以計算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計算機課程改革探索* 1

鐘　琦

(贛南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，江西 贛州　341000)

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以計算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計算機課程改革探索* 1

鐘琦

(贛南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，江西 贛州341000)

摘要：計算思維不僅是計算機專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具備的素質(zhì)和能力，也是所有大學(xué)生應(yīng)具備的重要素質(zhì)和能力.大學(xué)計算機課程是高校本科生通識教育的重要組成部分，本文在對課程目標(biāo)和內(nèi)容深入剖析的基礎(chǔ)上探索出以計算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計算機課程教學(xué)改革方案.

關(guān)鍵詞：計算思維；大學(xué)計算機；改革

1引言

信息技術(shù)革命日新月異，移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)這些新概念和新技術(shù)的出現(xiàn)，在社會經(jīng)濟(jì)、人文科學(xué)、自然科學(xué)的許多領(lǐng)域引發(fā)了一系列革命性的突破.信息技術(shù)已經(jīng)融入社會生活的方方面面，深刻改變著人類的思維、生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)方式，深刻展示了人類社會發(fā)展的前景.隨著這一進(jìn)程的全面深入，無處不在的計算思維成為人們認(rèn)識和解決問題的基本能力之一[1].

計算思維與人們的工作和生活密切相關(guān)，也是人類不可或缺的一種生存能力.不僅計算機專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具備這種素質(zhì)和能力，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，會影響學(xué)生未來的創(chuàng)新思維[2].并非每一個學(xué)生都要成為計算機科學(xué)家，但是我們期望他們能夠正確掌握計算思維的基本方式，這對于從事科學(xué)研究或者社會實踐都是終身有益的；對于在各自的專業(yè)領(lǐng)域熟練應(yīng)用計算機技術(shù)是十分必要的[3].

教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(2013-2017)(以下簡稱“教指委”)確立了推進(jìn)課程教學(xué)改革的總體目標(biāo)：明確以計算思維為導(dǎo)向的改革方向、探索多元化的教學(xué)方案、推動以在線開放課程為代表的教學(xué)模式改革、完善課程教學(xué)成效評測方式，從而建設(shè)適應(yīng)時代要求的新的大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)體系[4].

以計算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計算機課題教學(xué)改革，其目的是通過梳理核心知識體系，改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，將計算思維培養(yǎng)建立在知識理解和應(yīng)用能力培養(yǎng)基礎(chǔ)上.怎樣在有限的教學(xué)學(xué)時內(nèi)合理安排教學(xué)內(nèi)容，呈現(xiàn)計算思維的思想;在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施環(huán)節(jié)中將隱形于計算機理論知識和實踐操作中的計算思維方式通過明確的教學(xué)任務(wù)和活動案例呈現(xiàn)給學(xué)生;在提煉大學(xué)計算機教學(xué)相關(guān)知識模塊中涉及計算思維的核心概念等環(huán)節(jié)中，將“計算思維”能力的培養(yǎng)作為課程教學(xué)的核心任務(wù)，建設(shè)更加完備的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)新的培養(yǎng)目標(biāo)[5].

2基于計算思維的課程教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容體系剖析

計算思維的培養(yǎng)是滲透在傳授知識和應(yīng)用訓(xùn)練的過程中，因此大學(xué)計算機課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)基于計算思維的視角提出.將計算思維培養(yǎng)建立在知識理解和應(yīng)用能力培養(yǎng)基礎(chǔ)上，并從中養(yǎng)成較好的計算思維素質(zhì)，教學(xué)目標(biāo)包括以下幾個方面[6]：認(rèn)知與理解計算機分析問題解決問題的方法；應(yīng)用計算機技術(shù)分析解決問題的能力；正確獲取、評價與使用信息的素養(yǎng)；基于信息技術(shù)手段的交流與持續(xù)學(xué)習(xí)能力.

為更好地理解計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的42個核心概念，將核心概念分類能更好的表達(dá)計算思維的基本內(nèi)涵.為在課程中滲透和強化這些概念，又將課程知識領(lǐng)域設(shè)計調(diào)整為以下三個領(lǐng)域：系統(tǒng)平臺與計算環(huán)境(包括信息與社會、計算機系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò))；算法基礎(chǔ)與程序開發(fā)(包括計算模型、算法與程序設(shè)計、軟件開發(fā))；數(shù)據(jù)管理與信息處理(包括數(shù)據(jù)管理與組織、多媒體信息處理、分析與決策).

