本站原创摘 要：以计算思维为切入点的“大学计算机”课程建设最终还是要落实到促进人才素质能力的发展.准确解读计算思维的内涵和外延,建立计算思维在课程中的表达体系,将其映射和融入课程知识点和技能点结构体系中,通过能力的培养来实现计算思维品质的提升,使计算思维的理念、方法落在实处.为此,建立课程的能力标准将是当前课程改革的推手和核心问题.
关 键 词 ：大学计算机；课程改革；计算思维；抽象；能力标准
“大学计算机”课程教学是以培养大学生综合素质和创新能力、培养复合型创新人才为目标的[1].而计算思维作为人所必须具备的思维能力,对高等教育人才培养具有哲学方法论的意义,这是因为计算思维说到底就是一种方法论的思维.陈国良院士指出,计算思维无处不在,当计算思维真正融入人类活动的整体时,它作为一个问题解决的有效工具,人人都应掌握,处处都会被使用.自然,它应当有效地融入我们每一堂课之中[2].我们认为：“大学计算机”课程改革可以理解为对计算思维的内涵和外延的准确解读,建立计算思维在课程中的表达体系,将其映射和融入课程知识点和技能点结构体系中,以能力标准作为计算思维在课程中的落脚点和表现形态,通过能力要求来助推计算思维品质的提升,是将计算思维的理念、方法落在实处的有效途径.
一、计算思维的培养是通过能力的培养来践行的
思维是智力与能力的核心[3].思维作为人的一种特质是内隐的,而各种能力是不断通过行为和活动成为外显的.例如：对言语信息的感知、对知识概念的记忆和关联想象可称为知识技能；对技术方案的实施、掌握与控制称为操作技能；对问题解决过程中主体的思维定向、控制和调节称为策略技能.上述能力概莫能外地围绕着思维来开展.也就是这些能力臻达了思维的本质与效用.
计算思维就是将所研究的问题抽象表示为形式化、程序化和机械化的对象,成为可以用于机器做批处理的对象,这种抽象也就是计算思维的精髓.从知识体系中将具有本质属性的知识抽象出来,不再依赖于背景知识；在工具操作中将具有本质属性的操作抽象出来,不再受制于工具功能；在问题解决策略中将具有本质属性的策略抽象出来,而不再局限于问题本身.从而避免了对本质属性和非本质属性不加以区分,将所有知识、操作和策略“头发胡子一把抓”.这种关于抽象的操作机理内化到人的意识、行为、习惯中就是能力.应当反复强调的是：“能”有别于“技”的最大差异就是“能”更注重于问题的本质属性及其与非本质属性的区别,通过概括和迁移,内化为一种心理机制,即使是面对陌生问题也有一定思维指向作用.只重“技”不重“能”的后果注定要沦为工具论的受害者.
二、计算思维的能力培养形态及其体现
人类学习的结果是其性能发生相对持久的变化,加涅（R. M. Gagne）称其为习得的性能（capability）[4],也就是我们所理解的学习者的能力培养.计算思维在“大学计算机”课程改革和建设中的体现最终将落实在对知识、操作和策略进行抽象加工的能力培养上,而有一定目标和指向性的能力标准则是培养过程的具体化,是参照点和执行依据.课程改革应当从能力标准入手,开展知识的重组、活动的设计以及资源的开发建设.参照加涅的学习结果分类,这种基于抽象的能力标准可以归结为三个维度来展开：（1）知识重组与结构化；（2）技术操作与控制；（3）问题解决策略.分别对应如前所述的知识技能、操作技能和策略技能.
1.知识重组与结构化
课程知识、教材知识以及课堂讲授知识作为学习者知识的输入成分,是学习的外部基本条件.这些输入知识实际上就是学科知识的某种组织.这种组织不仅意味着学习活动的顺序,更为重要的是在课程中、教材中、授课中将知识包装成某种对象,这种对象形成了各种学习内容、学习资源以及评价方式.而后,在学习过程中学习者需要对输入知识进行认知加工,这种有学习者主体直接参与的加工过程所形成的结果才是学习者的知识技能.
