計(jì)算思維與農(nóng)林院?！按髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”教學(xué)改革

晁曉菲+楊沛+陳勇+孫健敏

摘要：本文提出了農(nóng)林院?；谟?jì)算思維的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革方案，并從計(jì)算機(jī)文化氛圍的創(chuàng)建、課程教學(xué)方案設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)改革三個(gè)方面進(jìn)行了深入的探討。該方案能夠很好地銜接能力培養(yǎng)和計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)系，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維的能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ)。

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；農(nóng)業(yè)院校

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1674-9324（2015）16-0115-03

一、引言

“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”是大學(xué)第一門(mén)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，陳國(guó)良院士指出該課程是計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵[1]。計(jì)算思維能力是培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的重要組成部分。2010年7月教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“教指委”）發(fā)布了《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，討論了如何在新形勢(shì)下提高計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的質(zhì)量，增強(qiáng)大學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，旗幟鮮明地把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[2]。計(jì)算思維在“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”教學(xué)中培養(yǎng)的教學(xué)改革迫在眉睫。

二、計(jì)算思維及其在農(nóng)林院校的應(yīng)用現(xiàn)狀

計(jì)算思維是當(dāng)前國(guó)際上一個(gè)頗受關(guān)注的涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)本質(zhì)問(wèn)題和未來(lái)走向的基礎(chǔ)性概念。2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授提出計(jì)算思維的概念并給出了詳細(xì)的定義[3]，計(jì)算思維提出了面向問(wèn)題解決的系列觀點(diǎn)和方法，這些觀點(diǎn)和方法有助于人們更加深刻地理解計(jì)算的本質(zhì)和計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的核心思想?！按髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”是計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)鍵。教指委對(duì)“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”教學(xué)能力培養(yǎng)目標(biāo)[4]中最主要的兩個(gè)學(xué)科專業(yè)能力是對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)識(shí)能力和應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的能力，這兩個(gè)方面的能力恰好反映了計(jì)算思維的兩個(gè)核心要素：計(jì)算環(huán)境和問(wèn)題求解。由此可見(jiàn)，作為農(nóng)林院校學(xué)生第一門(mén)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)性課程，“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”教學(xué)的核心任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維，培養(yǎng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)解決問(wèn)題時(shí)應(yīng)具備的一種科學(xué)的思維方式，并具備將這種思維運(yùn)用到解決專業(yè)問(wèn)題的實(shí)踐中，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。農(nóng)林院校“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”教學(xué)中對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

1.計(jì)算思維培養(yǎng)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。大部分農(nóng)林院校的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程中對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)是各任課教師潛移默化進(jìn)行的，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)效果也不太理想。

2.注重技術(shù)與應(yīng)用的教學(xué)，忽視了“思想的教學(xué)”。教師錯(cuò)誤地認(rèn)為講思維等同于講理論，理論不實(shí)用還不如講操作，操作才實(shí)用。教學(xué)中缺乏計(jì)算思維先進(jìn)理念的指導(dǎo)，容易讓學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生“狹義工具論”的認(rèn)識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程滿足于掌握計(jì)算機(jī)的基本操作、基本軟件的使用等，教學(xué)效果不夠理想。

3.沒(méi)有從戰(zhàn)略高度認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維培養(yǎng)對(duì)高素質(zhì)人才培養(yǎng)的重要性。由于之前對(duì)計(jì)算思維認(rèn)識(shí)的不夠，人們經(jīng)常將計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力相混淆，沒(méi)有意識(shí)到計(jì)算思維已經(jīng)和理論思維、實(shí)驗(yàn)思維一起構(gòu)成了三大科學(xué)思維；沒(méi)有認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維能力培養(yǎng)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性；沒(méi)有認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科發(fā)展所帶來(lái)的巨大推動(dòng)力。

因此“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”中進(jìn)行計(jì)算思維的教學(xué)需要從教學(xué)理念上做改變，也急需形成一套標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行方案。

