以計(jì)算思維為切入點(diǎn)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程聯(lián)動(dòng)改革與實(shí)踐

龔沛曾+楊志強(qiáng)+朱君波+高枚

摘 要：如何有效地在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中貫徹以計(jì)算思維為切入點(diǎn)的教學(xué)改革，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革研究的內(nèi)容之一。本文提出了計(jì)算思維的三個(gè)層次和課程體系的關(guān)系，并實(shí)施了兩門基礎(chǔ)課程聯(lián)動(dòng)改革，更新課程內(nèi)容體系，精選案例和實(shí)驗(yàn)方案，增加了“專題”模塊，采用多元化教學(xué)模式，使得計(jì)算思維教學(xué)改革有效落地，培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維能力和解決問(wèn)題的能力。

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

計(jì)算技術(shù)的發(fā)展日新月異，已經(jīng)滲透各個(gè)學(xué)科，創(chuàng)新人才的培養(yǎng)對(duì)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育提出了更高的要求。但隨著教學(xué)改革的深入，顯現(xiàn)出共性問(wèn)題：高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的第一門課程主要教學(xué)內(nèi)容是計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)的一個(gè)“壓縮餅干”，樣樣多講，但沒(méi)有突出主題思想;在實(shí)踐環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)了工具的使用，導(dǎo)致了“狹義工具論”的說(shuō)法，使很多人認(rèn)為教計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)就是教些計(jì)算機(jī)工具及其使用方法。

為了改變現(xiàn)狀，2010年教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任陳國(guó)良院士根據(jù)國(guó)外計(jì)算機(jī)教育的研究成果，提出了將計(jì)算思維引入大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的創(chuàng)議，這對(duì)于培養(yǎng)具有創(chuàng)新復(fù)合型人才具有著重要的戰(zhàn)略意義。計(jì)算思維得到了國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育界的廣泛重視，教育部高教司為此設(shè)立了專項(xiàng)課題，開展了各有重點(diǎn)、特色的教學(xué)研究和實(shí)踐。

一、提出計(jì)算思維三個(gè)層次培養(yǎng)目標(biāo)和修訂相應(yīng)課程體系

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。

通過(guò)深入學(xué)習(xí)、研究、分析，我們提出了計(jì)算思維由意識(shí)、方法和能力三個(gè)層次的內(nèi)容組成，并確定了相對(duì)應(yīng)的計(jì)算思維三個(gè)層次培養(yǎng)目標(biāo)，最后修訂了相應(yīng)課程體系。

1.計(jì)算思維三層次培養(yǎng)目標(biāo)

（1）計(jì)算思維意識(shí)。計(jì)算思維并不是一種新的發(fā)明，而是早已存在的思維活動(dòng)，是每一個(gè)人都具有的一種技能。在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程中，計(jì)算思維的案例也是處處存在。問(wèn)題是人們的計(jì)算思維活動(dòng)是無(wú)意識(shí)的，關(guān)鍵是要將無(wú)意識(shí)的計(jì)算思維變成有意識(shí)的計(jì)算思維，主動(dòng)地用計(jì)算思維去思考問(wèn)題。

（2）計(jì)算思維方法。計(jì)算思維方法是計(jì)算思維的核心。計(jì)算思維方法很多，主要有兩大類：一類是來(lái)自數(shù)學(xué)和工程的方法，另一類是計(jì)算機(jī)科學(xué)獨(dú)有的方法。在程序設(shè)計(jì)課程中，各種常用算法以及各類問(wèn)題的求解方法，如迭代法、遞歸法等，都是典型的計(jì)算思維方法。

（3）計(jì)算思維能力。計(jì)算思維的根本目的是解決問(wèn)題，即問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解。從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，解決問(wèn)題就是計(jì)算機(jī)的應(yīng)用問(wèn)題。培養(yǎng)計(jì)算思維能力需要有一系列應(yīng)用課程的支撐和拓展，如數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用、多媒體技術(shù)與應(yīng)用等課程。這些課程引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算思維解決各種專業(yè)的問(wèn)題。

2.修訂課程體系

根據(jù)計(jì)算思維的內(nèi)涵，計(jì)算思維的培養(yǎng)不是靠1門課程能夠解決的，而是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，各門課程應(yīng)該統(tǒng)籌考慮、聯(lián)動(dòng)改革。將計(jì)算思維的三層次內(nèi)容分別賦予原有的“2+X”課程體系，即計(jì)算思維意識(shí)由大學(xué)計(jì)算機(jī)課程培養(yǎng)，計(jì)算思維方法由程序設(shè)計(jì)課程培養(yǎng)，計(jì)算思維能力由“X”課程培養(yǎng)。為此，調(diào)整各層次課程的培養(yǎng)，如圖1所示。

二、統(tǒng)籌規(guī)劃、聯(lián)動(dòng)改革，確立新課程內(nèi)容體系

如何有效地在第一門課程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維意識(shí)？講述相關(guān)概念、算法思想，對(duì)于新生來(lái)說(shuō)是比較困難;而在程序設(shè)計(jì)課程中2學(xué)時(shí)的教學(xué)也很難把計(jì)算思維中的經(jīng)典算法講清楚。為此我們率先提出了將兩門課程聯(lián)動(dòng)改革的思路，并于2012年起實(shí)施。

