基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)改革

盧桂馥

(1.安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖　241000；　2.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京　210096)

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基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)改革

盧桂馥1，2

(1.安徽工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210096)

計(jì)算思維的概念在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)學(xué)界受到廣泛的關(guān)注，同時(shí)計(jì)算思維能力也已成為現(xiàn)代高素質(zhì)人才所必須的一種基本能力。為了培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，對(duì)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程進(jìn)行了全面改革，設(shè)計(jì)了一種切實(shí)可行的培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的改革方案。

計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)導(dǎo)論；教學(xué)改革

在很多高校，計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課都是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后的第一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，[1-3]筆者所在學(xué)?！不展こ檀髮W(xué)——也不例外。計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程內(nèi)容極其豐富，涉及了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科幾乎所有的內(nèi)容，且有一定的深度。另外，由于計(jì)算機(jī)導(dǎo)論是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后所學(xué)習(xí)的第一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，而學(xué)生又幾乎沒(méi)有計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的相關(guān)專業(yè)知識(shí)背景。因此，雖然這只是一門(mén)導(dǎo)論性質(zhì)的課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中還是會(huì)感到有一定的難度。學(xué)生對(duì)于許多知識(shí)的掌握還不夠透徹，往往只是停留在表面。

另外，雖然很多高校的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的相關(guān)學(xué)生都會(huì)開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，但是這門(mén)課到底要講授些什么內(nèi)容，還一直存在著爭(zhēng)議?？偟膩?lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)不同高校的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的教學(xué)內(nèi)容可以分為兩大類：一類是主要介紹計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)以及辦公軟件的使用，如Windows，Word字處理軟件，Excel的操作等；另一類則從方法論的角度出發(fā)，力圖通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)這個(gè)學(xué)科進(jìn)行科學(xué)化的描述，從而讓學(xué)生了解整個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展歷史，思維模式以及根本問(wèn)題。[4]

經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為，計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程的主要作用應(yīng)體現(xiàn)在：使學(xué)生認(rèn)知計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心知識(shí)和基本原理，了解計(jì)算機(jī)學(xué)科的本質(zhì)和思維方式，在授課的過(guò)程中，應(yīng)以訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維為主，從而為學(xué)生搭建起計(jì)算機(jī)學(xué)科的整體框架，為學(xué)生后續(xù)的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一　計(jì)算思維

計(jì)算思維的概念最早由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的周以真教授提出，[5]此概念一經(jīng)提出就在國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)界引起了重大的反響，從而使得如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)教育的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。梅以真教授把計(jì)算思維定義為：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為。[5]此外，梅以真教授認(rèn)為：除閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)能力以外，計(jì)算思維能力也是每個(gè)孩子所應(yīng)必須掌握的能力。[6]計(jì)算思維中包含了許多在計(jì)算機(jī)學(xué)科中被廣泛使用的思維方法：即通過(guò)抽象分層，構(gòu)造，約簡(jiǎn)，形式化等方法，把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解為可以求解的簡(jiǎn)單問(wèn)題的思維方法。

具體而言，計(jì)算思維包含6種思維方式：1.計(jì)算思維是這樣一種思維，即通過(guò)約簡(jiǎn)，嵌入，變換或模擬等方法，把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題變換為一個(gè)我們可以解決的問(wèn)題；2.計(jì)算思維是一種并行處理和遞歸思維，且是一種能把代碼解釋為數(shù)據(jù)或把數(shù)據(jù)解釋為代碼的思維；3.計(jì)算思維是一種利用抽象和分解來(lái)處理一個(gè)龐大復(fù)雜的任務(wù)或設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)的思維；4.計(jì)算思維是一種通過(guò)預(yù)防、保護(hù)和在最壞情況下通過(guò)冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法；5.計(jì)算思維是一種利用啟發(fā)式推理來(lái)尋找解決方案的思維方法；6.計(jì)算思維是一種利用海量數(shù)據(jù)來(lái)加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間，在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行權(quán)衡的思維方式。