从学科知识到课程知识,再从课程知识到学习者的知识技能,实际上是经历了两次重组,或称为两次知识的再组织.第一次重组是教师“教”的活动,第二次重组是学生“学”的活动.很明显,第一次重组是第二次重组的先决条件,课程知识、教材知识以及课堂讲授知识的重组为学习者认知活动奠定了基础.第一次重组的思维理念将注定会影响和渗透到第二次重组中.在这里,“教”的活动是因,“学”的活动是果.没有计算思维能力培养的因,何来计算思维能力养成的果.
当然,重组是手段,建构是目的.课程教学最终的任务就是知识的结构化,也就是所谓知识建构.一个结构的构成必须是相对稳定的、自洽的知识体系和技能体系.大学计算机课程建设和改革就是要了解学习者的建构规律,顺应这些规律,为学习者知识建构提供条件,适时推送易于重组和建构的以及引领其建构的知识,帮助学习者分析和探究其中相对稳定的部分.具体体现在两个方面：
（1）将课程知识重组和结构化以帮助知识建构.知识重组与结构化可以体现学习者在学习过程中对课程知识的深入理解,对知识点之间、知识单元之间以及知识领域之间的关联,对上下位关系、并列关系以及网络关系有一定的领悟,厘清其关系中的因果性、共存性、共通性、互动性等.
例如在讲授文字处理Office Word 2007的文档编辑时,在教学中必将涉及许多文本编辑和格式设置的子知识点的讲授.表1中的几个子知识点是必然讲授到的.
表1 生成规范格式文档所关联的子知识点体系结构
子知识点 菜单选项卡 选项 设置
加注释 引用 脚注 定义位置/格式
标题设置 开始 样式 设置各级标题
封面生成 插入 封面 选择封面
分节 页面布局 分隔符 选择分节符
建立目录 引用 目录 选择目录、插入
建立页眉页脚 插入 页眉和页脚 页眉/页脚/页码 在一些常见的教材和课程教学中,按照菜单、命令的界面排列位置分别介绍命令的效果,或者按照文本编辑手段分类分别讲授各自的功能.个中的问题就在于分立的效果或零散的功能之讲授是否有利于记忆和掌握,是否有利于知识的建构和应用,是否有利于抽象与内化.
试想：以生成一个规范的文件或论文格式为任务,将表1中的各个子知识点用一个任务关联起来,按照一定的先后顺序,按照一定的因果关系,组成一个完整的知识组织或结构,既凸显了每个子知识点在具体任务中的角色作用以便于记忆,又将这些原本各自独立的子知识点重新组织了起来.而最关键的是帮助学习者将很多知识点或子知识点形成了有意义的知识网络.
（2）将课程知识中的可复用性加以概括.课程改革应当重视知识体系的沿革与进化过程中不变的结构成分.随着计算机科学与技术的高速发展,工具软件层出不穷,软件功能不断提升.大学计算机课程教学内容更新周期越来越短.纵观近20年来的“计算机应用基础”课程内容及教材,应用软件的变化,软件性能的变化,操作界面的变化已经发生过多少次变革数不胜数.但同时也可以看到有一些基本不变的,像基础概念中的数制和运算、计算机硬件体系结构和软件系统基本构成、应用软件的分类、程序语句结构中的方法（如：递归、循环、中断和跳出）以及在数据组织中的队列、栈、树等是稳定不变的.课程中,像文字处理中的文本基本编辑、文本查找替换、格式设置以及图形表格等对象的操作,尽管方式方法不断改变,但基本功能并没有大的变化.同时也可以看到,各种文字处理系统如微软Word、Adobe Acrobat、Science word、金山WPS甚至CAJViewer等所有具有文字处理功能的系统,都具有上述这些基本不变的功能.对这些在工具进化中稳定不变的功能的理解实际上就是一种对本质属性的抽象.有了这种理解,就可以避免就事论事,避免被动的教与学,避免追着软件走、追着版本走、追着菜单走.人们已经意识到,这种被动的学习虽然也是知识的学习,但脱离了特定的条件,如软件的变更、版本的升级、菜单的更新,就注定造成知识的提前老化.鉴于诸如此类问题,在课程教学中对各种文字处理系统、各种电子表格系统、各种数据库系统、各种程序语言环境等做一定的总体分析,俯瞰可复用知识的本质,其抽象、概括的思维意识会得到训练和提高.