1.“大學(xué)計(jì)算機(jī)”課程內(nèi)容體系

對(duì)“大學(xué)計(jì)算機(jī)”課程的原有內(nèi)容進(jìn)行梳理、優(yōu)化、提升，在不弱化原基本知識(shí)、實(shí)踐能力的培養(yǎng)基礎(chǔ)上，騰出6周時(shí)間，開展計(jì)算思維基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)和算法初步的教學(xué)，促進(jìn)對(duì)基本計(jì)算思想方法的理解，如圖2所示。

新編的《大學(xué)計(jì)算機(jī)（第6版）》教材構(gòu)建了以信息處理為主線的知識(shí)體系，包括信息的表示、存儲(chǔ)與組織、計(jì)算處理和展示等各環(huán)節(jié);增加了計(jì)算思維概念、算法和程序設(shè)計(jì)初步內(nèi)容，在計(jì)算思維概念中突出計(jì)算、抽象、自動(dòng)化等方面的概念與方法，通過(guò)引導(dǎo)性案例使之通俗易懂;程序設(shè)計(jì)初步以“基本知識(shí)”+“控制結(jié)構(gòu)”為主體，同時(shí)加強(qiáng)算法流程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的思想和方法。

2.“程序設(shè)計(jì)”課程內(nèi)容體系

“程序設(shè)計(jì)”課程在程序設(shè)計(jì)初步內(nèi)容前置到“大學(xué)計(jì)算機(jī)”課程中后，騰出了6周時(shí)間，根據(jù)不同類別的程序設(shè)計(jì)科目，以“專題”形式增加各具特色的擴(kuò)展內(nèi)容，如遞歸函數(shù)、問(wèn)題求解方法、文件系統(tǒng)和鏈表、圖形應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)、簡(jiǎn)單Web應(yīng)用程序等，如圖3所示。

遞歸是計(jì)算思維經(jīng)典方法的精髓，因此增加了“遞歸”專題。通過(guò)教學(xué)方法改革，讓學(xué)生理解了遞歸的核心思想是將大問(wèn)題分解成同質(zhì)小問(wèn)題即分而治之，關(guān)鍵是掌握如何將求解的問(wèn)題抽象出遞歸模式，遞歸算法的實(shí)現(xiàn)就迎刃而解了，體現(xiàn)了計(jì)算思維的本質(zhì)“抽象”和“自動(dòng)化”。通過(guò)將傳統(tǒng)用迭代解決的問(wèn)題或經(jīng)典問(wèn)題用遞歸來(lái)實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，使得學(xué)生深刻地體會(huì)到遞歸解決問(wèn)題的魅力，進(jìn)一步理解計(jì)算思維的內(nèi)涵。

在“C/C++程序設(shè)計(jì)”中通過(guò)“問(wèn)題求解方法”和“文件管理系統(tǒng)和鏈表”專題教學(xué)，不但將C語(yǔ)言的各重要知識(shí)點(diǎn)串起來(lái)綜合應(yīng)用，更重要的是通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)用計(jì)算思維的思想解決問(wèn)題，使學(xué)生不局限于用某個(gè)知識(shí)點(diǎn)解決簡(jiǎn)單問(wèn)題，而是具備對(duì)復(fù)雜問(wèn)題自頂向下進(jìn)行全局把握的能力。

在“VB.NET程序設(shè)計(jì)”和“C#程序設(shè)計(jì)”課程中增加了對(duì)與專業(yè)相結(jié)合的“圖形編程”、數(shù)據(jù)處理核心的“數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)”和當(dāng)前流行的“簡(jiǎn)單Web應(yīng)用程序”等專題，很好調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，啟迪了計(jì)算思維的潛能，拓展了解決實(shí)際問(wèn)題的思路和能力。

這一聯(lián)動(dòng)改革方案從2012年開始試點(diǎn)，2013年全面實(shí)施，既有效解決了計(jì)算思維教學(xué)落地的問(wèn)題，又使得程序設(shè)計(jì)基本功的訓(xùn)練更為扎實(shí)。endprint

三、探索多元化教學(xué)模式，開展MOOC實(shí)踐，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

為了解決教學(xué)內(nèi)容更新與教學(xué)學(xué)時(shí)壓縮之間的矛盾，必須提高教學(xué)實(shí)效，探索多元化教學(xué)模式。

1.將知識(shí)教學(xué)升華為思想和方法的教學(xué)改革

在教學(xué)過(guò)程中，注重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維去思考和解決問(wèn)題的能力，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)改革。精選教學(xué)案例，實(shí)施以“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題-分析問(wèn)題-尋求多種解決方案-比較各種方案的優(yōu)劣”的問(wèn)題求解驅(qū)動(dòng)式的方法進(jìn)行教學(xué)，盡可能逼近解決實(shí)際問(wèn)題的模式，引導(dǎo)和訓(xùn)練學(xué)生以正確的思維方式思考問(wèn)題、解決問(wèn)題。