以上每個知識領(lǐng)域又包含多個知識子領(lǐng)域，不同知識內(nèi)容的重要性對應(yīng)不同層次的教學(xué)需求，各知識點又被細(xì)分成統(tǒng)一必修、分類必修和擴(kuò)展選修三類.統(tǒng)一必修指絕大部分內(nèi)容為各層次各類型學(xué)生必須要學(xué)習(xí)和掌握的知識內(nèi)容；分類必修是一般要求每個學(xué)生必須掌握該部分知識內(nèi)容的20%以上；擴(kuò)展選修是可以作為必修課程的擴(kuò)展內(nèi)容，也可以設(shè)計成選修課程的部分.

分類關(guān)注點相關(guān)核心概念掌握重點計算(3)可計算性和計算復(fù)雜性計算模型、可計算性、計算復(fù)雜性了解計算發(fā)展的歷史;了解圖靈機、可計算性、計算復(fù)雜性等基本概念.抽象(4)關(guān)注對象的本質(zhì)特征抽象、抽象層次、概念模型、實現(xiàn)模型理解抽象及其過程;了解概念模型與實現(xiàn)模型;掌握利用概念模型對問題進(jìn)行分析和建模;了解抽象層次及虛擬機概念.自動化(7)信息處理的算法設(shè)計算法、程序、迭代、遞歸、啟發(fā)式策略、隨機策略、智能理解算法、程序概念;掌握迭代、遞歸等基本方法;了解典型問題算法求解策略.設(shè)計(6)可靠和可信系統(tǒng)的構(gòu)建分解、復(fù)合、折中、可靠性、安全性、重用性了解分解、復(fù)合、試錯、折中等設(shè)計系統(tǒng)的基本方法;了解信息封裝、接口、原型系統(tǒng)等概念;了解實現(xiàn)重用性、安全性、可靠性的思想.評估(5)復(fù)雜系統(tǒng)的性能評價評價指標(biāo)與基準(zhǔn)、瓶頸、冗余容錯、性能仿真了解度量系統(tǒng)性能的指標(biāo)和常見方法;理解瓶頸、冗余、容錯的概念;了解可視化建模與仿真.通信(7)不同過程和對象間的可靠信息傳遞信息及其表示、信息量(熵)、編碼與解碼、信息壓縮、信息加密、校驗與糾錯、協(xié)議理解信息編碼思想;理解信息在計算機內(nèi)的表示與存儲方式.掌握基本編碼方法;了解通信可靠性保障基本思想.協(xié)調(diào)(5)多個自主計算實體間有效配合和時序控制同步、并發(fā)、并行、事件、服務(wù)理解并發(fā)、并行、同步、死鎖、事件、服務(wù)的概念;了解常見的協(xié)同策略與機制.記憶(5)信息的表示存儲和檢索數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)組織、檢索與索引、局部性與緩存理解常用數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念;了解數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法和程序的相互關(guān)系;掌握選擇數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法;了解提高數(shù)據(jù)管理、訪問效率的常用方法.

在教學(xué)體系規(guī)范，知識體系、實驗體系和課程實施方案等方面，不同專業(yè)類別和培養(yǎng)目標(biāo)差異對課程實踐能力方面的要求各有不同，而通過實踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，是教學(xué)質(zhì)量的重要落腳點和計算思維能力培養(yǎng)的重要體現(xiàn).在各個具體課程的教學(xué)組織過程中，應(yīng)重視課程實踐項目的設(shè)計，將課程內(nèi)容恰當(dāng)?shù)厝谌胨O(shè)計的項目當(dāng)中；應(yīng)鼓勵多設(shè)置綜合型、設(shè)計型實驗項目，而不僅僅是驗證型實驗及單一知識的基礎(chǔ)實驗；應(yīng)鼓勵開設(shè)學(xué)科交叉型、自主型、開放型實驗.

一般來說，大學(xué)計算機實踐教學(xué)可按以下幾個層次進(jìn)行設(shè)計.

在目前大力推廣在線開放課程的形勢下，可以積極通過線上線下的混合教學(xué)模式，開展研討式、探索式、協(xié)作式的實踐學(xué)習(xí)活動，積極開展“綜合設(shè)計型實驗”和“研究創(chuàng)新型實驗”，既可以為學(xué)生課外開展探索實踐提供良好的數(shù)字教學(xué)資源，又可以為學(xué)生課內(nèi)交流和展現(xiàn)成果提供可行的時間和空間條件.

