面向計(jì)算思維培養(yǎng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)

詹濤　鄧?yán)凇×沃緞?/p>

摘要：針對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)特點(diǎn)，探討以計(jì)算思維為核心內(nèi)容的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，提出“分類培養(yǎng)、專業(yè)融合”的理論教學(xué)方法和“兩個(gè)階段培養(yǎng)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，指出該教學(xué)改革能有效提高計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)效果、使學(xué)生在獲得專業(yè)知識(shí)與技能過程中，訓(xùn)練和培養(yǎng)計(jì)算思維能力，

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)；教學(xué)改革

1.計(jì)算思維是改變大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程現(xiàn)狀的核心推力

計(jì)算思維（Computational Thinking）是美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系周以真教授提出的概念，其定義為“運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)”。計(jì)算思維反映了計(jì)算機(jī)技術(shù)本質(zhì)特征和解決問題的核心方法，能夠提升非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生用計(jì)算機(jī)處理和解決領(lǐng)域問題時(shí)的思維方法和表達(dá)形式，對(duì)學(xué)生有深遠(yuǎn)影響。2010年陳國(guó)良院士提出將“計(jì)算思維能力培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革切入點(diǎn)的倡議，2012年7月，教指委在西安舉辦了“第一屆計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革研討會(huì)”。2013年7月“第二屆計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革研討會(huì)”在成都召開。這些都表明，增強(qiáng)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)已成為非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革的重要方向。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)是大學(xué)本科的公共基礎(chǔ)課程，通常作為大學(xué)第一學(xué)期的課程。當(dāng)前，在該課程教學(xué)過程中存在一些問題，已經(jīng)引起廣泛關(guān)注：首先，多數(shù)教學(xué)內(nèi)容是計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)的濃縮，缺乏主線，顯得多而雜；其次，實(shí)踐環(huán)節(jié)側(cè)重軟件工具使用，由于不少學(xué)生在高中階段已經(jīng)掌握這些工具的使用，導(dǎo)致其失去對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。不少專業(yè)教師和教育管理者已經(jīng)針對(duì)課程教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了有益探索與實(shí)踐，例如，面向多類專業(yè)不同計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的學(xué)生，組織了分類教學(xué)，收到一定效果，但沒有從根本上改變課程現(xiàn)狀。而以計(jì)算思維教育與訓(xùn)練為核心實(shí)施大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的改革與創(chuàng)新，能從根本上改變?cè)撜n程的現(xiàn)狀，并有效提升教學(xué)質(zhì)量與效果。

2.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)過程體現(xiàn)計(jì)算思維培養(yǎng)

2.1亟待解決的問題

課程的改革目標(biāo)是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)核心知識(shí)和掌握應(yīng)用工具的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)運(yùn)用高效的思維去思考，將無(wú)意識(shí)的計(jì)算思維教學(xué)理念提升到有意識(shí)、系統(tǒng)性的計(jì)算思維教學(xué)。力求從根本上扭轉(zhuǎn)目前大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程所面臨的教學(xué)困境。針對(duì)以上目標(biāo)，需要以計(jì)算思維為核心重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，并通過合適的教學(xué)實(shí)踐手段和方法使得這些重構(gòu)的內(nèi)容能夠被學(xué)生接受和理解。通過分析，提煉出要解決的具體問題如下：

1）在有限課時(shí)內(nèi)需要培養(yǎng)學(xué)生哪些具體計(jì)算思維要素。

我們的目標(biāo)是傳授給學(xué)生基本的計(jì)算機(jī)核心知識(shí)，但是計(jì)算機(jī)科學(xué)作為一門學(xué)科包含了復(fù)雜的知識(shí)體系，并在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新，需要確定哪些知識(shí)點(diǎn)能夠被定義為該課程教授的核心內(nèi)容。

2）如何在學(xué)生尚未掌握任何一門編程語(yǔ)言的情況下實(shí)踐所學(xué)計(jì)算思維內(nèi)容。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程所面臨的是大學(xué)一年級(jí)學(xué)生，除個(gè)別學(xué)生在入校之前有過編程經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生普遍沒有編程基礎(chǔ)。如何在缺乏編程實(shí)踐的前提下讓學(xué)生掌握計(jì)算思維是決定最終教學(xué)效果的關(guān)鍵問題。

