以計(jì)算思維為主導(dǎo)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革探索

王政鋒++陳超泉

【摘 要】《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》提出大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力?；谟?jì)算思維的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革探索已經(jīng)尤為重要，文章針對(duì)現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中存在的問題進(jìn)行問卷調(diào)查分析，結(jié)合筆者多年從事教學(xué)的體會(huì)，提出了一種以計(jì)算思維為主導(dǎo)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)；計(jì)算思維；MOOC/SPOC

0 引言

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程作為公共基礎(chǔ)課，目前仍是大多數(shù)高校的必修課程。計(jì)算機(jī)本身是一門學(xué)科，但其對(duì)其他學(xué)科的發(fā)展具有促進(jìn)作用，計(jì)算機(jī)科學(xué)源于數(shù)學(xué)與工程化的思想，利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的過程也是利用數(shù)學(xué)的方法和工程的思維方式去抽象和實(shí)現(xiàn)的過程，這也是計(jì)算思維的核心，當(dāng)代大學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的掌握非常必要。因此，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力應(yīng)該是該課程的主要目標(biāo)，能夠使學(xué)生更好的利用計(jì)算機(jī)科學(xué)以幫助本學(xué)科的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新。

從教育部會(huì)發(fā)布的《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》文件中也可以看出該系列課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生一種思維方式[1]，運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題，而這種思維即是計(jì)算思維。縱觀目前的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教程，有各種各樣的名稱，基礎(chǔ)教程、入門、文化等名稱，其內(nèi)容大多偏向操作系統(tǒng)、OFFICE辦公軟件等的使用介紹，可以看出很多高校的計(jì)算機(jī)課程仍然停留在早期的教學(xué)內(nèi)容階段，過多關(guān)注了學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的使用，“計(jì)算機(jī)工具論”的觀點(diǎn)也越來越多[2]。而隨著現(xiàn)代社會(huì)信息化程度的步伐加快，計(jì)算機(jī)不再只是少數(shù)專業(yè)人員能夠使用，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的使用也較為熟悉。近年來，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)算思維的觀點(diǎn)已經(jīng)得到公認(rèn)[3-5]?！毒判Ｂ?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》也明確提出將計(jì)算思維作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的主導(dǎo)思想[6]。但現(xiàn)階段計(jì)算思維的培養(yǎng)也僅限開設(shè)一門程序設(shè)計(jì)課程，學(xué)生往往將過多的精力花費(fèi)在語言的學(xué)習(xí)，而非思維的訓(xùn)練上。本文從桂林理工大學(xué)的實(shí)際情況出發(fā)，提出了以計(jì)算思維為主導(dǎo)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的思路。

1 教學(xué)面臨的問題及調(diào)查總結(jié)

表1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)

以桂林理工大學(xué)當(dāng)前的基礎(chǔ)課程教學(xué)為例，表1展示了本校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)。主要分為兩個(gè)層次，第一個(gè)層次是針對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用的教學(xué)，第二層次針對(duì)思維培養(yǎng)開設(shè)編程課程。最初開設(shè)該課程的是根據(jù)本校的生源進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，主要偏向計(jì)算機(jī)知識(shí)及應(yīng)用能力，在十幾年的教學(xué)中也取得了較好的成績(jī)。但在最近幾年隨著社會(huì)信息化的步伐加快，計(jì)算機(jī)已經(jīng)非常普及，在教學(xué)實(shí)踐過程與學(xué)生的交流中發(fā)現(xiàn)：雖然桂林理工大學(xué)深處西部較為落后地區(qū)，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的操作已經(jīng)非常熟悉甚至熟練的程度，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)課程所授內(nèi)容興趣不高，而且普遍反映當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容涉及的知識(shí)點(diǎn)多、范圍較廣，往往知識(shí)了解淺顯，系統(tǒng)性較差，學(xué)生學(xué)習(xí)也容易失去耐心。為進(jìn)一步了解和解決這些問題，我們對(duì)大一大二的251名學(xué)生采用隨機(jī)問卷的形式進(jìn)行調(diào)查，旨在驗(yàn)證我們的教學(xué)感受、并試圖為我們教學(xué)改革提供思路和依據(jù)。

1.1 基礎(chǔ)知識(shí)課程存在的問題

當(dāng)前基礎(chǔ)知識(shí)課程教學(xué)主要存在“工具論”和“內(nèi)容廣而不精”兩方面的問題，針對(duì)這兩個(gè)問題，我們分別設(shè)置了問卷進(jìn)行調(diào)查分析。