三、農(nóng)林院校計(jì)算思維教學(xué)方案與實(shí)施

教指委《關(guān)于申報(bào)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目的通知》中對(duì)“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”教學(xué)的總體目標(biāo)要求是“普及計(jì)算機(jī)文化，培養(yǎng)專業(yè)應(yīng)用能力，訓(xùn)練計(jì)算思維能力”。構(gòu)建基于計(jì)算思維的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革要從教學(xué)理念轉(zhuǎn)變，并從以下三個(gè)方面著手。

（一）構(gòu)建計(jì)算機(jī)文化氛圍

構(gòu)建計(jì)算機(jī)文化教學(xué)平臺(tái)從以下三個(gè)方面進(jìn)行：一是計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展展廳，包括計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的歷史，硬件設(shè)備的認(rèn)知，計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展歷史的電子資料，從圖靈機(jī)的到現(xiàn)代馮·諾依曼計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程的認(rèn)知；二是計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建，從工具類(lèi)軟件的使用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)環(huán)境的搭建，全方位體現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容；三是構(gòu)建豐富的課程資源，提供豐富課外學(xué)習(xí)資料、學(xué)習(xí)素材、電子學(xué)習(xí)資源、應(yīng)用拓展案例、操作教學(xué)視頻等教學(xué)資源，供實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生課外學(xué)習(xí)。利用計(jì)算機(jī)文化教學(xué)平臺(tái)讓學(xué)生充分感受計(jì)算科學(xué)對(duì)社會(huì)歷史發(fā)展所帶來(lái)的巨大推動(dòng)力，使學(xué)生對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣。

（二）轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，實(shí)施計(jì)算思維為導(dǎo)向的課程教學(xué)方案設(shè)計(jì)

要轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，將計(jì)算思維培養(yǎng)提高到戰(zhàn)略高度，將其作為課程培養(yǎng)的核心目標(biāo)寫(xiě)入培養(yǎng)方案中；把教師對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)從無(wú)意識(shí)的、潛移默化的變?yōu)榉e極的、主動(dòng)的、有意識(shí)的。要從確立核心的教學(xué)內(nèi)容體系、融入計(jì)算思維的教學(xué)案例設(shè)計(jì)及教學(xué)方法與手段等方面的改革做起，為大量培養(yǎng)掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)思維方法的高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)新人才服務(wù)。

1.構(gòu)建以計(jì)算思維為導(dǎo)向的新課程內(nèi)容。根據(jù)本科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和任務(wù)，構(gòu)建滿足新形勢(shì)下以計(jì)算思維為導(dǎo)向的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容，以“技能—能力—思維”的三層培養(yǎng)目標(biāo)為核心，進(jìn)一步深化改革理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法和手段，圍繞創(chuàng)新人才培養(yǎng)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容及案例?！按髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程建設(shè)新方案如表一所示，理論部分主要分為三部分：計(jì)算思維基礎(chǔ)知識(shí)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，理論教學(xué)部分計(jì)劃課時(shí)24學(xué)時(shí)（其中，利用2個(gè)學(xué)時(shí)左右的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算思維基礎(chǔ)知識(shí)的簡(jiǎn)單介紹，此部分為在原有教學(xué)內(nèi)容之上新增加的；作為培養(yǎng)學(xué)生基本計(jì)算機(jī)操作技能的部分，利用4個(gè)課時(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)部分的講解；利用18個(gè)課時(shí)講解計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)部分）；教學(xué)實(shí)踐部分側(cè)重學(xué)生的計(jì)算機(jī)基本技能的訓(xùn)練和綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)，相應(yīng)的案例設(shè)計(jì)幫助學(xué)生體悟計(jì)算思維，教學(xué)實(shí)踐計(jì)劃課時(shí)24學(xué)時(shí)。