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，大學(xué)計算機課程體經(jīng)歷了“三個層次”課程體系、“1+X”課程體系、直到現(xiàn)在為適應(yīng)計算機思維能力培養(yǎng)而提出的“寬專融”課程體系.“寬專融”課程體系主要包括通識型、技術(shù)型和交叉型三類課程，其中大學(xué)計算機課程是通識型的典型課程.因此在此種課程體系下的大學(xué)計算機課程的教學(xué)內(nèi)容會因不同學(xué)校不同專業(yè)培養(yǎng)方案的不同，其內(nèi)容的組織方式和側(cè)重點也會有所不同.主要有基本型、問題求解型和系統(tǒng)型三種方案，基本型側(cè)重于知識內(nèi)容廣，問題求解型是突出培養(yǎng)基于算法和程序設(shè)計的問題求解基本方法和能力，而系統(tǒng)型則是從計算機思維培養(yǎng)的角度組織和表述教學(xué)內(nèi)容.

要促進(jìn)大學(xué)計算機課程的教學(xué)改革提升課程教學(xué)質(zhì)量，需要建立科學(xué)規(guī)范嚴(yán)格可行的教學(xué)質(zhì)量保障體系.教學(xué)質(zhì)量保障體系涉及課程體系建設(shè)、教學(xué)環(huán)境與資源建設(shè)、教學(xué)模式與方法、師資隊伍建設(shè)和教學(xué)質(zhì)量評價等幾個方面.

課程體系應(yīng)圍繞學(xué)校辦學(xué)目標(biāo)和人才培養(yǎng)定位，充分考慮學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)，開展分類、分層的多樣化教學(xué)來設(shè)定.教學(xué)環(huán)境與資源主要體現(xiàn)在教學(xué)環(huán)境、教材和教學(xué)資源三方面：教學(xué)環(huán)境體現(xiàn)在學(xué)校在多媒體教室、計算機實驗室和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境方面的建設(shè)；教材建設(shè)要重視計算思維培養(yǎng)需求、有一定的先進(jìn)性、有配套的數(shù)字化資源、有配套的實驗教材和體現(xiàn)學(xué)科交叉；教學(xué)資源方面要鼓勵數(shù)字化課程教學(xué)資源、素材庫、試題庫、微視頻、課件、參考資料等多種資源的建設(shè)；教學(xué)模式和方法要充分重視和研究以MOOC為代表的新型教學(xué)模式，深入研究模式中所界定的教學(xué)理念、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)規(guī)律和適應(yīng)對象，總結(jié)教學(xué)改革成果并積極探索混合式教學(xué)模式[7]；師資隊伍體現(xiàn)在課程教學(xué)、教輔人員穩(wěn)定且?guī)熧Y結(jié)構(gòu)合理，學(xué)校要有支持專任教師參加國內(nèi)外進(jìn)修、訪學(xué)、學(xué)術(shù)交流的制度和經(jīng)費保障，要制定相關(guān)的考核制度和人才競爭機制保障以課程教學(xué)開展和實施，支持教師積極開展課程教學(xué)改革研究并鼓勵教師申報各類教學(xué)研究和改革項目；教學(xué)質(zhì)量評價可從期末“一錘定音”考核轉(zhuǎn)為面向?qū)W習(xí)過程考核、從知識考核向能力考核轉(zhuǎn)變、或采用多元化考核等多種考核方案[8].

3大學(xué)計算機課程教學(xué)改革方案探索

贛南師范大學(xué)是一所面向全國29個省(市、區(qū))招生本科師范院校，存在學(xué)生水平參差不齊的現(xiàn)狀，在結(jié)合不同學(xué)科專業(yè)特點的基礎(chǔ)上設(shè)計合適的教學(xué)方案很有必要.

“大學(xué)計算機”課程是高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)教學(xué)核心課程，是大學(xué)通識教育的重要組成部分，其教學(xué)目標(biāo)是全面培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)、計算科學(xué)修養(yǎng)和計算思維能力，提高學(xué)生的計算機應(yīng)用水平和計算機問題求解能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).作為一門操作性實踐性要求較高的課程，在教學(xué)中如何將理論知識的理解應(yīng)用于實踐操作中，需要針對重要的知識點設(shè)計出在實用應(yīng)用中有可能遇到的典型案例，反復(fù)進(jìn)行講解和訓(xùn)練，提高學(xué)生利用所學(xué)解決實際問題的能力[9].

