计算机类专业本科生计算思维的培育路径研究

摘要：文章旨在探讨计算机类专业本科生计算思维的培育路径。通过分析计算思维在计算机类专业中的重要性及其影响因素，提出了一套系统的培育方案。该方案强调从教学目标、教学环节、教学模式及教学评价四个维度入手，以强化学生的计算思维体验和实践为核心。通过明确教学目标，重视计算思维的实践与感悟过程，创新教学模式以打造实践环境，并对计算思维过程进行评判与强化，以期有效提升学生的计算思维能力。

关键词：计算思维；计算机类专业；培育路径

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）35-0174-04 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

在注重创新解决计算机实践问题的背景下，计算机类专业越来越重视思维的培养。计算思维，作为一种分析、解决实际问题并推动创新的思维方法，与强调创新实践、以编程和系统设计为核心的计算机类专业高度契合。计算思维不仅能够促进计算机类本科生的能力发展，还能推动课程教学的改革与进步，为培养高素质人才提供有力支撑。然而，当前的研究对计算思维在计算机类专业领域的定位尚显不足，这导致在计算机本科课程设计中，计算思维的体现不够充分，学生的编程和系统设计作品多为模仿，对计算的深层次理解不够深刻。为了应对这些问题，本研究以湛江科技学院物联网专业为例，聚焦于计算机类专业本科生的计算思维培养。尝试深入解析计算思维的内涵，明确其在计算机类专业中的重要价值。同时，分析影响计算机类专业学生计算思维发展的各种因素，如教学方法、课程内容、实践机会等。从教育教学的角度出发，提出针对计算机类专业本科生的计算思维培养路径。这包括优化课程设置，融入更多涉及计算思维的实践项目；改进教学方法，鼓励学生主动运用计算思维解决问题；加强与企业的合作，为学生提供更多真实的实践场景等。通过这些措施，期望能够为计算机类专业的建设提供指导，更好地满足社会各领域对具备计算思维的计算机类专业本科生的人才需求。这不仅有助于提升学生的专业素养和创新能力，也为学生未来的职业发展奠定坚实的基础。

1 计算思维的内涵解析

Shute等人[1]指出计算思维是有效和高效地解决问题的概念基础，有6个主要方面：分解、抽象、算法设计、调试、迭代和概括。它不仅仅是一种解决问题的技巧，更是一种深入骨髓的思维方式，它帮助人们理解并改造世界。在一个技术驱动的复杂社会中，计算思维对于解决问题至关重要[2]。Zacharis等人[3]指出计算思维通过将创造力、逻辑和批判性思维与数字技术相结合，增强解决问题的能力，促进协作和解决问题。Jake 等人[4]认为将计算思维融入课程可以提高解决问题的能力和巩固逻辑技能，使小学、中学和高等教育的学生受益。在信息技术日新月异的今天，对计算思维的内涵进行深入解析，不仅有助于人们更好地掌握计算机科学，还能为其他领域提供新的视角和工具。

计算思维的核心在于抽象和自动化[5]。抽象是将复杂问题简化的过程，它让人们能够忽略不相关的细节，专注于问题的本质。在计算机科学中，抽象表现为数据抽象和过程抽象[6]。数据抽象是将现实世界中的对象表示为计算机可以处理的数据结构，而过程抽象则是将解决问题的步骤提炼为可重复使用的算法。通过抽象，可以将复杂问题分解为更小、更易于管理的部分，从而降低问题的难度。

自动化是计算思维的另一个重要方面。它指的是通过计算机程序来自动执行一系列操作，以达到预期的目标。自动化极大地提高了工作效率，减少了人为错误，并释放了人力资源以从事更有创造性的工作。在计算机科学中，自动化体现为各种自动化工具和平台，如编译器、解释器、操作系统等，它们能够自动执行代码编译、程序运行、资源管理等任务。除了抽象和自动化之外，计算思维还强调逻辑思维和系统性思维。Nazan Sezen等人[7]指出逻辑思维是在皮亚杰发展阶段的具体运算阶段和抽象运算阶段影响学生成功的一种认知能力。它要求学生按照严格的逻辑规则来思考问题，确保推理的有效性和正确性。在计算机科学中，逻辑思维体现为算法设计和程序编写的严谨性。