從課程內(nèi)容安排上分析，當(dāng)前的基礎(chǔ)知識(shí)課程定位主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，主要強(qiáng)調(diào)了計(jì)算機(jī)操作和應(yīng)用軟件的使用。為此，問卷主要調(diào)查學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件使用的途徑，調(diào)查結(jié)果如圖1所示。

圖1 學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)操作及應(yīng)用軟件的途徑

圖1顯示，有超過40%的學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)操作及應(yīng)用軟件是通過自學(xué)掌握，這進(jìn)一步印證了現(xiàn)階段的課程定位已經(jīng)不再適合當(dāng)前教學(xué)對(duì)象。

針對(duì)課時(shí)較少，教學(xué)內(nèi)容比較廣泛、淺顯的問題，我們對(duì)學(xué)生感興趣的內(nèi)容進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)調(diào)查，試圖對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行微調(diào)，調(diào)查結(jié)果如圖2所示：

圖2 感興趣的計(jì)算機(jī)課程

圖2顯示，辦公軟件（office）、圖像設(shè)計(jì)（Photoshop）、Flash動(dòng)畫設(shè)計(jì)占據(jù)前三位，其中辦公軟件和圖像設(shè)計(jì)有超過70%的學(xué)生表現(xiàn)出較為濃厚的興趣。

1.2 程序設(shè)計(jì)教學(xué)的困惑

程序設(shè)計(jì)課程的開設(shè)初衷是培養(yǎng)學(xué)生抽象和自動(dòng)化的思維方式，能夠利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決一些實(shí)際問題，但是在實(shí)際的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生過多的注意力分散在程序設(shè)計(jì)語言（VB）的語法學(xué)習(xí)上。我們針對(duì)這個(gè)問題也設(shè)置了問卷進(jìn)行分析驗(yàn)證。調(diào)查結(jié)果如圖3所示。

圖3 學(xué)習(xí)高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)（VB）的難點(diǎn)

圖3顯示，分別有33%的學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)對(duì)語言本身語法的接受較慢，從而無法將注意力集中在思維訓(xùn)練上，這也驗(yàn)證了我們的推測(cè)。

2 課程改革思路

對(duì)于基礎(chǔ)課程的改革，并不是對(duì)現(xiàn)有課程的全盤否定，而是需要結(jié)合當(dāng)前的生源以及當(dāng)前課程存在的問題進(jìn)行調(diào)整，我們通過多年的教學(xué)感受以及本校實(shí)際情況的問卷調(diào)查結(jié)果分析、驗(yàn)證，結(jié)合教育部關(guān)于大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求，提出了一些課程的改革方向和思路：

（1）以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為主要目的；

（2）結(jié)合本校特點(diǎn)培養(yǎng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用型人才；

（3）拓展學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)的興趣。

2.1 計(jì)算思維的培養(yǎng)

“計(jì)算思維”的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化[7]，圖靈機(jī)正是計(jì)算思維最好的詮釋，它是使用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的一種思路。當(dāng)前的基礎(chǔ)課程體系中僅僅依靠程序設(shè)計(jì)一門課程來培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維是無法做到的，需要在一年級(jí)的課程中就開始為這種思維方式的培養(yǎng)奠定一些基礎(chǔ)；另一方面根據(jù)之前的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的一年級(jí)課程過多強(qiáng)調(diào)了學(xué)生已經(jīng)掌握或者可以通過自學(xué)可以掌握的應(yīng)用操作。

2.2 以計(jì)算思維為主導(dǎo)的教學(xué)知識(shí)模塊

計(jì)算機(jī)思維的培養(yǎng)主要對(duì)現(xiàn)有課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式兩方面進(jìn)行改革探索，對(duì)當(dāng)前課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行部分的修改和調(diào)整，部分教學(xué)內(nèi)容采用當(dāng)下推行效果比較好的MOOC/SPOC的教學(xué)形式。

2.2.1 教學(xué)內(nèi)容

計(jì)算機(jī)思維的培養(yǎng)和學(xué)習(xí)也主要通過理論+實(shí)踐的形式來實(shí)現(xiàn)，理論部分將設(shè)立《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程，主要講授計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本知識(shí)和計(jì)算機(jī)問題求解兩部分；實(shí)踐部分設(shè)立《Python編程》，以提高學(xué)生使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行問題的求解的能力。為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，開設(shè)部分較為實(shí)用的興趣課堂：《辦公軟件》、《Photoshop圖像設(shè)計(jì)》、《Flash動(dòng)畫設(shè)計(jì)》等課程。

（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本知識(shí)：人類計(jì)算的發(fā)展、圖靈機(jī)、計(jì)算機(jī)的發(fā)展史、計(jì)算機(jī)內(nèi)信息的表示、馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)程序控制工作方式等。