二　基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容的改革

在2008年美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)(ACM)公布的CC2001(CS2001)中期檢查報(bào)告(草案)中，明確指出需將“計(jì)算思維”和“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”課程聯(lián)系在一起，且指出計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程應(yīng)主要向?qū)W生講授計(jì)算思維的本質(zhì)。因此，在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論的教學(xué)中，應(yīng)以計(jì)算思維的培養(yǎng)為根本目的，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中逐漸習(xí)慣以計(jì)算機(jī)科學(xué)家的方式進(jìn)行思維。

1.基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論的課程內(nèi)容。

近年來(lái)，筆者逐步完善了計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的結(jié)構(gòu)、內(nèi)容和形式，將教學(xué)重點(diǎn)放在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力上，并在教學(xué)實(shí)踐的過(guò)程中逐步完善了場(chǎng)景問(wèn)題教學(xué)法，同時(shí)筆者從應(yīng)用的角度出發(fā)來(lái)講授計(jì)算機(jī)學(xué)科的各個(gè)不同領(lǐng)域，通過(guò)實(shí)際問(wèn)題和應(yīng)用需求來(lái)引起學(xué)生的聽(tīng)課興趣，從而將學(xué)生引入計(jì)算機(jī)學(xué)科的各個(gè)領(lǐng)域之中。本課程的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論的課程體系結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，本課程的內(nèi)容可以分為3個(gè)模塊。第一個(gè)模塊的主要內(nèi)容是認(rèn)知和導(dǎo)學(xué)，首先帶領(lǐng)學(xué)生從計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的角度來(lái)認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)，然后了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理，再進(jìn)一步正確認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)學(xué)科，并能夠理解計(jì)算機(jī)學(xué)科的根本問(wèn)題和計(jì)算機(jī)學(xué)科的科學(xué)問(wèn)題，最后介紹應(yīng)如何來(lái)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)學(xué)科；第二個(gè)模塊的主要內(nèi)容是領(lǐng)域的基本知識(shí)和核心思想，即通過(guò)講授計(jì)算機(jī)學(xué)科各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，基本技術(shù)和發(fā)展歷史，從而使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心思想，為將來(lái)學(xué)習(xí)各門(mén)專業(yè)(基礎(chǔ))課打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；第三個(gè)模塊的主要內(nèi)容是計(jì)算機(jī)學(xué)科相關(guān)的職業(yè)和職業(yè)道德，即通過(guò)一些典型案例以及法律法規(guī)等使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)學(xué)科的行為規(guī)范，為學(xué)生將來(lái)走向工作崗位作準(zhǔn)備。

2.計(jì)算思維驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的教學(xué)方法。

在授課的過(guò)程中，為了達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的目的，并使學(xué)生在學(xué)完計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程后能夠熱愛(ài)和尊重計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，并進(jìn)一步地明確大學(xué)四年的學(xué)習(xí)目標(biāo)和方向，筆者采取了如下的方法來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程進(jìn)行授課。

(1)理清計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程的教學(xué)主線，并依此來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的課程結(jié)構(gòu)。

俗話說(shuō)，綱舉才能目張，只有牢牢把握教學(xué)主線，才能設(shè)計(jì)出合理的課程結(jié)構(gòu)。具體而言，計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程包括一根明線，這根明線指的是計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程的內(nèi)容章節(jié)，這也是這門(mén)課程的“骨架”所在，并且反映了本課程內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系；還包括多條暗線，這里暗線指的是計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程的各個(gè)章節(jié)之間的內(nèi)在聯(lián)系，這反映了授課內(nèi)容之間的隱含關(guān)系；也還包括縱橫虛線，縱橫虛線指的是計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程所涉及到的各類相關(guān)學(xué)科知識(shí)，這體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程的深度和廣度。

