1、大学计算机素质教育分析摘要：21 世纪以来，信息革命的浪潮席卷全球，信息技术全面普及。计算机教育是衡量国家综合技术实力的重要方面，大学计算机素质教育十分重要。本文以计算科学的发展为视角，对计算科学的发展变化进行了分析和研究，并围绕计算科学和计算机思维培养，为大学计算机素质教育建设提供了建议。 我国素质教育的重视是在 20 世纪 80 年代，素质教育受先天遗传性和后天学习的影响，素质教育是在长期教育影响下的，行程的稳定的、长期的心理特征和品质1。素质教育有着生理层面、社会层面和心理层面的内涵。计算机教育的目的是让学生掌握计算机基础理论知识，熟悉互联网和使用计算机，把计算机作为工具，把计算思维作为
2、处理方式，以解决不同专业的问题的方法和手段2。目前，我国大学计算机教育的导向工具论影响较大3，教育重点放在了培养学生的实操和应用能力，而缺乏对计算本质的理解，以及独立自主的、长期的计算思维培养。大学计算机教育应该让学生理解人类社会科学与计算机发展的关系，理论思想与实践相互促进，从计算之美中让学生发掘兴趣。以期达到对学生计算思维方式的改善、对追求科学精神的兴趣以及对高尚人格的追求。 一计算科学 科学是对事实的整理，从整理中发现规律，并作出相应的结论，从而推动人类社会的进步。科学家们将科学分为了三个方面：自然科学、社会科学与思维科学，而理论、实验和计算思维是科学发现的三个重要支撑。理论科学的主要特
3、征是演绎和推理，代表为数学科学。实验科学的主要特征是对自然规律的观察和总结，其中物理学作为代表。计算科学的主要特征是设计和构造，其中代表为计算科学4。 （一）计算科学的历史 康托尔集合论：计算机科学的形式化研究，起源于对数学的基础研究，19 世纪由德国数学家康托尔、狄德金等建立了实数理论，而且在实数理论的基础上，建立起极限论的基本定理5。实数理论建立起了极限定理，试图解决第二次数学危机。康托尔集合论把无限作为实体，有效的解决了亚里士多德提出的把无限作为一个不断发展的但又不会完成的一个过程思想，让集合可以表示复杂的数学概念，各种数学理论得到了快速的发展，从而奠定了集合论作为数学的基础地位。罗素悖
4、论：1903 年，英国数学家罗素提出了一个有趣的关于集合论的悖论一切不包含自身的集合所形成的集合是否包含自身？数学家们开始对集合的无限扩张进行了约束，从而完善了集合论的规定，建立系统规定，用来排除罗素悖论。形式判定与哥德尔不完备性：1900 年，在德国数学家希尔伯特纲领中提出，形式判定完备性的命题，从形式的相容性证明系统的相容性，即通过寻找通用的形式逻辑系统，证明系统的完备性，其目的是为了消除罗素悖论。1931 年，哥德尔指出关于形式系统的不完备性定理，该类形式系统是不存在的，证明了希尔伯特纲领的错误。但是，不完备性定理说明机械过程不一定能解决全部的数学问题，从而诱发人们考虑可行性方向。问题可
5、解性：科学家们受哥德尔的影响，20 世纪初，数学家图灵从一个数的计算的过程引入对计算本质的研究，促进了人们对计算的本质的认识。即问题可解性，从而将可计算性概念与机械程序的执行过程统一起来，此即有名的图灵计算模型。图灵第一次把计算机和程序联系起来，对计算科学和人工智能的发展产生了巨大影响6。 （二）计算的本质 所谓计算，一般指运用事先给定的法则将一组数值变换为另一组数值的过程。对于某类问题，如果能找到并确定一个法则，按照这个法则，当给出这类问题中的任何一个确定的问题后，都能完全机械地通过有限步骤求出结果，则认为这类问题是可以计算的。这个法则就是所说的算法，因而可计算的问题也可将其称之为存在算法之
