现的是教学的动态属性,两者的有机结合实现教师要素和学生要素的互动作用。通过互动作用,达到教学的目标。
四个要素中,教师要素是本质要素,它直接驱动教学过程要素,或者直接决定教材要素、并由教材(间接)驱动教学过程要素。如图5所示。
2.2本科“计算机网络”课程教学现状及其存在的问题
依据教学基本要素及其关系,基于上述认识,作者认为本科“计算机网络”课程教学现状及其存在的主要问题反映在如下几个方面。
(1) 教材体系设计缺乏多维性和认知性
教材体系的多维性是指教材内容、教材习题、自学内容和实验教材的一体化设计关系。考虑到教学内容多与教学学时少之间的矛盾,主教学内容不可能面面俱到,一些延伸或拓展性的内容可以放到相应习题、自学内容和实验中。目前,已有的一些教材已经考虑到了这些问题,比如,国外的教材对习题设计考虑比较多,而对实验考虑相对较少。国内教材比较强调实验,但实验的设计与教材的关系相对松散。教材体系的认知性是指教材一体化设计必须建立在面向系统化思维培养的基点上,强调人类认知的自然规律。也就是说,一体化设计的逻辑体系必须符合认知规律特性。目前,教材设计的多维逻辑松散性没有形成围绕系统化思维能力培养的一体化教学理念和目标定位,弱化了系统化思维能力的培养。
(2) 教材内容设计缺乏现代教学理论支持
主教材内容的设计没有考虑元认知能力培养问题,太多地注重知识的逻辑组织,而忽略了面向基于模式及其建构的元认知能力培养的内容的逻辑组织。也就是说,没有重视技术和原理背后的思维教学,强调了静态型知识,而弱化了动态型知识。由此,也就自然地影响了系统化思维的培养。
(3) 教材写作风格缺乏演绎与归纳的统一
演绎和归纳是人类认知的两种基本方法,演绎一般对应于间接经验的获取,归纳一般对应于直接经验的获取。对于知识的学习,人类大部分是基于教材和书本获得,即
基于演绎的间接获取。然而,这对于初学者而言,概念的理解和消化存在一定的困难。因此,如果采用归纳式介绍,再引入演绎式体系,则可以得到良好的效果。具体而言,就是采用问题驱动的抛锚式教学策略为先,然后引入演绎式的支架式教学策略,要比单纯的演绎式策略好。目前,大部分教材都采用演绎式写作结构,由于教材直接驱动了教学过程,因此,受制于教材的问题,一般教师的教学设计及其实现就存在演绎与归纳的不统一问题。该问题直接导致了较差的教学效果。
综上所述,目前常用的教材(部分)及其面向“本”的教学特性分析如表1所示。
(4) 教师对教材的个性化演绎能力弱化
教材是静态的,教学过程是动态的。教学设计实现了静态到动态的转变。教学设计与教材的关系是一个M:N的关系,对这种关系的认识,可以体现一个教师的教学能力,即教学设计体现了一个教师对一本教材的个性化演绎能力。教学设计本身是一个创造性的过程,其创造性特性主要体现在如何针对教材的内容,不断构建和创造面向学生自身主动建构其知识的各种环境,包括案例选择、交互问题、表述思路、拓展延伸话题、与其他知识点的联结等等。从而帮助学生的主动建构。因此,目前普遍采用的与教材同步提供PPT的做法是一个严重制约教师创造性的障碍,这也间接地弱化了系统化思维能力的培养。另外,目前教师自身教学理论基础的匮乏,导致其教学设计中教学策略运用的弱化,进而影响了教学的效果。
(5) 实验教学缺乏开放性
目前,尽管强调了实验的重要性,但基本上都是验证性实验,即所谓的应用型、技能型实验,缺乏开放性实验的设计和教学。正是由于我们准备得太充分,学生不要花费太多力气就能按图索骥地完成实验,失去了对实验过程中的思维的训练,从而导致了目前教学达不到面向思维能力培养的“本”的目标。
2.3本科“计算机网络”课程教学应有的策略和方法
(1) 建立面向系统化思维教学的基本理念
基本教学理念体现了对本科教学的认识程度,作为一种指导思想,它直接决定了整个教学体系的建立。尽管基本教学理念是抽象的,但它可以通过教材、教学设计等具体表现出来。根据上述认识,应该建立面向系统化思维教学的本科“计算机网络”课程的教学理念,并在此基础上建立其教学体系。比如,对于各种协议的教学,不仅仅是解析其原理,更重要的是解析其产生的原因,即为什么会诞生这种协议?该协议主要解决什么问题?也就是说,要理解协议的动态性(面向思维)的知识,而不仅仅是理解协议的静态性(面向工作原理)的知识。同时,对于协议的实验教学,不仅仅是使用和剖析,而是要通过设计开放性问题,进行协议设计机制的改造和分析。再者,应该将多个协议联合起来,从多个协议的设计思想和实现机制中寻找和挖掘一些设计模式,并且从某种协议的发展历程中领会其进化的本质。从而,由此可以学会人类不断认识问题、解决问题的思维方法,达到培养持续创新能力的目标。
(2) 建立基于模式及其建构的教学模式
为了实现基本教学理念,在战术层面上应该建立基于模式及其建构的教学模式。所谓模式,在此是指知识应用模式。知识应用模式是一种隐性知识,相对于一般的显性知识而言,它一般存在于个体的意识里。按照现代认知科学的研究,知识应用模式在一个人的学习活动中起到决定性的作用,直接体现了一个人的学习能力。然而,在传统的教学策略中,对于该知识的教学一般由个体自身领会。教学的层次是局限于知识及其关系平面,如图6所示。针对本科教学,应该重点突出隐性知识的教学,使教学层次覆盖两个平面。比如,树型管理结构与DNS问题、组播(树)问题,IP连接端口和实际主机地址之间的映射问题(NAT、虚拟主机),路由协议与P2P结构问题,等等。
(3) 采用多维体系设计方法
基于面向系统化思维教学的基本理念,实现教材的多维体系设计。也就是说,教材内容、自学内容、习题以及实验教材的体系设计应该统一在基本理念基础上,多个维度形成逻辑上的一个整体,而不是多个维度的逻辑并列。比如,针对网络的发展,教材内容给出从单机局域网或广域网互联网Overlay网络的思维变迁及相关原理,自学内容给出典型网络的细节内容及其思维本质,习题部分可以拓展教材内容(比如IP地址与二进制)、以及建立面向模式的思维方法(比如连接与非连接),实验部分除安排基
本实验外,给出一些开放型实验(比如给出应用场景,要求设计方案并分析)。
(4) 采用抛锚法和支架法并重的教学策略