2.技术操作与控制
大学计算机课程作为高校基础课程的起始课,是从实践中提炼出来的综合性课程.在教学活动中,操作技能中所包含的动作技能被模仿、被重复、被强化和熟练.教材的引导以及在教学过程中教师的注意力多致力于营造操作型课堂,教师习惯于下达各种操作口令.在紧张而单调的训练中,学生紧盯屏幕上的菜单和命令,机械地操作着鼠标和键盘,思维逐渐变得迟钝僵化.这种教学方式省时、省力、省脑,教师习以为常,学生司空见惯[5].从记忆型学习和跟随型操作中走出来的学生,缺乏自主思考、独立面对的能力,在新问题和新技术面前难以产生有效的应对策略.问题的缘起还是课程的工具论诠释,正是其工具性、操作性显而易见,使得技术操作中方法论属性往往被忽视,比动作技能更高的境界——逻辑技能和技艺技能,也得不到应有的重视.
操作技能中的动作技能要通过练习和实践来掌握,但绝不意味着就是单纯的重复.表2列举的都是操作技能要求比较高的技能点.很多学校的课程对此没有明确的要求,课程大纲中也不一定都要求在课上讲授,而实验环节中更不一定要求必须练习.可以看到,每个技能点由多个子知识点或有关操作组成,同样也可由它们替代和分别实现,至少可以达到同样的效果.设想：不在Word中使用模板技术,通过一次次地各种设置也可以达到其作用；不在PPT中使用母板技术,通过手工设置也可以达到其效果；不会硬盘分区,就只是用一个C盘而不做其他分区,也并不影响机器运行.但是,课堂必讲的知识操作却不能更高效、高质地完成任务,不能将动作技能转换成更高级的技能.
表2 由多个知识点组成的技能点在当前教学中的常见处理方式
技能点 教学要求 练习要求
信息检索中使用多关键字、逻辑算符 必讲 选做
使用专业网络数据库 选讲 选做
硬盘合理分区 必讲 无
Word中使用模板 选讲 无
PPT中使用母板 选讲 选做
Excel中使用函数和逻辑表达式 必讲 部分选做
在教学中单纯讲授和练习动作技能,尽管学习者可以掌握此操作本身,但这种技能只有“技”的成分,而没有“能”的成分,不能达到熟能生巧,将一般的动作技能上升为高级技能（如逻辑技能、技艺技能）.由于高级技能是在一般应用技能之上的带有一定技巧和难度的高级使用,是通过学习主体思维加工后的具有更高操作技能要求的动作技能,所以不仅要有操作练习,还应当有教师的引导,因为教师的点化是可以起到点睛之功效的,毕竟教师得道在先.不能否认,逻辑技能和技艺技能,尤其是后者有时是靠顿悟产生,但这是一个量变到质变的过程,这其中,教材、教师、课堂甚至同学的作用就是不容忽视的.
教学中的应用案例就是这种技能方法综合运用的承载对象.对于操作技能特点突出的案例进行教学,首先选择一个任务（或技能点）,然后明确以不同形式表现出的操作对象和操作目标,在任务目标驱动下比较各种技术方案,优选最理想的,进而设计最合理的技术路径,聚焦最关键的控制环节,并以高效的操作方式、方法完成任务.与此同时,也应当归纳总结各种不同方案的共同之处,认清各种方案的本质属性,这就形成了逻辑技能,分析各种方案的差异之处,发现其优劣,择其优者,就形成了技艺技能.教学实践表明,运用恰当的综合案例将涉及的操作技能有序合理地运行,对操作控制能力的实际提升是行之有效的.