6、问题。计算的本质是获得信息的一种过程。是人类分析问题所采用的方法。计算具有动态的特点，它的静态延伸是信息的获得。它具有三个特点：计算手段的机械化；计算描述的形式化；计算过程的自动化。计算科学的进步推动了科学影响的日益增大。 二计算思维 随着信息技术的发展，计算科学的重要性得到大家认可。计算思维也引起了我国科学家的重视，陈国良院士在计算思维与大学计算机基础教育报告中指出：计算机科学的本质源于数学思维，形式化基础来自数学。孙家广院士计算思维是最具有长期性和基础性的思想。中国科学院计算技术研究所研究员徐志伟提出：计算思维是一般性的思维方式。科学思维包括三种思维方式：理论思维，源于数学，以定义、定理、
7、证明为核心，支撑所有学科领域发展；实验思维，源自于意大利科学家伽利略，借助物理设备分析数据，验证理论；计算思维，理论源于数学，在所有学科领域都有重要作用。计算思维是一种思维方法，可采用不同的途径进行问题处理。计算思维具有多个层面上的抽象，而非程序化的处理方式，具有发散化、概念化、抽象化的特点，它为人类的社会创造活动提供了一种途径，用计算思想来解决现实中的复杂计算问题。计算思维在各个学科领域中有着丰富的应用，如生物领域中用结绳发模拟蛋白质结构；在化学领域将地球和大气层模拟成计算机；在经济学领域通过计算模拟股票涨跌；在社会学领域将深度学习应用于搜索功能。计算思维和各个学科的融合，开辟了各学科的新的
8、分支，为社会发展起到了推动作用。 三计算机素质教育课程的构建 目前，我国大学计算机基础课程包括：大学计算机基础、计算机系统类课程、算法与程序设计、信息处理与应用基础等主要课程组成。计算机基础教学的目的是通过工具教学的基础上掌握计算核心思想和方法，而不是将计算机课程浓缩到一点，各个课程设置相对独立，忽略计算思想的融会贯通和利用思维方式有效的解决问题。本文在计算科学和计算思维的基础上，对大学计算素质教育提出下面几点建议： （一）计算机课程体系建设 计算机基础课程是重要的国家基础课程。我们应根据全新的计算机基础教学理念，调整计算机基础课程，将计算机基础课程模块化，结合实际案例，抽象问题求解方法，将问
9、题分析与求解的计算思想融入到基础课程体系，采用递进式教学思想设置课程，引导学生以计算机为工具，融合到学生专业方向，解决专业问题。 （二）教学模式创新 计算思维是计算机科学的基本思维方式，通过该方式分析解决问题，开展创新型科研。计算机教学模式中，应按学科类别灵活开展计算机教学策略，采用灵活的教学模式，如专题报告、研讨会、定期交流等不断提高学生的应用和创新能力。同时鼓励学生自主学习，提高学生积极性，利用网络教学创新与传统教学相结合，丰富学生自主学习环境。 （三）教学方法改革 将数学、经济、社会等领域的经典案例和计算科学、计算思维相融合，通过实际问题的解决，提高学生的创造性思维和实际问题解决能力，增
10、加学生的学习的积极性。同时，采用围点打援的教学方式，帮助学生辐射性学习，融合知识内容，触类旁通。从而让学生理解计算思维源于实践，从理论到实际，再从实际到理论循环学习，提高学生抽象能力。 （四）教学机制改革 教师评价机制是教学机制中的关键环节，课程应改变学生评价体系，将诊断性评价和总结性评价相结合，提高学生解决实际问题能力的评分比重，鼓励学生思维能力和创新能力。同时，教师教学也是教学机制中的重要部分，对不同专业的学生，应增加不同学科背景的专业从事计算机研究的教师进行因材施教，使学生了解和掌握计算机在不同专业学习中的应用以及解决专业问题所涉及的计算思维和方法，将计算机学习与专业学习紧密结合，加深学生对计算机在专业应用中的认识。