教学设计中,时刻注意问题驱动方法的设计,围绕着一个知识或概念,可以从一个问题或情景开始,然后,再给出另一个相似问题,并从这些问题中抽象出概念和方法、原理,最后解析概念和方法、原理,并将其运用到其他相似问题,实现从具体特殊性――普遍性――特殊性的认识思维过程的教学。比如,对于IP地址的理解,可以从互联网的本质,即网络互联时如何标识一个连接端点这一问题着手,得出IP地址的两个基本组成部分,然后再解析针对不同的网络规模,地址分类问题。接着将地址匮乏问题引入,由此介绍子网概念、子网掩码概念、NAT概念等。使学生理解概念和具体问题解决的关系,以便充分理解概念。而不是直接按演绎式方法,直接告诉学生IP地址的构成和分类,让学生死记它。更进一步,通过开放实验,给出一个应用场景,让学生设计和运用子网和子网掩码概念,巩固概念的理解。
(5) 增加开放性实验
面向本科“计算机网络”课程的实验教学,开放性实验的比例应该大大加强。也就是说,要强调针对具体问题的实验设计和分析,首先从理论层面分析实验应有的结论和现象,知道如何去验证该结论。然后,再通过实验去验证方案的正确性,并注意观察和分析实验中出现的异常现象。在此基础上,在将实验拓展,提出新的问题,进行新的实验过程。
(6) 深层应用网络教学
针对教师要素问题,受现实条件的限制,教师本身的教学理论水平和能力不可能达到同一种水平和要求。另一方面,受重科研轻教学思路的影响,教师也不可能全身心地投入到教学研究中。因此,通过网络教学手段,建立网络虚拟教学研究中心,进行教学研讨和交流,共享名家的教学理念和思路,是一种比较可行比较经济的方法。更进一步,将各名家的隐性知识挖掘出来,实现网络环境下的动态教学设计,建立面向本科“计算机网络”课程教学的动态增长型知识库,可以有效地弥补现实条件的制约带来的问题。
3总结
本文针对本科“计算机网络”课程的教学,论述了其内涵和本质,剖析了目前教学中存在的一些问题。在此基础上,论述了应有的教学策略和方法。本文的核心在于强调本科“计算机网络”课程教学中对“本”的内涵的演绎,也就是说,面向学生的未来,如何“传道”,而不仅仅是“授业”和“解惑”。尽管本文主要针对本科“计算机网络”课程的教学,但其论述的思想和方法,对其他本科课程的教学也具有普遍的指导意义。
参考文献
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关键词:高中信息技术;学科教学;新课程
中图分类号:G424.21 文献标识码:A 文章编号:1673-8454(2012)16-0018-04
引言
2004年秋,广东省普通高中新课程改革在全省范围内全面铺开,信息技术新课程也顺应新课程改革潮流,在全省范围内全面推广。作为信息技术一线教师,笔者一直致力于探索信息技术学科建设。回顾八年来信息技术新课程教学,笔者不禁感慨高中信息技术学科的尴尬局面。当然,造成这种局面的原因是多方面的,在不能改变目前大环境的情况下,广大信息技术教师应该发挥自己的主观能动性,积极应对这种尴尬局面,推动信息技术学科的发展。下面,笔者从信息技术学科的现状入手,谈谈自己多年教学实践的体会与思考。
现状一,信息技术学科特殊的发展过程,导致教学中过分注重计算机基本技能教育
上世纪80年代,计算机的强大功能逐渐被人们认识,我国中小学开始开设计算机教育课程,这是我国计算机教育的起步阶段;上世纪90年代,计算机教育得到了长足发展,很多中小学开设了计算机教育课程;进入新世纪,信息技术得到了飞速发展,我们逐渐认识到计算机教育不能囊括信息技术的全部内容,信息技术教育不仅仅是计算机教育。2000年11月教育部颁发了《中小学信息技术教育指导纲要(试行)》(以下简称《纲要》),确定把信息技术学科作为普通高中必修课程。2003年,教育部颁布了普通高中信息技术课程标准,规范了信息技术课程体系及实施细则。信息技术作为一门必修课正式在中小学开设。
本校的情况也非常类似:2002年前,本校使用的教材是《计算机教育》;2002至2004年,本校使用的教材是《信息》;2004年秋,随着新课程改革的开展,以及配套教材的开发,本校开始使用“普通高中课程标准实验教科书”,高中一年级使用《信息技术基础》,高中二年级使用选修模块的相应教材。
可见,信息技术学科是从计算机教育发展而来的。在计算机教育阶段,我们要普及计算机的应用,因此,在这一阶段我们注重计算机基本技能教育是正确的;然而,随着学科的发展,信息技术学科已经不再是只关注计算机教育,它有更高的目标和要求,如果我们还一味追求计算机技能教育,就迷失了信息技术学科的发展方向。
《纲要》提出中小学信息技术课程的主要任务是:通过信息技术课程使学生具有获取信息、传输信息、处理信息和应用信息的能力,教育学生正确认识和理解与信息技术相关的文化、伦理和社会等问题,负责任地使用信息技术;培养学生良好的信息素养,把信息技术作为支持终身学习和合作学习的手段,为适应信息社会的学习、工作和生活打下必要的基础。
可见,信息技术学科不只关注技能教育,更应注重人文教育、社会道德教育。可是,现阶段,很多学校、很多信息技术教师仍然走在计算机教育的末路上,这就有违信息技术学科的本质。计算机基本技能不是不重要,在某些阶段,它仍然是我们教学的重点内容,但是就整个信息技术学科来说,我们更应该关注信息文化,关注技术的应用,引导学生恰当地使用各种技术手段,为我们的学习、生活服务。
现状二,信息技术学科地位尴尬,课时得不到有效保障
根据国家教育部《纲要》的规定,《信息技术》课程在高中阶段的总教学课时为70~140课时。新课程标准中,普通高中信息技术学科有必修和选修两个模块,其中高中一年级开设必修模块,高中二年级开设选修模块,每学期按20周计算,每周1个课时,总共80个课时,刚好满足《纲要》的最低要求。然而,实际情况不容乐观。按新课程标准要求,信息技术必修模块《信息技术基础》最低需要40个课时,本校在高一开设《信息技术基础》,每周一个课时,然而除去期中、期末考试,节假日休假,以及其它一些活动耽误的时间,实际不足30个课时。选修模块的课时更是得不到保障,很多学校根本不开设选修模块,本校在高二开设一个学期的选修模块。
由于教学课时严重不足,教师在制订教学计划时捉襟见肘。如果按照教材的章节教学,教学任务不能全部完成;如果不按教材的章节教学,我们又该怎么对教材进行取舍呢?