教學(xué)過(guò)程中需以計(jì)算思維為主線重新審視和定位各部分教學(xué)內(nèi)容，首先，保證基礎(chǔ)技能與能力的培養(yǎng)，根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力培養(yǎng)的要求對(duì)基礎(chǔ)部分的內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉艉驮鰟h；其次，在能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行思維能力的培養(yǎng)，這部分的教學(xué)內(nèi)容圍繞知識(shí)點(diǎn)所體現(xiàn)的計(jì)算思維來(lái)進(jìn)行講解；最后，通過(guò)設(shè)置綜合實(shí)例幫助學(xué)生體悟計(jì)算思維。endprint

2.合理設(shè)計(jì)教學(xué)案例及課后作業(yè)。設(shè)計(jì)教學(xué)案例時(shí)以應(yīng)用能力培養(yǎng)為基礎(chǔ)，根據(jù)內(nèi)容特點(diǎn)融入計(jì)算思維。例如在講解信息的表示與存儲(chǔ)時(shí)通過(guò)“數(shù)據(jù)的數(shù)字化方法—數(shù)字編碼（譯碼）—數(shù)據(jù)的處理—數(shù)據(jù)的傳輸—數(shù)據(jù)的顯示輸出”這樣的思維方式詳細(xì)介紹數(shù)據(jù)處理所運(yùn)用的知識(shí)點(diǎn)，重點(diǎn)體現(xiàn)抽象、轉(zhuǎn)化、冗余的概念，以便學(xué)生舉一反三，以同樣的思維方式去處理其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)；講解數(shù)據(jù)的組織與管理時(shí)，對(duì)各種常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)抽象與轉(zhuǎn)化的概念；而講解程序設(shè)計(jì)與算法部分時(shí)重點(diǎn)體現(xiàn)轉(zhuǎn)化、抽象、遞歸、算法、折中、約簡(jiǎn)、嵌入、簡(jiǎn)化、仿真等方法，把一個(gè)看起來(lái)困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)我們知道怎樣解決的問(wèn)題，問(wèn)題到算法即抽象的過(guò)程，算法到程序就是一個(gè)轉(zhuǎn)化的過(guò)程也是一個(gè)細(xì)化的過(guò)程，是抽象的反過(guò)程。

合理的課程作業(yè)設(shè)計(jì)可以讓學(xué)生對(duì)所學(xué)課程產(chǎn)生興趣，提高學(xué)生課后學(xué)習(xí)積極性，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行升華，體會(huì)計(jì)算思維帶來(lái)的愉悅。課后布置小作業(yè)及大作業(yè)，小作業(yè)可以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立分析并解決問(wèn)題的能力，而大作業(yè)則以小組合作的方式，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作及基本的科研素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)明和創(chuàng)新的能力及利用計(jì)算機(jī)解決專業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題及復(fù)雜、大型問(wèn)題時(shí)應(yīng)有的思維方式、表達(dá)形式和行為習(xí)慣。

3.教學(xué)方法與教學(xué)手段的改革。培養(yǎng)計(jì)算思維的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程改革必須以課程為基礎(chǔ)、知識(shí)為載體、結(jié)合教學(xué)方法和手段的改革，根據(jù)農(nóng)林院校辦學(xué)特色、人才質(zhì)量的要求，突出實(shí)踐及創(chuàng)新能力和思維能力的培養(yǎng)。