（2）將程序設(shè)計(jì)的語(yǔ)言與問(wèn)題求解的過(guò)程分開。先講解決問(wèn)題的思路、實(shí)現(xiàn)的算法描述，學(xué)生理解了算法的基本思想后，再引入程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)這一算法，編寫代碼并調(diào)試執(zhí)行。這一方法加強(qiáng)和促進(jìn)了算法的構(gòu)建，訓(xùn)練了學(xué)生的程序設(shè)計(jì)水平，從而簡(jiǎn)化了對(duì)程序語(yǔ)言的復(fù)雜性的理解。

2.探索和實(shí)施MOOC教學(xué)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

隨著2013年開始執(zhí)行新的教學(xué)計(jì)劃，學(xué)時(shí)由原來(lái)的周學(xué)時(shí)“2（上課）+2（上機(jī)）”減少為“2+1”，如何保證教學(xué)質(zhì)量和以計(jì)算思維為切入點(diǎn)的教學(xué)改革的深入？MOOC教學(xué)是很好解決的途徑。

2012年起我們分別在“中國(guó)大學(xué)MOOC” “上海課程中心”等平臺(tái)建設(shè)了“大學(xué)計(jì)算機(jī)”和“VB.NET程序設(shè)計(jì)”MOOC和SPOC課程，已在多個(gè)學(xué)院的兩屆學(xué)生中進(jìn)行試點(diǎn)。采取的措施為：

（1）采取“三不變”和“三變”?！叭蛔儭睘閷?shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求不變、提交形式和時(shí)間要求不變;面向過(guò)程考核方式不變，包括期中、期末考核;平時(shí)答疑不變?！叭儭笔钦n堂教學(xué)從每周一次變成每?jī)芍芤淮?將MOOC平臺(tái)成績(jī)作為平時(shí)成績(jī)一部分;增加了線上答疑和討論。

（2）抓住MOOC教學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂和碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)。翻轉(zhuǎn)課堂的理想形式是線上學(xué)習(xí)、線下討論，但是基礎(chǔ)課班級(jí)較大，難以做到，目前的課堂教學(xué)是講解重點(diǎn)、難點(diǎn)、常見錯(cuò)誤、典型問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)是關(guān)鍵。特別是程序設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)要求、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)管理更顯重要，是確保MOOC教學(xué)質(zhì)量很重要的環(huán)節(jié)。

需要監(jiān)督、了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況。這是MOOC不足的，現(xiàn)在正在改進(jìn)。

（3）采取MOOC教學(xué)后學(xué)生的反饋。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)參加MOOC教學(xué)模式的近600名學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)效果調(diào)查，統(tǒng)計(jì)如下：

①比傳統(tǒng)課堂好，時(shí)間自由，效率增強(qiáng)，57%的學(xué)生選擇;

②不如傳統(tǒng)課堂直接監(jiān)督，逐步推進(jìn)，27%的學(xué)生選擇;

③差不多，16%的學(xué)生選擇。

說(shuō)明大部分學(xué)生歡迎MOOC教學(xué)模式，可促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

四、多管齊下強(qiáng)化實(shí)踐能力培養(yǎng)

我校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程歷來(lái)重視實(shí)踐能力培養(yǎng)，從實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理再到考核方式的導(dǎo)向等多方面入手，主要措施如下：

（1）設(shè)計(jì)兩門課程聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)方案，精選實(shí)驗(yàn)案例;強(qiáng)調(diào)解決問(wèn)題的思路，訓(xùn)練計(jì)算思維方法。

（2）強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)管理，實(shí)現(xiàn)“三定”舉措。實(shí)驗(yàn)課采用了限定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、固定機(jī)位、限時(shí)提交的過(guò)程化管理方式，保證了出勤率和效果。

（3）強(qiáng)調(diào)面向過(guò)程的考核。以考促練、重在平時(shí)，進(jìn)一步加大了對(duì)學(xué)生編寫、調(diào)試程序能力的考核，如圖4所示。

經(jīng)過(guò)三年的以計(jì)算思維為導(dǎo)向的兩門課聯(lián)動(dòng)改革，明確了計(jì)算思維培養(yǎng)的目標(biāo)和途徑，培養(yǎng)了學(xué)生計(jì)算思維意識(shí)、訓(xùn)練了計(jì)算思維方法，提升了計(jì)算思維能力，成效明顯。

（1）我校學(xué)生參加上海市計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)科目（C、VB.NET、C#）等級(jí)考試成績(jī)名列前茅。

（2）2015年在教指委組織的“大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)成效評(píng)測(cè)”中，評(píng)測(cè)成績(jī)居參試高校前列。

（3）為學(xué)生后繼“X”門計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程的學(xué)習(xí)打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)，計(jì)算思維方法和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力得到提升，參加上海市及全國(guó)計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)大賽，取得豐碩成果。

（4）兩門課聯(lián)動(dòng)舉措對(duì)以計(jì)算思維為導(dǎo)向的教學(xué)改革有著很好的示范效應(yīng)，在多所學(xué)校得到了推廣。

[責(zé)任編輯：余大品]endprint