《信息技术基础》以“信息的处理与交流”为主线,涉及“信息的获取、加工、表达、、交流、存储、管理与评价等内容,教材内容非常丰富,而且教材是开放性的,可以延伸出很多补充内容,在课时不足的情况下,要完成整个教学任务是不可能的。在目前的大背景下,我们期待增加信息技术学科的课时是不现实的,对于广大信息技术教师来说,要做的是认真钻研教材,理解教材内涵,根据教材内容和本校实际情况,大力开发校本教材,重新组合教学内容,注意教学内容的互相穿插,做好整体规划,注重整体教学。
比如,《信息技术基础》的第二章第二节是“获取网络信息的策略与技巧”,在进行这部分内容的教学时,教师先要求学生选择一个主题,然后按照主题,检索相关的资料与素材,并把它们下载下来,存储在自己的文件夹中。这样学生不仅学习了从网上检索信息的策略与技巧,也为第三章的学习准备了相关素材。在学习第三章“文本信息的加工与表达”时,就可以使用前面准备的素材,制作电子报刊等多媒体作品。
现状三,信息技术学科得不到学生的足够重视,学习效率低下
CCC2002的特点在于,它既有对国外研究成果的借鉴,又融合了国内计算机科学与技术学科教育研究成果;由体系到课程,自顶向下进行课程体系设置,按基础课程(包含部分核心知识单元)、主干课程(包含大部分核心知识单元)、特色课程(发挥各校特长,培养学生个性,体现地区特色),提出了课程分级实施策略;指出在知识领域、知识单元、知识点的描述及核心课程的设计方面,应充分体现“课程体系设计组织与学生能力培养和素质提高密切相关”的理念。CCC2002强调教学过程中实践的重要性,同时又要注重创新精神和能力的培养。值得一提的是,该教程提倡研究型教学,进一步明确了教学向教育转变的重要思想。
在CC2002教程的引导下,国内从事计算机科学与技术学科教育的广大学者对计算机科学与技术学科教育的诸多问题,如培养计划、课程设置、教学类型、教学计划、教学实施、实践设计、教学评价等进行了广泛而有益的探讨[6,7,8,9],并根据学科体系要求,编写出版了一大批教材,丰富了计算学科课程体系教材建设的内容,推动了计算学科课程教学改革的进程。然而,一个不容忽视的现象是,虽然我们一直都在强调课程与教学的目的是提高学生的综合素质,但是究竟什么是当代学生经过学科课程教育应当具有的综合素质,仍然是一个值得探讨和研究的问题。就目前国内较为普遍存在的教育理念而言,近代课程与教学理论凯洛夫(N.A.Kaiipob)的“捷径主义”思想仍旧占据着主导地位,受这一思想的影响,教材内容通常比较“经典”,教学过程各个环节围绕这些经过验证的、可靠的和基本成型的知识而进行,至于这些知识的形成与发展却少有问津。所谓“捷径主义”认为“学生学习的是科学上可靠的知识而不负有发现真理的任务,走的是教师引导的捷径而避免前人在历史上曾走过的弯路”[10]。虽然这一思想“发扬了传统教学论的优点,纠正了适用主义教育忽视系统知识偏向”,在目前高校教育的某些方面仍然具有积极作用,但就总体而言,它与CCC2002倡导的研究型教学、教学向教育转变理念有不相协调的方面。因此,高校计算学科课程教学内容的改革理当受到人们的关注。
2
随着计算机的诞生和计算机科学技术的发展,计算技术作为现代技术的标志,已成为世界各国许多经济增长的主要动力,计算领域也已成为一个极其活跃的领域。计算学科正以令人惊异的速度发展,并大大延伸到传统的计算机科学的边界之外,成为一门范围极为宽广的学科,人们对计算学科的认识,已从知识层面上升到了方法论的高度[1]。
1989年1月,美国计算机学会(简称ACM)和美国电气和电子工程师学会计算机分会(简称IEEE-CS)联合攻关组在《ACM通讯》杂志上刊登了他们历经4年的研究成果——“作为学科的计算科学”的报告[2]。该报告围绕计算机的主要现象,从学科的三个基本形态,即理论、抽象和设计入手,结合科学与工程科学两大学科门类的基本特征,完成了计算学科的“存在性”证明,首次给出了计算学科的定义,为“计算”作为学科及其以后的发展奠定了基础。如今,计算已不再是一个一般意义上的概念,它已成为“各门科学研究的一种基本视角、观念和方法,并上升为一种具有世界观和方法论特征的哲学范畴”[3]。在长期的社会生产实践中,计算科学的内涵与外延从学科的角度得到进一步诠释,ACM和IEEE-CS以及计算机界关于计算学科认知问题的研究不断取得重要成果,其中,CC1991(“计算学科教程1991计划”的简称)和CC2001(“计算学科教程2001计划”的简称)报告为计算学科建立了现代课程体系。随着计算科学的不断发展,其课程体系也在不断完善,2004年11月,ACM、AIS和IEEE-CS又联合公布了新的计算学科教程CC2004,文[4]对该课程体系做了分析与思考。
随着信息技术行业人才需求的与日俱增,世界上绝大多数高等院校均设立了计算科学或与之相关的专业,国内的高等院校也不例外。为了有效地推行国内的计算机科学与技术教育,同时又能与国际接轨,中国计算机科学与技术学科教程研究组于2002年提出了“中国计算机科学与技术学科教程2002”(ChinaComputingCurricula2002,简称CCC2002)[5],该教程从计算机学科教学计划的发展、计算机学科的定义、计算机学科本科生能力培养、计算机学科知识体系演变、计算机学科课程体系结构、计算机学科课程的教学计划与组织方法等方面全面阐述了计算机科学与技术学科知识与课程体系的外延与内涵,进一步明确了新形势下计算机科学与技术学科本科生能力与素质培养的基本要求,为国内高校计算机科学与技术学科制定培养方案和形成具有自身特色的课程体系提供了指南,对中国高校计算机科学与技术学科教育的改革和发展具有重要的参考价值和积极的推动作用。CCC2002给出了中国计算学科课程体系的描述,但如何围绕这一课程体系概括的知识领域和知识点来组织知识内容仍然具有随机性,特别是在幅员辽阔、经济和文化发展水平存在地区差异的中国,这种随机性尤为突出。因此,我们必须深入分析CCC2002的特点,理解其精神实质,根据地区的特点和各高校自身发展的水平与特色合理选择或组织各类课程的教学内容,积极开展教学改革,不断强化课程建设,只有这样,才能为课程目标的实现建立良好基础。
