大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革與實踐

羅　敏, 劉幫濤, 尹德輝, 李敏軍

(瀘州醫(yī)學(xué)院　生物醫(yī)學(xué)工程系，四川 瀘州　646000)

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大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)改革與實踐

羅敏, 劉幫濤, 尹德輝, 李敏軍

(瀘州醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，四川 瀘州646000)

介紹了計算思維的概念、意義和重要性。針對瀘州醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系學(xué)生培養(yǎng)目標、特色和在大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)中存在的問題，提出了重視教學(xué)理念，增加設(shè)計型、綜合型實驗，分層教學(xué)和完善實驗效果評價體系、制度等一系列基于計算思維的實驗改革與創(chuàng)新方法。實現(xiàn)了建立、培養(yǎng)和應(yīng)用計算思維的一種新模式，更好地提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力。

計算思維；實驗教學(xué)；分層教學(xué)；教學(xué)改革

文獻[1]提出，計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，其本質(zhì)是抽象(abstraction)和自動化(automation)。抽象是通過簡化、轉(zhuǎn)換、遞歸、嵌入等方法，將一個復(fù)雜問題轉(zhuǎn)換成許多簡單的子問題并進行求解的過程，這是任何科學(xué)發(fā)現(xiàn)的必然過程；自動化是充分利用計算機運算能力來實現(xiàn)問題求解，以彌補人的計算缺陷，這將豐富計算機的應(yīng)用范圍[1]。因此計算思維是一種形式規(guī)整、問題求解和人機共存的思維。文獻[2]提出，計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念求解問題、并用最有效的辦法實現(xiàn)問題求解。文獻[3]提出，計算機科學(xué)界最具有基礎(chǔ)性和長期性的思想是計算思維。目前，計算思維的培養(yǎng)成為國際和國內(nèi)計算機教育界關(guān)注的熱點。在我國，2010年《九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》的核心要點也強調(diào)“需要把培養(yǎng)學(xué)生的‘計算思維’能力作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)”。而且從國家層面上講，大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育這門課程的定位就是基礎(chǔ)課程，也就是與數(shù)學(xué)、物理同地位的基礎(chǔ)課程[4]。既然它是基礎(chǔ)課程，課程的教學(xué)方法和教學(xué)理念就應(yīng)該像數(shù)學(xué)與物理一樣，將學(xué)科的基本理論、基本思維講給學(xué)生。計算和計算思維是計算機基礎(chǔ)課程的基本理論和基本思維，科學(xué)家已將計算思維和理論思維、實驗思維并列為人類三大科學(xué)思維[5]，為此，就應(yīng)該將計算思維的基本概念和基本理論講授給學(xué)生。因此，在大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育中強調(diào)和深化“計算思維”的培養(yǎng)，既有助于計算機基礎(chǔ)教育學(xué)科的健康、持續(xù)發(fā)展，又有助于國家戰(zhàn)略型人才的培養(yǎng)。

大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)是大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育的重要環(huán)節(jié)，是高等院校實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標的重要教學(xué)環(huán)節(jié), 是培養(yǎng)大學(xué)生計算思維能力的重要載體。大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)中灌輸計算思維，目的是培養(yǎng)學(xué)生像擁有閱讀、寫作和算術(shù)基本技能一樣擁有計算思維能力，并能自覺地應(yīng)用于日常的學(xué)習(xí)、研究與將來的工作中。如何調(diào)整傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容和改進傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法，以培養(yǎng)計算思維思想，以適應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)專業(yè)發(fā)展的需要；研究并探索一套針對醫(yī)學(xué)專業(yè)大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗的教學(xué)方法和體系，具有重要的理論意義和現(xiàn)實價值。