2 计算思维在计算机类专业中的价值意蕴

在计算机类专业中，计算思维不仅仅是一种工具或方法，更是一种深刻的思维方式，它贯穿于整个学科的学习和实践过程[8]。计算思维的培养对于计算机类专业的学生而言，具有多方面的价值，以下从社会需求、学科发展和能力培养三个方面展开论述。

2.1 基于社会实际需要，强化理论与实践的结合

在信息化社会的今天，计算机技术已经融入各行各业的方方面面，社会对具备计算思维能力的人才需求日益旺盛。计算思维作为一种以解决问题为核心的思维方式，强调将理论知识与实际问题相结合，通过抽象、分解、算法化等方法，寻找问题的最优解决方案。例如，在软件开发领域，一个优秀的软件工程师需要具备强大的计算思维能力，才能将复杂的业务需求抽象为清晰的软件模型，并设计出高效、稳定的软件系统。在计算思维的引导下，软件工程师能够将理论知识与实践经验相结合，不断优化软件设计，提升软件质量，从而更好地满足用户需求。

2.2 基于学科进步，推动学科的开拓与创新发展

计算机科学是一门快速发展的学科，新的理论、技术和应用层出不穷。计算思维作为一种开放的、创新的思维方式，为计算机科学的发展提供了新的视角和思路。例如，在人工智能领域，计算思维为机器学习、深度学习等算法的设计和实现提供了有力支持。通过运用计算思维，研究人员能够更好地理解数据特征，设计出更加合理的算法模型，从而推动人工智能技术的不断进步。此外，在网络安全、数据库管理等领域，计算思维同样发挥着重要的作用，为学科的创新发展提供了源源不断的动力。

2.3 基于能力提升，全面深入地思考教育问题

计算思维是人工智能时代教育发展的核心目标[9]。它是对阅读、写作和算术的补充，是21世纪解决问题、逻辑推理和分析能力的基本技能[10]。在计算思维的培养过程中，学生不仅需要掌握计算机科学的基础知识，还需要学会运用系统的方法来分析问题、解决问题。例如，学生可以利用计算思维来系统地分析教学过程中的问题，如教学资源的配置、教学方法的选择、教学评价的实施等。通过运用计算思维，学生能够更加全面地了解教学系统的各个要素及其相互关系，从而提出更加有效的优化方案，提升教学质量。

3 计算机类专业计算思维的影响因素

计算机类专业中，计算思维的培养与发展受到多重因素的影响，其中主要包括内部因素和外部因素两大类。内部因素构成了计算思维发展的底层支撑，而外部因素则为计算思维的可持续发展提供了重要保障。

3.1 内部因素：计算思维发展的底层支撑

内部因素主要涉及个体的认知结构、先验知识、学习能力以及思维模式等。在计算思维的培养过程中，个体的认知结构起到了基础性作用。先验知识的丰富程度直接影响了学生对新知识的接受速度和理解深度，进而影响了计算思维的发展进程。An⁃istyasari等人[11]的研究表明数学能力，语言技能，性别和信息通信技术素养依次影响计算思维的水平。同时，学习能力也是计算思维发展的关键。一个具有较强学习能力的学生能够更快地掌握新的计算方法，更有效地运用计算思维解决问题。此外，思维模式也对计算思维的发展产生了重要影响。一个习惯于系统性、逻辑性思维的学生更容易形成全面、深入的计算思维。

内部因素之间的相互作用也是不可忽视的。例如，先验知识和学习能力之间存在着正向的促进关系。丰富的先验知识可以提升学生的学习能力，而学习能力的提升又可以反过来促进学生获取更多的先验知识，从而形成良性循环。这种良性循环为计算思维的发展提供了持续的动力。

3.2 外部因素：计算思维可持续发展的重要保障

外部因素主要涉及教学环境、教学资源、课程设置、师资力量以及社会文化等。良好的教学环境是计算思维发展的基础条件，它可以为学生提供充足的实践机会和优质的学习资源。教学资源的丰富程度则直接决定了学生能够接触到的计算问题的广度和深度。此外，课程设置和师资力量也是影响计算思维发展的重要因素。合理的课程设置能够帮助学生系统地掌握计算机科学的基础知识，而优秀的师资力量则可以为学生提供专业的指导和建议，引导他们更好地发展计算思维。