3.问题解决策略
问题解决策略是在知识技能和操作技能的基础上形成的,是一种综合性很高的技能.梅耶（R. E. Mayer）对其定义为：学习、记忆或解决问题的一般方法,包括应用策略进行自我监控[6].问题解决能力来自于记忆中知识结构的复杂的相互作用[7].依据广义知识观的观点,策略性知识是知识结构中最高层次的知识.问题解决策略的形成和掌握不仅对学习者当前习得的知识的“量”有较高的要求,而且对知识运用的熟练程度,即“质”,也有很高的要求,有理由认为这是计算思维体现的最为充分的技能方面.同样也是大学计算机课程要求的最高层次.尽管如此,问题解决策略技能也还是随处可见的.小到选择合适的方式来陈述一个问题,使其成为计算机处理的问题,即问题的机器化表征；大到对一个领域的相关方面建立模型使其能够用机器程序来处理. 乔纳森（Jonassen）从细化问题解决过程的信息加工模型出发,提出了结构化问题解决的教学策略步骤：（1）复习概念、规则与原理；（2）呈现问题领域的概念模型或因果模型；（3）出示样例；（4）呈现练习问题；（5）支持搜索解法；（6）反思问题状态与问题解法[8].参照此策略,在大学计算机课程的教与学的活动中将课程知识用知识网络关联起来,将关键知识点和技能点作为知识网络的节点,其连接的另一端就是关键知识点的相关知识,而关联方式也具有前提关系、包含类关系、同位类关系、例证关系或属性关系.所形成的结构就是知识模型,这种模型不仅可以对知识进行机器管理和表述,而且可以有利于学习者按照上述策略,结合知识网络结构从宏观到微观的结构层次进行分析、求解、应用和反思.
例如对应乔纳森策略步骤2的教学活动中,将数据库课程中的功能表述为五大基本功能：用数据定义语言（DDL）建立数据库结构并保存在数据字典中；用数据操纵语言（DML）对数据的存取、检索、插入、修改和删除进行操作；运行中的数据控制,即对数据的安全性、完整性和并发控制等进行有效管控；建立和维护功能,如数据的初始装入、转储、恢复、重组以及性能监视、分析等；数据传输,实现用户程序与DBMS之间的正常通信以及与操作系统协调等.这五大基本功能模块不仅仅是各种数据库都具有的基本功能,而且是各种数据库的基本结构的依据,实现知识网络化、模型化之后可以对知识结构有深入的了解,随时认识当前的知识点位于知识网络的什么位置,与其他知识点有什么关系.
对应用策略的过程所蕴含的一些重要规律加以总结归纳,所形成的就是问题解决策略技能.课程改革应当将重点放在养成策略运用的意识和积极发现策略运用规律的意识.
三、计算思维的能力培养取向
以计算思维为切入点的大学计算机课程改革的落脚点定位为基于抽象的能力的培养,而这种能力的发展最终绝不会满足于解决知识获取的问题,而应当是形成一种方法论的思维.方法论可以理解为：在反思和批判“方法的效用”的基础上,归纳提炼出的原理.方法论思维的视野将扩展到学习主体的学科专业领域中.如果说基于抽象的能力培养是计算思维下位的实践操作层面的问题,方法论意识则是计算思维上位的指导思想层面的问题.方法论意识从哲学层次解读了计算思维的价值并将其渗透到专业学科发展的各个方面,如：丰富和深化学科领域的研究范畴,改变学科领域的发展模式,拓展学科领域的研究方法体系.即对学科发展的范畴、模式和方法三个方面有实质性的贡献.
2012年教育部高教司组织高等学校计算机基础课程教学指导委员会和文科计算机基础教学指导委员会开展“大学计算机课程改革”项目研究.同我们一直以来的教改指导思想和工作侧重点所不同的是：本次改革项目旨在以计算思维为切入点,通过能力培养,对课程内容、教学方法、课程体系和教学模式进行改革,而不再将问题局限于课程知识体系的完善和细化、聚焦于分类指导的学科专业要求.课程改革在人才能力培养方面的长远目标将是使学习者具有与学科发展相适应的计算思维品质和素养,能够形成丰富和深化学科研究范畴、改变学科发展模式以及拓展学科研究方法体系方面的核心能力.只有看到了这一方向性的目标,才不至于只专注于课程内容的细枝末节、教学方法的工具操作、课程体系的面面俱到,造成教学模式的低层次徘徊.