3基于知识与知识背景的课程教学
随着教育理念的不断更新,教育教改研究与实践的不断发展,人们已越来越清楚地认识到学生实践与创新能力培养的重要性,越来越注重学生在知识点掌握基础上知识结构的形成,越来越感受到学生关于学科综合素养的内涵,在理工学科课程体系中引入越来越多的与学科有关的人文科学的内容,可以说是适应时代要求和发展的一种进步,是教学向教育转变的一种必然。然而,要真正做到教学向教育转变,仍然有许多值得研究和探索的工作要去完成。其中,如何根据计算学科教程描述的学科知识领域、知识单元和知识点,在教材或教学过程的知识内容安排与讲授过程中,打破传统方式,在现有基础上推陈出新,就是一项非常有意义的工作。我们是否可以做这样一种尝试,在课程知识的组织与传授过程中,把知识的来源即知识产生的背景有机地融入其中,使之成为教材内容的一部分或补充,让学生在学习课程知识的同时,了解知识的背景和来源,更多地知晓与学科知识有关的人和事,更深地理解知识的内涵,更好地把握知识的运用与发展趋势,使学生在学习、理解和掌握知识的同时,学科意识和学科素养得到培养与发展。这样的做法无疑是有益的但却并非易事,有大量值得研究和探索的课题和实践活动,其中以教学内容改革为先导的课程教学改革将成为学科教育改革的主要内容,它涉及教育理念的更新、教学方式与方法的运用,教学组织形式的变化、教学评价体系的构建等等,同时对教师队伍的知识结构也将产生新的要求。它不仅要求人们具备学科知识,而且还要有学科思想史和学科方法论的知识。因此在学科教育中应该有更多的教育工作者关注科学和学科思想史研究。就计算学科而言,计算学科思想史研究是基于背景知识计算学科课程教学改革的基础。
3.1计算科学思想史研究
现代计算科学在理论和应用方面取得的伟大成绩,是人类长期从事社会生产实践的结果,是无数致力于计算科学研究与实践的工作者们共同智慧的结晶。计算科学是整个科学体系的一个重要组成部分,是研究计算知识、计算理论及其应用的科学,是关于计算学科知识体系和与之相关领域知识及其相互间关系的总和。而计算科学思想史则是研究计算科学的形成与发展过程的科学,其研究的目的在于通过对计算科学发展过程中各个事实、各种现象和思想的分析,总结计算科学的历史经验,揭示计算科学的发展规律,促进计算科学的发展。计算科学思想史的研究对象并非计算科学本身,它是以哲学、历史学的观点和方法来分析计算科学的发展历史。
作为一门科学,计算科学思想史研究有其自身的理论体系,这一理论体系涉及计算科学、工程学、哲学、历史学、心理学、社会科学等诸多学科领域的知识。计算科学思想史是以计算科学理论与实践的形成与发展为基础,以辩证唯物主义和历史唯物主义为指导,以科学思想史研究的基本原理为依据,分析人类历史上计算科学重要成果和重要学术理论的诞生过程,其思想与方法的形成过程以及它们的科学与哲学意义。计算科学思想史研究将随着计算科学的发展和人类进一步的发明与发现而不断变化并日趋完善,是一门极富发展性的科学。文[11]中,作者对计算科学思想史研究的特点、内容、方法等问题进行了探讨。
3.2基于知识背景的课程教学
所谓基于知识的课程教学就是把学科知识与知识背景有机结合,使之成为课程教学内容的统一体进行施教与学习的过程。其教学目的是让学生在了解和掌握学科知识的同时,了解知识产生的背景,感知知识背后隐藏的思想与方法,为学生提供更为广阔的想象与思维空间,培养学生的学科意识,提高学生学科文化水平。
知识背景的内容可以是对知识产生过程的叙述,也可以是对学科知识未来发展前景的展望;可以是直接的背景知识,如与学科知识有关的知识进程、事件、理论、思想方法和人物等,也可以是与学科密切关联的相关学科的知识;可以是正史中真实的故事,也可以是传说和轶事;可以是知识成功应用的经典,也可以是正在实践中的探索。
知识背景组织形式可以采用课程设置的方法整体阐述学科的形成与发展以及思想与方法,如计算机科学与技术导论、计算机科学与技术方法论等;也可以是针对具体课程的知识背景叙述,如关于课程的导论、绪论、前言等;还可以是关于课程单元知识背景的描述,如每个章节的前序、引导等;甚至可以是涉及知识点的知识背景,如有关概念的形成,概念与概念之间的关联等等。
把知识背景作为课程教材的内容,或在教学过程中适当地介绍与课程知识相关的知识背景,在目前高校的计算学科课程建设和课程教学中或多或少地受到人们的关注并加以应用,但这并非真正意义上的基于背景知识的课程教学。从基于课程知识的教学到基于知识与知识背景有机统一的课程教学,并非一门计算学科导论所能解决的问题,它涉及整个计算学科课程内容的组织,课程教学计划安排,课程教学模式设计,课程教学方法运用,课程教学评价机制建立等一系列与课程建设和课程改革有关问题的研究、探索与实践,是一项需要广大的计算学科以及相关学科的教育工作者共同参与和共同努力才能够有效实施并不断取得进展的系统工程项目。