首先，加強(qiáng)教學(xué)方法改革，以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)教學(xué)的完整性和對(duì)思維的啟發(fā)性。“君子不器”：強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維的教學(xué)要更加強(qiáng)化學(xué)生的主體地位，學(xué)生不能像器具一樣，僅僅是一種被動(dòng)的存在，而應(yīng)具有個(gè)人的主動(dòng)性、能動(dòng)性和創(chuàng)造性，教學(xué)中遵循學(xué)生認(rèn)知思維的發(fā)展規(guī)律，以設(shè)問(wèn)法、情境發(fā)、激情法、研討法等方法來(lái)激發(fā)學(xué)生思維。“舉一反三”：通過(guò)知識(shí)的傳授，教會(huì)學(xué)生思維，發(fā)展其智能，鼓勵(lì)學(xué)生從積極跟著教師走，逐步過(guò)渡到自己去主動(dòng)鉆研、進(jìn)行獨(dú)立研究。例如“案例教學(xué)”，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)知識(shí)背后所蘊(yùn)含的計(jì)算思維規(guī)律和特點(diǎn)，使其利用計(jì)算思維分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力在學(xué)習(xí)中得到升華和提高?！叭缜腥绱琛保翰捎谩皩ｎ}研討”及“問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式”教學(xué)法，創(chuàng)造積極、激烈、競(jìng)賽式的學(xué)習(xí)氛圍，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、勇于開(kāi)拓的學(xué)習(xí)能力以及團(tuán)隊(duì)交流的基本能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生基本的科研素養(yǎng)。

其次，利用先進(jìn)的教學(xué)手段提高思維能力培養(yǎng)的效率。利用多媒體教學(xué)的靈活、多變、展示性強(qiáng)的特點(diǎn)充分展現(xiàn)所講內(nèi)容；制作豐富多彩的課程輔助教學(xué)資源，把枯燥的知識(shí)變活，幫助學(xué)生體悟計(jì)算思維；充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行教學(xué)資源建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)，全方位培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維同時(shí)提高教學(xué)效果。

（三）以計(jì)算思維為核心，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)為目標(biāo)，強(qiáng)化教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)

要打破傳統(tǒng)教學(xué)中將實(shí)驗(yàn)教學(xué)看成理論教學(xué)的附屬體和驗(yàn)證工具的錯(cuò)誤觀念，不能忽視了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)具有的探索和研究機(jī)制以及在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)造能力方面的職能[5]。因此必須重新審視和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在計(jì)算思維培養(yǎng)方面的地位。

“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)應(yīng)確定其相對(duì)獨(dú)立于理論教學(xué)的地位，采用“基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)保證計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，融入跨學(xué)科元素的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)新人才，綜合性試驗(yàn)體悟計(jì)算思維”的實(shí)施方案安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。保留必要的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，主要是對(duì)課堂講授內(nèi)容的驗(yàn)證和認(rèn)識(shí)類(lèi)的實(shí)驗(yàn)；作為在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)之上的擴(kuò)展，教師可按照學(xué)生所學(xué)專業(yè)設(shè)置融入跨學(xué)科元素的相關(guān)實(shí)驗(yàn)題目，為學(xué)生將來(lái)創(chuàng)新地解決專業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題打好基礎(chǔ)；綜合性實(shí)驗(yàn)的主要作用是對(duì)所學(xué)知識(shí)的提升，學(xué)生利用課堂所學(xué)知識(shí)并通過(guò)查找資料、團(tuán)隊(duì)合作、舉一反三的方式完成這些任務(wù)，提煉并展現(xiàn)隱藏在知識(shí)背后的計(jì)算思維的光芒，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)計(jì)算的愉悅和產(chǎn)生求知欲望，學(xué)生體會(huì)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)完成研究性工作的基本流程，培養(yǎng)學(xué)生的基本科研素養(yǎng)。

四、總結(jié)

計(jì)算思維已經(jīng)和理論思維、實(shí)驗(yàn)思維一起構(gòu)成了三大科學(xué)思維，在學(xué)生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面發(fā)揮著重要作用，將計(jì)算思維引入課程教學(xué)是“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程所面臨的挑戰(zhàn)，更是新的機(jī)遇。在課程教學(xué)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意銜接好能力培養(yǎng)和計(jì)算思維培養(yǎng)的關(guān)系，使學(xué)生增強(qiáng)運(yùn)用計(jì)算思維的能力，使計(jì)算思維成為當(dāng)代每位大學(xué)生都應(yīng)該具有的基本技能。

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