3）面向不同基礎(chǔ)和專業(yè)的學(xué)生如何體現(xiàn)不同的計(jì)算思維的教育和訓(xùn)練內(nèi)容。

2.2分類教學(xué)、專業(yè)融合的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

西北工業(yè)大學(xué)是一所以發(fā)展航空、航天、航海工程教育和科學(xué)研究為特色，以工、理為主，管、文、經(jīng)、法協(xié)調(diào)發(fā)展的研究型、多學(xué)科性和開放式大學(xué)。不同專業(yè)對(duì)學(xué)生的計(jì)算機(jī)知識(shí)的要求不同，存在較大差異。相同專業(yè)學(xué)生之間的計(jì)算機(jī)知識(shí)也有較大差距，在這種情況下采用分類教學(xué)是必要的。例如在程序設(shè)計(jì)課程中按照文、理科進(jìn)行分類實(shí)踐教學(xué)，取得了良好的成效，積累了經(jīng)驗(yàn)，但是在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中尚未實(shí)施。此次以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上除按照文、理分類外，還考慮到特殊方向和專業(yè)學(xué)生群體的較高計(jì)算機(jī)教育的需求，將教學(xué)內(nèi)容分為4個(gè)方向：（1）面向理工類專業(yè)學(xué)生；（2）面向文管類專業(yè)學(xué)生；（3）面向國(guó)際班學(xué)生全英文計(jì)算機(jī)教學(xué)；（4）面向教育實(shí)驗(yàn)學(xué)院卓越班。

西北工業(yè)大學(xué)作為理工科重點(diǎn)院校，大多數(shù)學(xué)生都?xì)w類于方向（1），以2013年數(shù)據(jù)為例，方向（1）約占62%，方向（2）約占17%，方向（3）約占4%，方向（4）約占17%。在確定每個(gè)方向?qū)W生教學(xué)內(nèi)容時(shí)，遵循“兩個(gè)融合”的原則，將計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育與計(jì)算思維培養(yǎng)融合，構(gòu)建以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為主線的非計(jì)算機(jī)專業(yè)通識(shí)教育；將計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)與學(xué)生的專業(yè)技術(shù)融合，在進(jìn)行計(jì)算機(jī)思維培養(yǎng)教學(xué)內(nèi)容選擇時(shí)，注重計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)與學(xué)生專業(yè)方向的融合度?！皟蓚€(gè)融合”的具體內(nèi)容包括：

（1）計(jì)算思維培養(yǎng)融合，是指將計(jì)算機(jī)科學(xué)中最具有基礎(chǔ)性和長(zhǎng)期性的計(jì)算思想教授給學(xué)生，側(cè)重使非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生能夠領(lǐng)略計(jì)算的核心方法，學(xué)會(huì)如何把問題轉(zhuǎn)化成能夠用計(jì)算機(jī)解決的形式，培養(yǎng)學(xué)生從本質(zhì)和全局來(lái)建立解決問題的思路，為其今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算技術(shù)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）專業(yè)技術(shù)融合，是指根據(jù)學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)和需求，在計(jì)算思維培養(yǎng)融合的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)選擇課程內(nèi)容，形成可定制教學(xué)模塊，實(shí)施分類分層教學(xué)。

“兩個(gè)融合”原則體現(xiàn)了具有鮮明特色的非計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)方案，形成了縱向分類、橫向分層的教學(xué)內(nèi)容。每個(gè)方向內(nèi)容由基本理論知識(shí)層、計(jì)算思維融合層、專業(yè)融合層組成。以面向理工類專業(yè)學(xué)生的方向（1）為例說明各層的含義，如圖1所示。