根據(jù)本校人才培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)生基礎(chǔ)和學(xué)科專業(yè)特點，堅持課程設(shè)置與課程內(nèi)容的基礎(chǔ)性，培養(yǎng)學(xué)生的核心知識、核心能力和核心素養(yǎng)，課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求除了要對課程的理論知識進(jìn)行應(yīng)用驗證外，還將在實踐教學(xué)中選擇實際應(yīng)用中有可能遇到問題，特別是難點問題進(jìn)行講解和訓(xùn)練，從而提高學(xué)生實際應(yīng)用和解決問題的能力.

因此建議將大學(xué)計算機課程模塊分二個學(xué)期開設(shè)，具體課程名稱及學(xué)時安排如下表所示.

課程名稱學(xué)時總學(xué)時 理論 實踐周學(xué)時開課學(xué)期備注大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)4024162+21全部專業(yè)網(wǎng)站設(shè)計VB程序設(shè)計辦公自動化實用技術(shù)EXCEL提高ACCESS實用技術(shù)6464646464323232323232323232322+22+264646422222文科、藝體類專業(yè)至少修讀1門C語言程序設(shè)計6432322+22理工類專業(yè)

新生入學(xué)第一學(xué)期開設(shè)大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)課程，該課程是全校文、理科非計算機專業(yè)的通識公共基礎(chǔ)必修課，理論知識模塊主要有計算機文化、計算機基礎(chǔ)、計算機硬件、計算機軟件、排版設(shè)計與應(yīng)用、電子表格制作與應(yīng)用、演示文稿設(shè)計與應(yīng)用、計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機安全、計算機素質(zhì)教學(xué)、IT新技術(shù)；實驗操作項目主要有微型計算機硬件系統(tǒng)的安裝和設(shè)置、操作系統(tǒng)的安裝和設(shè)置、常用工具軟件的應(yīng)用、排版設(shè)計基礎(chǔ)與綜合應(yīng)用、電子表格制作與應(yīng)用、演示文稿設(shè)計與應(yīng)用、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全防范等部分組成. 第二學(xué)期課程開設(shè)主要結(jié)合各教學(xué)學(xué)院及各專業(yè)特點的不同，由教學(xué)學(xué)院選擇開設(shè)不同的課程，課程選擇應(yīng)注重與專業(yè)相結(jié)合，主要在辦公自動化實用技術(shù)、網(wǎng)站設(shè)計、VB程序設(shè)計、C程序設(shè)計、EXCEL提高或ACCESS實用技術(shù)等實用課程中選擇開設(shè).

總體課程的教學(xué)模塊可分為基本模塊和拓展模塊，在有限的教學(xué)學(xué)時下要完成教學(xué)任務(wù)可采用教師講授、小班研討、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)手段重點學(xué)習(xí)，相應(yīng)配合課后習(xí)題、上機實驗等教學(xué)環(huán)節(jié)鞏固學(xué)習(xí)效果.推進(jìn)教學(xué)方法改革，倡導(dǎo)以學(xué)生為主體的啟發(fā)式教學(xué)，使案例教學(xué)、問題研討、項目探究等教學(xué)方式成為課程教學(xué)常態(tài).

拓展模塊以提升學(xué)生學(xué)科的認(rèn)識，理解學(xué)科對其他學(xué)科的推進(jìn)作用和擴(kuò)展學(xué)生視野為目的，這方面的內(nèi)容十分豐富，應(yīng)該采用“學(xué)生為主、教師為輔”的教學(xué)形式.教師應(yīng)給學(xué)生適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，使學(xué)生按照自己的愿望和興趣主動地完成此部分的教學(xué)內(nèi)容.學(xué)生采取的主要的學(xué)習(xí)形式包括獲取信息和文獻(xiàn)、學(xué)習(xí)知識、表達(dá)觀點、溝通交流[10].

因教學(xué)任務(wù)的學(xué)時相對較少，在教學(xué)中應(yīng)統(tǒng)籌安排以培養(yǎng)創(chuàng)新精神、增強實踐能力為目標(biāo)的專業(yè)技能實訓(xùn)項目、科技創(chuàng)新活動和社會實踐等內(nèi)容；深化實踐教學(xué)方式改革，加強綜合性實踐科目設(shè)計和應(yīng)用，著力推行基于問題、項目或案例的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方法；加強實踐育人基地建設(shè)，強化實踐教學(xué)管理，提高實踐教學(xué)成效.

建議在實踐教學(xué)中采用典型案例實驗項目，項目設(shè)計原則：結(jié)合理論教學(xué)，反映并驗證對應(yīng)知識點；盡可能覆蓋到各種應(yīng)用情況，提升學(xué)生知識面和技術(shù)，突出重點和難點，為應(yīng)用中可能遇到的問題給出解決方案，提高學(xué)生解決實際問題的能力[11].