1　實驗教學(xué)存在的問題

瀘州醫(yī)學(xué)院所有本科專業(yè)在一年級第二期都開設(shè)了大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程，將其作為學(xué)生學(xué)習(xí)信息技術(shù)的基本課程。目的是培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，掌握使用計算機解決問題的能力，為今后的專業(yè)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。核心任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生運用計算機科學(xué)處理醫(yī)學(xué)等問題時應(yīng)具備的一種科學(xué)的思維方式，并能將這種思維有效地運用到處理醫(yī)學(xué)專業(yè)問題的實踐中。在我院大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)了以下4個方面問題。1)由于是非計算機專業(yè)，學(xué)生實驗?zāi)繕瞬幻鞔_，部分同學(xué)實驗興趣不大。2)雖立足于大學(xué)計算機基礎(chǔ)設(shè)計了許多實驗，遺憾的是內(nèi)容過于詳細而步驟過于完整，有很多內(nèi)容幾乎就是教材的翻版，仍然是重“教”而輕“導(dǎo)”，未能體現(xiàn)計算思維思想。3)大學(xué)的計算機基礎(chǔ)教育中計算機文化層次的教學(xué)內(nèi)容逐步下移到中小學(xué)。但由于各地區(qū)發(fā)展的不平衡，大學(xué)新生入學(xué)時所具備的計算機知識差異性很大。如果按照“大而統(tǒng)”教學(xué)，必定產(chǎn)生有的學(xué)生“吃不飽”，有的學(xué)生“受不了”的矛盾現(xiàn)象。導(dǎo)致基礎(chǔ)好的學(xué)生不愿學(xué)，基礎(chǔ)差的學(xué)生學(xué)不懂。4)忽視綜合提高訓(xùn)練，對學(xué)生分析問題和解決問題的能力訓(xùn)練不夠，未能實現(xiàn)計算思維的培養(yǎng)。因此 ，積極探索出在大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗的計算思維的培養(yǎng)途徑，全面展示計算機學(xué)科獨有的思維魅力已迫在眉睫。

2　基于計算思維的實驗教學(xué)改革方法

2.1樹立重視實驗教學(xué)的理念

2.2增大設(shè)計型、綜合型實驗的比例

在開設(shè)原有驗證性實驗、認識性實驗和感知性實驗的基礎(chǔ)上，緊扣教材和實驗大綱，聯(lián)系理論教學(xué)，增開課程內(nèi)容相互滲透的設(shè)計型、綜合型實驗，目的在于培養(yǎng)學(xué)生初步具備處理問題的綜合能力，借此了解運用計算思維處理問題的過程，如在實驗課上開設(shè)與醫(yī)學(xué)有關(guān)的綜合實驗。通過讓學(xué)生掌握數(shù)學(xué)軟件，如Matlab的基本知識和應(yīng)用，針對流行病學(xué)中的“傳染病模型”和“心臟血液交換模型”[6]等，利用軟件求解模型，得到模型的圖像表示等。使學(xué)生在實驗中很自然地將醫(yī)學(xué)課程的相關(guān)內(nèi)容融會貫通，從而提高他們的綜合應(yīng)用能力。為進一步培養(yǎng)和提升學(xué)生運用“計算思維”意識處理專業(yè)問題的創(chuàng)新綜合能力，可增設(shè)一些具有研究開發(fā)性質(zhì)的實驗，旨在通過實際操作提高實際處理問題的動手能力和初步的科研能力，培養(yǎng)敏銳的思維能力。這類實驗應(yīng)具有結(jié)果的不確定性、實現(xiàn)手段的多樣性及創(chuàng)新性等特點。實驗內(nèi)容的來源除由教師根據(jù)培養(yǎng)目標安排之外，也可由學(xué)生結(jié)合專業(yè)需求自行確定、設(shè)計并完成。通過培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力、科學(xué)研究能力和創(chuàng)新能力，進一步培養(yǎng)學(xué)生的計算思維思想。

2.3注重實驗分層教學(xué)

開課前，教師結(jié)合學(xué)生掌握計算機基礎(chǔ)知識的情況，根據(jù)不同層次分組，每小組指派一到兩名學(xué)習(xí)情況好、組織能力強的學(xué)生擔任組長，讓其負責(zé)該組的部分學(xué)習(xí)指導(dǎo)和管理。各個學(xué)習(xí)小組都必須首先完成一些基礎(chǔ)的、共同的題目，讓學(xué)習(xí)者模仿該類問題的求解方法，初步掌握計算思維方法。對層次不同的學(xué)習(xí)小組，在掌握基礎(chǔ)知識的前提下，教師再根據(jù)實際情況，分設(shè)不同的題目，學(xué)習(xí)小組的學(xué)生在完成必做題目后，根據(jù)各自的興趣愛好，選擇題目進行實踐。在實踐過程中遇到困難盡量組內(nèi)討論、研究，在組內(nèi)無法克服的情況下再由教師參與討論和指導(dǎo)。引導(dǎo)學(xué)習(xí)者綜合應(yīng)用其知識和能力，對問題進行分解，針對問題提出解決方案，提高綜合運用計算思維方法的能力。