1）基本理論知識(shí)層。

該層屬于計(jì)算機(jī)基本知識(shí)內(nèi)容，包括基本概念和基本計(jì)算思維模塊，在介紹計(jì)算機(jī)軟、硬件的歷史和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)過程中貫徹計(jì)算機(jī)基本知識(shí)，包括二進(jìn)制、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)、圖靈機(jī)、計(jì)算復(fù)雜性等計(jì)算機(jī)重要基礎(chǔ)概念等。這部分內(nèi)容比較近似于之前課程中計(jì)算機(jī)基本知識(shí)部分，但我們?cè)诮虒W(xué)改革中對(duì)其內(nèi)容重新組織，從計(jì)算機(jī)重要的“分層”和“抽象”概念出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)這部分知識(shí)，力圖讓學(xué)生領(lǐng)略到這些技術(shù)背后的基本計(jì)算思維內(nèi)涵。通過學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史，讓學(xué)生對(duì)整個(gè)計(jì)算科學(xué)發(fā)展有全局了解。endprint

2）計(jì)算思維層。

包括問題求解方法和算法模塊，學(xué)生在學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)重要基礎(chǔ)知識(shí)后，開始深入學(xué)習(xí)計(jì)算系統(tǒng)底層具體思維和運(yùn)行機(jī)制。這部分從系統(tǒng)和算法角度讓學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)解決問題的方法，包括求解框架、典型案例的計(jì)算算法、具體思維過程和實(shí)現(xiàn)方法等，讓學(xué)生在計(jì)算思維較高層次討論計(jì)算機(jī)學(xué)科的根本問題和思維方式，深入了解計(jì)算機(jī)的工作和運(yùn)行機(jī)理。這一部分內(nèi)容體現(xiàn)了本課程的計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)。

3）專業(yè)融合層。

最高層的專業(yè)融合層完成融合專業(yè)知識(shí)、提升學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)中應(yīng)用計(jì)算思維的能力的任務(wù)。該部分從數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算角度，讓學(xué)生領(lǐng)略到計(jì)算機(jī)目前最廣泛的應(yīng)用模式，從而在自己的專業(yè)領(lǐng)域加以運(yùn)用。這部分模塊屬于變化較大的模塊，目前仍然需要開發(fā)和擴(kuò)充大量與其他專業(yè)更為緊密相關(guān)的案例和應(yīng)用模式。

按照?qǐng)D1所示，不同類別學(xué)生在基本理論知識(shí)層內(nèi)容是相同的，在第2層上，教育實(shí)驗(yàn)學(xué)院學(xué)生所學(xué)的算法和系統(tǒng)內(nèi)容更為深化和多樣，實(shí)現(xiàn)了差異化教學(xué)。在專業(yè)融合層，為理工類和文管類不同專業(yè)特色的學(xué)生設(shè)計(jì)了不同模塊內(nèi)容。理工類學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，而文管類學(xué)生側(cè)重學(xué)習(xí)用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)和利用計(jì)算知識(shí)研究社會(huì)關(guān)系等。

2.3兩階段培養(yǎng)、可視化計(jì)算思維實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

一直以來(lái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是理論教學(xué)的輔助，和理論教學(xué)在章節(jié)內(nèi)容上是對(duì)應(yīng)的。但在我們的教學(xué)改革中將實(shí)驗(yàn)課程和理論課程定位為“互補(bǔ)關(guān)系”，實(shí)驗(yàn)課程具有相對(duì)獨(dú)立性，在內(nèi)容中體現(xiàn)“兩階段培養(yǎng)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。第一階段實(shí)驗(yàn)為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)踐，包括Windows的使用、常用工具軟件的使用、常見網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等。此階段目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)基本操作技能和常用工具軟件的掌握；第二階段實(shí)驗(yàn)是關(guān)于計(jì)算思維的實(shí)驗(yàn)。這部分內(nèi)容要求學(xué)生依據(jù)具體應(yīng)用問題設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)典型算法。兩階段培養(yǎng)中的第一階段目標(biāo)就是要學(xué)生熟練掌握工作和學(xué)習(xí)中常用的工具類軟件，為以后的學(xué)習(xí)和科研打下基礎(chǔ)。

針對(duì)在本文2.1節(jié)中提出的第2個(gè)問題，即此階段的學(xué)生尚未具備程序設(shè)計(jì)的基本知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為，采用可視化編程工具是解決這一問題的有效方法?？梢暬幊坦ぞ咧С挚梢暬╒isual）程序設(shè)計(jì)，主要是讓程序設(shè)計(jì)人員利用軟件本身所提供的控件，構(gòu)造應(yīng)用程序的各種界面，可視化編程技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今軟件開發(fā)的重要工具和手段。