同时，社会文化环境对计算思维的影响也不容忽视[12]。一个重视科技创新、鼓励实践探索的社会文化环境更有利于学生形成开放、创新的计算思维。在这种环境中，学生能够接触到更多的实际问题，通过解决这些问题来锻炼和提升自己的计算思维能力。

内部因素和外部因素共同作用于计算机类专业学生的计算思维发展过程，二者缺一不可。为了更好地培养学生的计算思维，应该注重优化内部因素，同时积极创造良好的外部条件，为学生的计算思维发展提供全面的支持。

4 计算机类专业本科生计算思维的培养路径

计算机类专业课程是物联网专业人才培养的基石。考虑到物联网专业计算思维培养的多重因素，从教学目标和内容、教学环节、教学模式、教学评价四个维度出发探索物联网专业本科生计算思维的培养路径，如图1所示。

4.1 从教学目标和内容切入：借助“宏观理念”实现素养的培育目标

在计算机类专业本科生的教育中，培养计算思维的首要任务是从教学目标和内容入手，明确并落实素养目标。这些目标应围绕计算思维的核心要素，如问题分解、抽象建模、算法设计、评估优化等，构建课程体系。教学内容上，要引入“宏观理念”，即那些能够贯穿多个知识点、具有普遍性和迁移性的核心概念。湛江科技学院物联网专业的教学目标，围绕物联网行业的核心技能和未来发展趋势，结合国家教育方针政策以及学校自身的办学特色，确立清晰、具体、可操作的目标体系。教学目标的设定体现以下几个方面：

1） 知识融合：强调跨学科知识的整合，使学生不仅掌握物联网技术本身，还能理解其与经济、社会、文化等多方面的联系，形成宽广的知识视野。

2） 能力提升：注重学生实践能力和创新创业精神的培养，通过项目驱动、案例分析等教学方法，提升学生解决实际问题的能力。

3） 素养培育：将职业素养、信息素养、创新素养等融入日常教学，帮助学生形成正确的价值观、职业观和终身学习的意识。

教学内容是实现教学目标的重要载体。湛江科技学院物联网专业在选择教学内容时，坚持以下原则：

1） 基础性与前沿性相结合：既要确保学生掌握物联网领域的基础理论知识，又要及时引入行业最新技术和发展动态，保持教学内容的时效性和前瞻性。

2） 理论教学与实践教学并重：构建理论与实践相结合的教学体系，通过实验室实践、企业实习、创新创业项目等多种形式，增强学生的动手能力和实践经验。

3） 模块化与个性化相结合：设计灵活多样的课程模块，满足不同学生的学习需求和兴趣爱好，同时提供个性化的学习路径和指导，促进学生的全面发展

4.2 从教学环节切入：强调计算思维的实践与感悟过程

计算思维的培养不仅依赖于知识的传授，更需要在实践中体验和内化。因此，在教学环节中，要特别重视计算思维的实践与感悟过程，在湛江科技学院物联网专业的教学过程中，为了使学生更好地掌握计算思维，并将其应用于实际问题的解决中，教学环节的设计至关重要。通过强调计算思维的实践与感悟过程，可以帮助学生形成系统化的问题解决思路，提高其在物联网领域的综合素质。实践环节的设计如下：

1） 问题导向学习：在教学过程中，设计具有挑战性和实际意义的问题，引导学生运用计算思维进行分析和解决。通过问题的引导和讨论，激发学生的学习兴趣和探究欲望，培养其独立思考和解决问题的能力。

2） 项目式学习：将课程内容与实际应用场景相结合，设计物联网相关的项目任务。学生在完成项目的过程中，需要运用计算思维进行需求分析、系统设计、算法实现等，从而加深对计算思维的理解和应用。

3） 实验室实践：通过物联网实验室的实践操作，让学生亲身体验物联网系统的构建和运行过程。在实验过程中，引导学生运用计算思维进行系统的分析和优化，提高其动手能力和实践经验。

从以下几方面进行感悟环节的设计：