教學(xué)典型案例實驗項目設(shè)計要素應(yīng)包括8個方面，如表所示.

序號項目內(nèi)容1案例名稱反映實驗的核心內(nèi)容.2案例目的項目預(yù)期達(dá)到的目標(biāo),掌握、熟練哪些技能點、理解或了解哪些知識點.3案例類型基本型、綜合型或探究性.4案例任務(wù)具體實踐內(nèi)容.5案例條件實踐所需的硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境.6案例分析給出設(shè)計該案例的出發(fā)點、問題分析、解題思路、實驗難點分析、經(jīng)常性錯誤分析等.7案例實現(xiàn)案例解答步驟,如操作步驟等.8實驗拓展在本實驗基礎(chǔ)上的應(yīng)用拓展,給出一個或幾個相關(guān)練習(xí)以鞏固相關(guān)知識點.

“大學(xué)計算機”是理論和實踐結(jié)合得較為緊密的課程，課程考核建議分為上機實驗、課堂表現(xiàn)、自學(xué)和期末考試四個部分，總成績采用各部分成績加權(quán)求和方法獲得，加強過程管理，避免期末考試時死記硬背，全面考核學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和綜合應(yīng)用能力.期末考試題型應(yīng)盡量避免全部采用客觀題的命題方法，增加主觀題數(shù)量，更好地考查學(xué)生對問題的理解.題型應(yīng)多樣化，難易程度上要有適量的創(chuàng)新性題目，切忌全部死記硬背，不能考查學(xué)生的真實能力[12].

任課教師在課程的教學(xué)設(shè)計和教學(xué)過程中要有意識地引導(dǎo)、潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，明晰課程教學(xué)內(nèi)容和計算思維的相互關(guān)系，即本課程主要體現(xiàn)哪些計算思維核心概念；明晰計算思維能力培養(yǎng)的實現(xiàn)途徑，即通過哪些知識模塊體現(xiàn)計算思維[13].

4結(jié)語

2010年以來，部分高校開始敏銳地跟蹤到國內(nèi)外關(guān)于計算思維能力培養(yǎng)的動向，大學(xué)計算機課程在穩(wěn)步發(fā)展過程中逐漸迎來了重大的轉(zhuǎn)折期，國內(nèi)9所高校聚會西安，經(jīng)過認(rèn)真討論提出了“以計算思維為核心的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)改革”的聯(lián)合聲明，標(biāo)志著我國大學(xué)計算機課題教學(xué)進(jìn)入了新階段.確立了“大學(xué)計算機”作為大學(xué)通識型(基礎(chǔ)類)課程的地位，促進(jìn)了課程教學(xué)內(nèi)容在新時代的改革與深化；確立了以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程教學(xué)內(nèi)容改革的總體目標(biāo).以計算思維為導(dǎo)向的新一輪教學(xué)改革在各高校逐步推進(jìn)，開始了在互聯(lián)網(wǎng)時代對于大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容改革的深入思考和大膽實踐.教育部高等教育司設(shè)立了“大學(xué)計算機課程改革項目”，十余所高校在承擔(dān)項目研究任務(wù)的基礎(chǔ)上提出了“大學(xué)計算機”課程的改革方案，并在近百所高校進(jìn)行了試點，普遍取得了良好效果，提供了寶貴的經(jīng)驗.以專業(yè)需求和計算思維為導(dǎo)向是當(dāng)前大學(xué)計算機課程的主流形式，未來仍需要開課學(xué)校的大力支持以及專任教師的共同努力[14].

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* 收稿日期：2016-03-06

DOI：10.13698/j.cnki.cn36-1037/c.2016.03.026

基金項目：江西省教育規(guī)劃課題(13YB109)；江西省教改課題(JXJG15-14-6)

作者簡介：鐘琦(1976-) ，女，江西贛州人，贛南師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院副教授，主要研究方向為信息技術(shù)教育、計算機科學(xué)與應(yīng)用.

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-8332(2016)03-0106-04

Exploration on the College Computer Course Reform based on Computational Thinking

ZHONG Qi

(SchoolofMathematicsandComputerScience,GannanNormalUniversity,Ganzhou341000,China)

Abstract:Computational thinking is the quality and capability that not only the computer science majors but also all the university students should have. Computer course is therefore an intergral part of the general education for the university undergraduates. Based on an in-depth analysis of the curriculum objectives and content, this paper attemps to explore a computer-thinking oriented reform program of the computer curriculum for th non-major students in the unversities.

Key words:computational thinking; college computer course; reform

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