如果说基于知识的计算学科课程教学是围绕计算科学的知识体系及其发展过程中不断取得的最新成果而进行的知识与技能传授,那么基于背景知识的课程教学则是在此基础上的学科意识培养和学科素养教育,至少有以下几个方面的作用。
(1)将有利于学生对课程知识学习兴趣的提高
教育心理学认为,学习兴趣是指人们探究事物的心理倾向和获得知识的原动力。古今中外的教育学家们对在教学过程中培养和激发学生的学习兴趣都是极为重视。中国古代教育大师孔子说:“知之者不如好之者,好之者不如乐之者。”德国近代教育家第斯多惠(F.A.W.Diesterweg)在其倡导的“全人教育”理念中就阐述了教育的任务主要是发展学习者自身的能动性思想,认为:“我们的教育艺术不在于传授本领,而在于激励、唤醒、鼓舞。”瑞士现代著名心理学家皮亚杰(J.Piaget)更加强调个体在认知生长过程中的积极作用,并明确指出:“所有智力方面的工作都依赖于兴趣。”由此可见,学习兴趣是学生学习的情感意向和动力,是学习积极性和自觉性的核心,在全面推行以培养创新精神和实践能力为重点的素质教育的今天,培养学生学习兴趣尤为重要。
影响学生学习兴趣的因素很多,如教学方法、教学手段、教学风格、教学态度、教学评价等等,其中教学内容的组织安排也不失为一重要因素。教学实践结果表明,学生对“知识背景”感兴趣的程度要比对“知识”本身更高。因此,如果能够在课程教学内容编排中将与课程知识有关的人物、事件以及相关的理论与方法实例有机的融入其中,就能够在教学的实施过程中不断地“激励”和“唤醒”学生的学习兴趣,并通过兴趣的延伸,使学生在不知不觉中获取并掌握知识。
(2)将有利于学生对课程学习知识内容的理解
学生对知识的认识、理解和掌握过程,应遵循人们认识客观世界的一般规律,即是一个从感性认识到理性认识的过程。感性认识是人们通过感官与认知事物接触而形成的关于事物生动和直接的映像,包括事物的具体特性、表面现象、各个片面及其外部的联系等;理性认识是人们在感性认识的基础上,进行抽象和概括而形成的对认知事物的本质和内部联系的认识,通常有概念、判断和推理三种基本形式。在课程学习过程中,我们往往会强调对概念的理解,对知识点的掌握等,这样的认知应属理性认识范畴。基于知识的课程教学内容组织通常是按照概念的引入、概念到概念、例题分析、实际应用举例,习题练习等步骤顺序进行,而课程内容的选择通常是经过实践检验或严格论证的知识的精华部分,是已经上升为理性认识的产物。让学生在对认识的事物尚不具备“自然经验”和“社会经验”的基础上,去“理性”地把握事物的本质,只能是“填压式”的知识灌输,于是在我们的课程教学中就有了许多“先记忆再慢慢理解”的东西。基于背景知识的课程教学将经过提炼的前人对事物认识的自然经验和社会经验呈现在学生面前,在一定程度上可以弥补学生在对事物感性认识方面的不足,帮助学生更好地理解和掌握课程的学习内容。
(3)将有利于学生对课程知识体系的把握
在高等教育中,学科领域的知识体系通常是以课程体系来描述的,而课程的知识体系是由课程涵盖的知识主题及其相互间的关系来刻画的。基于知识的课程教学往往只注重课程知识主题或知识点的教学而忽略课程之间、主题之间、知识点之间内在联系的阐述,使得学生在学习过程产生难以知识联想,对知识的认识是“只见树木,不见森林”。例如,很少有学生能够将平面中的“点”、集合论中的“集合”、命题逻辑中的“命题”等概念统一进行思考的,也很少有学生能够准确地回答在线性代数课程中学习向量空间和向量运算真正目的等等。基于知识背景课程教学的目的之一,就是通过知识背景的阐述,将课程知识的初始本质及其相互间的关系呈现出来,为学生营造知识联想与知识探究的学习情境,更加全面地把握课程的知识体系。
(4)将有利于学生创新能力培养与提高
指出:“创新是一个民族进步的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力。”而“教育是知识创新、传播和应用的主要基地。也是培养创新精神和创新人才的摇篮。”因此,在实施素质教育过程中,着力培养学生的创新精神与创新能力应成为我国教育改革和发展的当务之急。CCC2002竭力倡导的研究型教学以及教学向教育转变的根本目的之一,就是要在学科课程教育过程中,不断强化学生创新素质的培养。创新的过程是知识综合运用与发展的过程,对知识体系的全面掌握是创新的基础。创新能力培养受到教学内容和教学方法的影响。基于课程知识的教学通常以传授知识为主,教学方法也以课堂讲授为主,这种教学往往使学生思维固化,知识活力得不到发挥,很大程度上影响了学生创新能力的发展。而基于知识背景的课程教学不仅能够大力开发学生的想象力和直觉思维,拓宽学生的学科视野,同时还能够有效地运用案例教学、活动教学、讨论教学、探索性学习等各种方法,促进学生个性发展,使学生独立思考、批判思维、严密分析、从不同视角看问题等多方面能力得到培养和提高。
(5)将有利于学生学科文化素养的提高