為此，我們?cè)谡n程實(shí)驗(yàn)改革中引入可視化編程工具Raptor，使得尚未具備編程基礎(chǔ)的大一學(xué)生能夠?qū)嵤┧惴▽?shí)踐和驗(yàn)證。Raptor是一種可視化的程序設(shè)計(jì)環(huán)境，其將程序設(shè)計(jì)中的要素以圖形符號(hào)的方式展現(xiàn)，使得學(xué)生在不具備編程知識(shí)的基礎(chǔ)上可以實(shí)踐計(jì)算機(jī)中算法類問題。目前，它已經(jīng)在卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)等世界22個(gè)以上的國(guó)家和地區(qū)的高等院校中使用。

在實(shí)驗(yàn)課程中設(shè)計(jì)了4個(gè)學(xué)時(shí)講解Raptor工具并要求每個(gè)學(xué)生至少課堂完成8個(gè)基本算法實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在實(shí)驗(yàn)課之外，要求學(xué)生用Raptor完成算法類大作業(yè)并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以綜合訓(xùn)練學(xué)生解決算法類問題的能力。教學(xué)過程和最后的調(diào)查結(jié)果表明，引入算法類可視化工具有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得良好效果。

3.改革實(shí)踐和總結(jié)

在2013-2014學(xué)年，我們將改革后的教學(xué)內(nèi)容對(duì)部分理工類班級(jí)開展了試點(diǎn)教學(xué)，試點(diǎn)專業(yè)涉及材料、自動(dòng)化、電子信息專業(yè)等，在課程末期分別針對(duì)任課教師和學(xué)生做了教學(xué)效果調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明教學(xué)效果基本達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。

教師普遍感受為所帶課程的難度和以往課程內(nèi)容相比備課較難，但課堂氛圍較好，內(nèi)容受到學(xué)生關(guān)注，尤其實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)引入了Raptor可視化程序設(shè)計(jì)工具，課堂氛圍活躍，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性較以往有大幅提高。

部分學(xué)生調(diào)查結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2是學(xué)生對(duì)計(jì)算思維認(rèn)識(shí)的調(diào)查結(jié)果，顯示出大多數(shù)學(xué)生（達(dá)到60%以上）理解了計(jì)算思維的概念，認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要性，不僅僅只是學(xué)習(xí)工具應(yīng)用，而是對(duì)今后理解和掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)奠定基礎(chǔ)，從無(wú)意識(shí)地應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問題到有意識(shí)地培養(yǎng)自己的計(jì)算思維思想。圖3為調(diào)查學(xué)生認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容中哪部分收獲最大，19%的學(xué)生認(rèn)為計(jì)算思維有最大收獲，居第二位置，說明這部分的學(xué)習(xí)為培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)新能力打下了良好的基礎(chǔ)。

4.結(jié)語(yǔ)

通過教學(xué)改革，對(duì)比教師和學(xué)生的調(diào)查結(jié)果以及結(jié)合其他調(diào)查結(jié)果分析，我們總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)與不足。首先，計(jì)算思維是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要方面，這在大學(xué)生全面素質(zhì)教育和能力培養(yǎng)中承擔(dān)著重要職責(zé)，教學(xué)過程和調(diào)查反饋顯示出課程改革的必要性和方向是正確的，受到了大多數(shù)教師和學(xué)生的認(rèn)可；其次，該課程改革具有適應(yīng)和完善過程，從事該課程教學(xué)的教師需要不斷地深化對(duì)計(jì)算思維的理解以及對(duì)典型案例的合理選擇，并且要解決在課時(shí)少的情況下，如何有效組織教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)兼顧內(nèi)容的廣度和深度；最后，本次教改中出現(xiàn)的不足之處表明，今后的工作還需要繼續(xù)推動(dòng)基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教材建設(shè)，進(jìn)一步探索計(jì)算思維的培養(yǎng)方式。endprint