2.4完善實驗效果評價體系和制度

對于學(xué)生實驗效果的評定，要本著認真、嚴格和規(guī)范的基本原則，制定相關(guān)的評測方法和制度，并嚴格執(zhí)行。應(yīng)該重視過程性評價，主動監(jiān)控、分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程，及時地提出有針對性的意見。從而對學(xué)習(xí)者所提出的解決方案進行評價和指導(dǎo)，判斷學(xué)習(xí)者計算思維能力的掌握程度。評價的主體包括其他學(xué)生、教師和學(xué)生本人，主要依據(jù)下列信息進行評價：1)實驗學(xué)習(xí)廣度和深度信息,包括實驗報告的質(zhì)量、其他學(xué)習(xí)者提供資料的瀏覽學(xué)習(xí)情況、各評價主體的評語等；2)學(xué)生之間的交互信息，包括學(xué)生參與討論情況、對他人實驗的評價、在學(xué)習(xí)過程中的相互協(xié)作等；3)學(xué)習(xí)主動性信息，包括學(xué)生在實驗過程中提出的問題、教師給予的指導(dǎo)、對問題的解決和掌握情況等，這些可以反映學(xué)習(xí)者的主動性[7]?？己烁鼞?yīng)注重治學(xué)態(tài)度、實驗過程、分析問題和解決問題的能力以及實驗結(jié)果等多種因素在成績評定中的影響，綜合各種因素共同決定學(xué)生的實驗課成績，對學(xué)生計算思維進行綜合的評測。

3　結(jié)束語

大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)是計算機教學(xué)的重要組成部分，也是建立、培養(yǎng)和應(yīng)用計算思維重要環(huán)節(jié)，它在高校教學(xué)體系中有不可替代的重要地位。在大學(xué)計算機基礎(chǔ)實驗教學(xué)過程中：應(yīng)調(diào)整傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容和改進傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法；根據(jù)學(xué)生的差異實施不同的方案，貫徹對學(xué)生因材施教的原則；完善實驗效果評價體系和制度。加深學(xué)習(xí)者對理論教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)綜合分析、發(fā)現(xiàn)和解決實際問題的能力，培養(yǎng)觀察、判斷以及實際操作能力，更好地提高學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新意識和實踐能力。

[1]JEANNETTE M W．Computational thinking[J].Communications of ACM,2006,49(3):33-35.

[2]李國杰.計算思維不僅僅屬于計算機科學(xué)家[N].大眾科技報,2009-08-02(B01).

[3]孫家廣.計算機科學(xué)的變革[J].中國計算機學(xué)會通訊,2009,5(2):1-4．

[4]陳國良,董榮勝.計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)[J].中國大學(xué)教學(xué),2011(1):7-11．

[5]朱亞宗.論計算思維[J].計算機科學(xué),2009,36(4):53-55.

[6]姜啟源.數(shù)學(xué)模型[M].2版.北京：高等教育出版社，1993.

[7]趙娟,姜有輝. 基于計算思維的個性化實驗教學(xué) [J].計算機教育,2012(16):107-110.

Experiment Teaching Reform and Practice of University Computer Foundation

LUO Min, LIU Bangtao, YIN Dehui, LI Minjun

(Department of Biomedical Engineering, Luzhou Medical College, Luzhou 646000, China)

This paper introduced the definition and significance of computational thinking. Aiming at the training objectives of Lu zhou Medical College, we analyzed the problems in the experiment teaching in the course of university computer foundation. Using computational thinking, the experimental reform and innovation methods were proposed, including the attention to the teaching idea, the increase of the design type, comprehensive experiment, hierarchical teaching, improvement of experiment evaluation system, etc. Thereby, this new teaching model will improve students’ computational thinking pattern,innovation consciousness and practical ability.

computational thinking；experiment teaching; hierarchical teaching; teaching reform

2014-05-23；修改日期: 2014-07-07

瀘州醫(yī)學(xué)院教學(xué)改革基金(12ZC055)。

羅敏(1979-)，女，碩士，講師，主從事計算機基礎(chǔ)教育和計算機安全技術(shù)方面的工作。

G642.0；TP3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.042