科学技术的发展导致学科和专业的发展,使得分科教育成为目前我国高校人才培养体制的主流。分科教育很显然是为了造就专门人才,但狭窄的专门训练往往不利于培养学生的创新意识和创造力。在经历了长期的教育实践之后,人们已认识到分科教育在某些方面的严重不足,提出了新形势下“通才教育”观念,并以某些高校作为试点开展“大类培养”教学模式的实践与探索。如今的社会是信息社会,对IT本科生的知识结构提出了新的要求,除了要求他们掌握专业知识外,还要求他们具有数学、物理及相关领域知识,更有人文社会科学知识的要求,既能够适应专业的变化和拓展,又要有敏锐的专业拓展意识。总而言之,现代人才培养过程更加强调的是学科素养,它涵盖了对学科知识的掌握,对学科过程与方法论的认识和对学科的理解与情感。正如专家指出的那样,在人才教育与培养过程中,“大多数人真正需要的是领会科学的精神、掌握学科的方法、树立恰如其分的科学形象,以便在这个科学时智地对待科学、对待社会、对待生活。”[12]如果我们将这样的理念带入学科教育过程就不难发现,仅仅靠基于知识的课程教学是无法实现这一要求的,而基于知识背景的课程教学至少可以从两个方面弥补其不足:首先,基于知识背景的课程教学以发展和进化的观点反映学科知识进程,能够有效地避免课本知识的“神圣化”与“教条化”,将批判与继承的有机统一贯穿学生知识获取过程;其次,基于知识背景的课程教学以学科与相关学科分支领域知识相互联系的思想展现学科知识内容,能够有效地克服对学科知识掌握的“孤立性”和“片面性”,是学生的学科意识与学科素养得到进一步培养与提高。
4结束语
计算学科不只是简单的一些课程汇总,而是一个庞大的知识体系,它对人类社会的发展与进步有着重要而深刻的影响。目前,全国几乎所有高校都开设了计算机专业,有些计算的概念和知识还下放到了中小学课程之中。在此情形之下,如何构建我国计算科学的教育体系,培养什么样的信息技术人才,如何让全社会更深刻地认识计算科学的内涵,更全面了解计算科学的发展规律无疑是一件十分有意义的工作。基于背景知识的课程教学是一种理念、思想和方法,也是一种实践,虽然它不是一个什么新的提法,已或多或少地被人们认识并加以应用,但总体上仍然未形成一种趋势。基于知识背景的课程教学应有它的理论体系、方法体系和实施体系,这些都是需要研究、探讨和实践的,可能还需要一个较长的过程。然而,当我们面对计算学科教育改革中出现的种种问题和在计算学科人才培养中面临的种种困惑时,首先应该想到的是作为计算科学的教育工作者应当作些什么。
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AbstractItisanalysedinthispaperthecharacteristicoftheChineseComputingCurricula2002,anddiscussedfromtheviewpointofthemethodologyofthecomputersciencethebasicthoughtofthecomputingcurriculateachingbasedontheknowledgebackground.Meanwhile,itisalsoexpositedtheimportanteffectofthecomputingsciencehistoryresearchtothecomputercoursesteachingbasedontheknowledgebackground.
KeyWordsCC2002,Courseteaching,Computingscience,Sciencehistory
【关键词】计算机学科;其他学科;整合;实践
【中图分类号】G710【文献标识码】A【文章编号】1672-5158(2013)02-0267-01
随着时代的不断进步,计算机技术已经处于一个高速发展的阶段,部分计算机技术更新很快,甚至天天都有新的研究成果,计算机已经是人们工作与生活不可分割的一部分,在当代如果不能掌握计算机技术的相关技术,可以说是“时代的文盲”。随着中职院校技术的不断推进,计算机技术知识不仅成为人们工作与生活的需要,并且成为学者们积极探索的主要工具。
一、 计算机学科与语文学科的整合
通过计算机技术不仅能将学生的感性世界变得更加爱丰富,而且能弥补学生在感性认识上的不足,让教学内容更加具有生命力,更加丰富有趣。中职院校的生源大部分属于偏远地区,学生接触计算机的机会不多,在校内,大部分教学过程也通常使用多媒体,进而让计算机技术与教学内容实现更好的整合。例如学习“北国雪景”这篇课文时,教师完全可以利用计算机计算将北国雪景的真实一面呈现在学生面前,让学生在课堂上有身临其境的感觉。在日常生活中或多或少都会缺少一些研发材料,此时可以通过计算机计算,将远的景物搬到屏幕上,而这就是现在的课堂,这也是计算机学科的魅力所在,能让死气沉沉的课堂变得更加多彩。在计算机计算的应用下,课堂充满了美丽的画面,加之优美声音的环绕,学生对计算机学科,对语文学科都充满了学习的激情,并能得到启发、熏陶,让学习知识变得更加轻松、愉快。计算机学科与语文学科的整合之下,学生能在各个领域中探索自己想要得到的知识,学生更加愿意去接受知识。
当代教育部推行的理念是素质教育,而语文教材的安排中,例如:实践教学活动、口语交际活动等教学内容,大部分教师在实际教学过程中都只是对这些教学内容进行带过,教学过程中始终还是受到传统教育理念的影响,加之这些教学内容在具体操作过程中具有一定程度的难度。但是,将这些知识板块与计算机学科相互结合起来,再利用网络技术,其中存在的一些操作困难便能迎刃而解,让计算机学科知识与语文学科知识更加丰富有趣,将中职院校教学的重点充分融合在实际教学过程中,培养更多优秀的现代化复合型人才。
二、 计算机学科与数学学科的整合
通过计算机学科与数学学科的整合,不仅能丰富学生的数学信息,而且能激发学生的创造性思维。我们知道,数学知识本身很抽象,并且结论的确定性与应用的广泛性在同时期的其他学科中都处于非常重要的基础地位。培养学生具有广阔的数学思维,还是培养学生的逻辑思维能力、空间想象能力,这些对于教师的教学艺术与学生自身的要求都非常高。在实际的教学过程中,让计算机学科的相关知识与数学学科进行有效的整合是一个不错的选择,有助于对学生的学识信息进行丰富,进而激发培养学生的创造性思维。