（2）計(jì)算機(jī)問題求解：抽象與數(shù)學(xué)模型、算法基礎(chǔ)知識(shí)、問題求解實(shí)例等。

（3）選擇Python語言而沒有選用VB作為實(shí)踐課程的主要原因：

①Python語言語法較為簡(jiǎn)單，其語法接近自然語言，學(xué)生閱讀一段良好的Python程序就如同在閱讀英語。因此，該語言這個(gè)特點(diǎn)能夠幫助學(xué)生講注意力集中于如何解決問題而不是花大把的精力去研究語言本身?，F(xiàn)如今，在麻省理工學(xué)院其計(jì)算機(jī)科學(xué)及編程導(dǎo)論就使用了Python語言講授，此外，卡耐基梅隆大學(xué)也使用了Python語言講授編程基礎(chǔ)。

②Python語言擁有非常龐大的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)庫接口，可以很好的完成各種科學(xué)計(jì)算。幫助學(xué)生較好較快的實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型。

2.2.2 教學(xué)形式

（1）對(duì)于開設(shè)的興趣課堂可采用當(dāng)下較為流行且推行效果不錯(cuò)的MOOC/SPOC的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式。

①這種教學(xué)模式下，學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)行相關(guān)感興趣內(nèi)容的學(xué)習(xí)，不受時(shí)間和空間的限制；

②考慮到應(yīng)用軟件學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，采用網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)模式，學(xué)生可以進(jìn)行多次、重復(fù)觀看；

③相比較傳統(tǒng)課堂教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)的自由度較高，而且學(xué)生可以依據(jù)自身的基礎(chǔ)，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行選擇性學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的效率較高。

（2）對(duì)于《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》、《Python編程》兩門課程主要采用課堂教學(xué)的方式，MOOC/SPOC教學(xué)模式也有自身的缺點(diǎn)[8]，學(xué)生對(duì)難度較大的課程很容易失去耐心，在學(xué)習(xí)過程中可能會(huì)出現(xiàn)注意力不集中，出現(xiàn)中途退課的現(xiàn)象。因此，該課程主要采用課堂教學(xué)的方式，當(dāng)然對(duì)于重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)，教師可以自己制作相關(guān)的短片供學(xué)生復(fù)習(xí)和學(xué)習(xí)。

2.2.3 教學(xué)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)

通過上文對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式的改革探索，不再進(jìn)行專業(yè)的區(qū)分，新構(gòu)建的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)知識(shí)體系結(jié)構(gòu)

該課程主要以計(jì)算思維的培養(yǎng)為主線，結(jié)合學(xué)生的興趣愛好，開設(shè)了相關(guān)課程，相比之前的課程進(jìn)行了內(nèi)容的矢量增減、教學(xué)形式也更加靈活，主要的目的是使學(xué)生能夠真正的將時(shí)間和精力分配在計(jì)算思維的培養(yǎng)和感興趣的課程上。

3 結(jié)語

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力，能夠使學(xué)生充分利用計(jì)算機(jī)科學(xué)以幫助本學(xué)科的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新。我們針對(duì)現(xiàn)階段我校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)情況中存在的問題進(jìn)行了問卷調(diào)查，為課程改革的探索提供了一線的數(shù)據(jù)支持，并據(jù)此提出了下一階段的課程改革的思路，改革的目標(biāo)是使學(xué)生在未來能夠更好的使用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行問題求解，即計(jì)算思維的培養(yǎng)。但計(jì)算思維教學(xué)改革不是一揮而就的事情，還需要我們不斷的探索、實(shí)踐和優(yōu)化。

【參考文獻(xiàn)】

[1]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).高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]陳國良，董榮勝.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011（1）.

[3]朱勇，楊洪偉，宋曉強(qiáng).大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中計(jì)算思維的培養(yǎng)途徑[J].計(jì)算機(jī)教育，2013（5）：35-38.

[4]樊敏，王曉鋒.大學(xué)計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)組織研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2015（4）.

[5]趙瑤池，胡祝華，陳明銳，彭金蓮.以計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革研究[J].海南大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2014，32（4）：383-388.

[6]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[J].中國大學(xué)教學(xué)，2009（9）.

[7]李廉.關(guān)于計(jì)算思維的特質(zhì)性[J].中國大學(xué)教學(xué)，2014（11）.

[8]何欽銘.通過MOOC/SPOC課程推動(dòng)課程教學(xué)方法的根本變革[J].計(jì)算機(jī)教育，2016（01）.

[責(zé)任編輯：湯靜]