中职院校依然要积极响应教育部的号召,在数学教学过程中要充分体现学生的学习主体地位,要注重学生对数学知识探究的过程。在计算机技术的支持下,完全可以将数学课堂搬到网络环境当中,在两门学科的整合下,能非常容易实现学科的教学目标,培养学生的综合应用能力。
三、计算机学科通过“人机互动”让存在差异性的学生共同进步
当代教育要坚持以生为本的教育理念,作为教师要尊重学生在各个方面存在的差异性,要坚持让每一名学生都能获得充分发展与成长,中职院校的学生知识水平更是具有很大的差异性,有些学生可能是初中都没有毕业,而有些学生甚至是高中毕业生,这种差异是客观存在的,在计算机学科中利用“人机互动”这种手段可以有效解决这方面的问题。学生可以自主选择自己的理解方式与老师或者同学实现及时沟通,在课堂上提出问题、分析问题、解决问题,要敢于将自己的见解表达出来,并同时对同学以及老师的思考成果进行分享,将计算机学科与学生素质能力的整合,不仅了拓展学生的思维,还能让学生看得更远。在计算机学科的帮助下,学生信息知识来源更加丰富。在面对很多知识不理解的情况下,学生可以利用网络进行探索,计算机不仅在改变学生的学习方式,并且伴随着学生的生活,逐步改变学生的未来。
总之,计算机学科实际教学中所设计到的计算机计算并不是简单的做出来给大家看,而是需要通过计算机技术与其他学科相互整合,进而实现教学目标的一个过程。不断改善教师的教学方式、学生的学习方式甚至是师生之间的互动方式。进而将各门学科的教学质量提高。
随着计算机技术的高速发展,在这个形势的推动下,社会各个领域以至于人们的生活都会发生各种各样的变化,中职院校各科教学与计算机技术学科的整合是必然的趋势。基于教育工作者的角度来看,计算机学科与其他学科的整合,不仅是一个挑战,其实是一个良好的机遇。中职院校每一位教育工作者,要积极看清形势,要不断的充实自己,通过各种有效手段推进计算机学科与其他学科在教学上的整合,并将计算机技术教育充分融入到其他学科中的实际教学活动中去,保持两者相辅相成的关系。当前时展太快,教育改革大潮也如火如荼进行,为了培养出更多综合素质高、技术能力强的学生,教育工作者必然要为之付出更多的心血。
参考文献
计算机科学中的计算思维概念于2006年3月由JeannetteWing提出,JeannetteWing认为“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”,并将计算思维的应用引申到非计算机专业的计算机教育及智力养成和科学的计算思维化两个领域。计算思维是知识思维的一个实例,这个知识思维的实例有一定的特殊性,原因是作为计算思维内容的计算机科学知识本身是系统思维科学化、工程化的结果。计算思维是自然思维、系统思维之上的知识思维,计算思维的内容是计算机科学的知识系统,计算思维的形式是计算思维的核心。因为知识思维有内容和形式两个属性,内容是知识,形式是思维。这一点同作为系统思维组成的相容逻辑有相同之处,逻辑的内容是知识,逻辑的形式是逻辑。
JeannetteWing指出,计算思维能力是人们在阅读、写作、算数基本思维能力以外的一种思维能力。阅读、写作、算数其实就是系统思维的组成:语言、数学和逻辑。系统思维是通过感知、注意、记忆、分析、解决问题等自然思维能力学习语言、数学、逻辑形成的系统思维能力。在系统思维的三个组成部分之上,通过知识思维中的计算思维内容的学习形成了以计算思维形式为本质的系统思维层面的计算思维。JeannetteWing认为科学正在积极应用计算方法、计算手段、计算思维推进科学具体学科的发展,特别是在生物学领域。计算机和计算机科学与科学结合不仅仅是使用计算方法、计算手段、计算思维促进科学的发展,而是正在给科学带来一场深刻的进化。
计算认知正在成为传统思维语言认知、数学认知、逻辑认知之后的第四个认知成分;计算机正在成为传统思维语言认知、数学认知、逻辑认知的大脑认知器官之后的第四个认知器官。感觉器官的感觉能力自400年前的科学革命以来,已经有了来自科学、技术方面的许多延伸。认知器官的认知能力自20世纪40年代产生的计算机和20世纪60年代产生的计算机科学以来,也已经有了质量和数量的延伸。在21世纪,计算机和计算机科学带来的认知能力的延伸正在给相容逻辑维度上的认识论的知识系统和信息系统带来科学的变化。计算机和计算机科学延伸了感知、注意、记忆、分析、解决问题的自然思维,以计算机和计算机科学为内容的计算认知和计算思维增加了语言、数学、逻辑的系统思维维度。自然思维的延伸和系统思维维度的增加正在引起科学知识系统的深刻变化。新型科学不断形成,人们习惯和熟悉的科学正在成为同计算科学结合形成的新型科学的子集。
2教育学中的计算思维与计算思维的教育
2012年9月11日至12日,在英国曼彻斯特举行的英国学习技术协会(AssociationforLearningTechnology,ALT)的年会上,AaronSloman作了“什么是计算思维?谁需要计算思维?为什么需要计算思维?计算思维可以学习吗?计算思维可以教吗?”的演讲。JeannetteWing提出计算机科学的计算思维概念之后不到十年的时间,爱尔兰的国立爱尔兰大学(NationalUniversityofIreland)梅努斯分校的计算机科学系便设立了计算思维的本科教育,有完整的大纲和课程设置。这个本科教育大纲和课程设置直接回答了AaronSloman演讲中5个问题的后两个问题:计算思维可以学习,计算思维可以教授。国立爱尔兰大学计算机科学系这个专业的目标是集成和统一计算机科学、数学和哲学,课程是从现有的计算机科学课程、数学课程和哲学课程中挑选、重新组合形成的一个课程集合。从知识系统的角度看,没有一门新的课程属于计算思维课程。
计算思维是一个横跨思维和知识的涉及多个学科的组合概念,从事计算机相关工作的专家和学者率先感觉到了计算思维的存在,并从自己熟悉的眼前的第一步开始进入计算思维这个领域。对计算思维在不同学科的不同认识和描述并不影响人们对计算思维的感知和在教育中对计算思维的培养。对计算思维本质的认识已经超出了计算机科学的范围,但这并不影响在计算机科学领域对计算思维规律的认识和在教育学领域对计算思维的培养。关键是要在计算机科学领域认识计算思维,要在教育学领域应用计算思维进行计算思维的培养,对计算思维的观察必须从科学哲学和哲学的角度出发。计算思维的教育主要在计算机科学计算思维和计算机应用计算机思维领域,通过计算机科学知识系统和计算机应用知识系统的教学和学习进行。计算机科学从20世纪60年代成为独立学科以来已经有完整的知识系统和相应的教育体制。计算机科学的知识体系也在发展变化中,有关计算思维的课程也在甄别和抽象形式化的过程中。人们都知道认识论中有认识主体、认识客体、知识系统三个基本组成部分。对于计算思维来说,认识的主体是人的大脑中认识计算思维所需要的智力和思维能力,认识的客体是客观存在的计算思维,认识结果的知识系统是计算思维知识系统。同一般清晰可见的认识对象的认识主体、认识客体、知识系统分别是三个独立的系统不同,计算思维的认识主体、认识客体、知识系统三个系统之间相互交织、关系重叠。原因是计算思维既是认识的主体,又是认识的客体,同时还是认识结果的知识系统。
3计算机大赛中的计算思维能力培养
目前,对于如何在大学的计算机课程中培养学生的计算思维能力,国内学者已提出了一些很好的构想。陈国良院士认为大学第一门计算机基础课程是计算思维培养的一个关键。哈尔滨工业大学的战德臣教授认为,大学第一门计算机基础课程必须强化思维性教学改革,强调可实现思维的教授与培养。浙江大学的何铭钦教授等在对九校联盟(C9)联合声明的解读中提出,一方面要突出相应领域问题求解的核心思路和基本方法,另一方面要通过小规模的应用系统设计与实现,使学生领悟应用系统级的问题求解方式。因此计算思维能力的培养不仅仅局限于大学的计算机课程,更应贯穿于计算机课程的课程设计、计算机大赛等综合实践活动中,通过应用系统的设计与实现逐步启发和培养学生的计算思维能力。计算机设计大赛是大学生综合运用计算机知识和计算思维的一个创新实践活动,大赛作品本身就是计算机知识和计算思维应用的表现。学生通过对具体问题进行理论建模和工程实施,不但运用了计算机知识和计算思维,同时拓展了计算机知识,增强了计算思维能力。大赛内容包括软件应用与开发、微课(课件制作)、数字媒体设计、中华优秀传统文化微电影、中华民族文化元素、动漫游戏创意设计、软件服务外包及计算机音乐创作8大类别。从问题求解的角度来看,每一类作品都需要对现实世界的具体应用问题进行抽象和模型化,并通过计算机硬件平台来展现。通过讲解这些实际问题的解决思路,可以培养学生运用计算机知识进行问题求解的计算思维。完成作品的过程涉及从作品策划、构思、设计到开发、的各个阶段,大赛作品是由设计者通过计算机模型化出来的虚拟世界,展示了设计者如何利用计算机科学的知识、方法和模型进行问题求解、系统设计和人类行为理解的整个计算思维过程。学生在作品的设计开发过程中,逐步培养了运用计算机科学的知识、方法和模型进行抽象、自动化的计算思维能力。
在指导学生参赛的过程中,教师通过大赛引导学生主动参与知识的学习,在实践活动中有意识地逐步培养学生个人的计算思维。数据库、计算机网络、程序设计的基本概念、原理和方法都体现着计算机科学家的计算思维,在指导教师有意识地引导和系统规划下,学生通过学习和应用数据库、计算机网络和程序设计,能够了解计算的方法和模型,建立起利用计算机求解问题的基本思路,站在计算思维的高度观察和处理问题,从而改变旧的思维方式和工作方式,有意识地培养计算思维。例如,在大赛作品的设计中,关注点分离是控制和解决复杂问题的一种思维方法,该方法先将复杂问题进行合理的分解,再分别研究问题的不同侧面(关注点),最后综合得到整体的解决方案,在计算机科学中的典型表现即“分而治之”。在数据库设计、庞杂的数据管理和数据库应用开发中,经常采用“分而治之”的思想。数据库设计采用软件工程的思想,自顶向下将设计任务划分为多个阶段,每个阶段有各自相对独立的任务,相邻阶段又互相联系、互相承接,共同完成整个设计任务;面对复杂的数据管理和维护任务,也进一步分解为数据恢复、并发控制、数据完整性和安全性的保护、数据库的运行维护等多个子任务,由不同的子系统负责,并相互协作保护数据在运行过程中的正确性和有效性;在进行基于数据库的应用开发中,模块化是最常用的最有代表性的一个分解方法。这些数据库的知识点都充分体现了计算思维的方法。信息化教学为大学生提供了丰富的学习资源:微课、优秀大赛作品和计算思维专题,创设环境,鼓励大学生通过自主学习、探究学习,培养计算思维能力。我们在大赛活动中充分尊重学生的主体性,通过教学方法的改革和对学生主观能动性的开发,创建了以培养计算思维为核心的协作学习、研究性学习模式。指导教师把计算模型、算法、并行计算、云计算这些计算思维的思想融入到计算机大赛活动中,与专业课程的知识点紧密衔接起来,进行深入细致的实例分析,使学生不再觉得计算思维是悬空抽象的概念,而是实实在在的思维方法,从而真正做到了教学与科研的互补与相互促进。
4结语