(2)注重教學(xué)組織和教學(xué)設(shè)計(jì)。

計(jì)算機(jī)導(dǎo)論這門(mén)課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)學(xué)生在大學(xué)期間接觸的第一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)的課程體系結(jié)構(gòu)中處于入門(mén)引導(dǎo)地位。雖然對(duì)課程中出現(xiàn)的大部分專業(yè)術(shù)語(yǔ)和概念對(duì)學(xué)生的要求只是定位在“了解”層次，但在授課時(shí)不能只是簡(jiǎn)單地堆砌計(jì)算機(jī)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)。具體而言，筆者在教學(xué)過(guò)程中采用如下教學(xué)方法。

①情景問(wèn)題教學(xué)法 。

從生活中學(xué)生比較熟悉的計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用案例出發(fā)，采用情景問(wèn)題教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生從計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的角度來(lái)思考技術(shù)問(wèn)題。此外，在介紹具體的計(jì)算機(jī)知識(shí)時(shí)不做詳細(xì)的展開(kāi)和介紹，從而避免引入過(guò)多的學(xué)生不太容易理解的專業(yè)術(shù)語(yǔ)。例如：在介紹計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)時(shí)，從學(xué)生實(shí)際購(gòu)買計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)講，然后從專業(yè)的角度來(lái)介紹計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)；在介紹計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)介紹計(jì)算機(jī)病毒的相關(guān)知識(shí)，來(lái)引起學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)存在的漏洞的思考。

②圖解教學(xué)法 。

為了讓學(xué)生加深對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科一些核心問(wèn)題的理解，筆者在教學(xué)的時(shí)候根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了許多對(duì)比式圖片，讓學(xué)生能夠比較容易地掌計(jì)算機(jī)學(xué)科根本問(wèn)題的本質(zhì)所在。例如：在介紹旅行商(TSP)問(wèn)題、漢諾塔問(wèn)題、哲學(xué)家共餐問(wèn)題時(shí)，通過(guò)引入對(duì)比式圖片，深入淺出地講解了計(jì)算機(jī)學(xué)科的內(nèi)在科學(xué)規(guī)律和本質(zhì)。

③抽象分層教學(xué)法 。

抽象思維是計(jì)算思維的主要特征之一，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)的典型特征之一。筆者在介紹每個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科的專題知識(shí)時(shí)，往往從頂層或底層開(kāi)始介紹，然后逐層介紹相關(guān)技術(shù)的原理和基本思想。例如，在介紹計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言時(shí)，從最底層的機(jī)器語(yǔ)言第一代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言——機(jī)器語(yǔ)言開(kāi)始介紹，然后介紹第二代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言——匯編語(yǔ)言和第三代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言——高級(jí)語(yǔ)言，最后介紹第四代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言——非過(guò)程式語(yǔ)言和第五代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言——知識(shí)型語(yǔ)言；在介紹計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)時(shí)，從最底層的邏輯電路開(kāi)始介紹，然后介紹集成電路和存儲(chǔ)器，最后介紹處理器(CPU)和I/O設(shè)備(輸入/輸出設(shè)備)；在介紹程序設(shè)計(jì)時(shí)，則從最頂層的問(wèn)題開(kāi)始介紹，到求解問(wèn)題的思路和想法，然后介紹相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，最后介紹如何用編程語(yǔ)言來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。

④講座與討論 。

在授課的過(guò)程中，也邀請(qǐng)本學(xué)院不同研究方向的教師開(kāi)展講座，讓學(xué)生能夠了解計(jì)算機(jī)學(xué)科的前沿發(fā)展方向，例如，邀請(qǐng)大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)研究方向的教師介紹機(jī)器學(xué)習(xí)在當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代的應(yīng)用；此外，也邀請(qǐng)高年級(jí)優(yōu)秀的學(xué)生來(lái)介紹學(xué)習(xí)心得和體會(huì)，比如，邀請(qǐng)?jiān)诟黝惛?jìng)賽中獲獎(jiǎng)的學(xué)生介紹比賽的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及樹(shù)立起今后的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

(3)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)觀念和整體概念。

在教學(xué)實(shí)踐中向?qū)W生灌輸計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)整體這樣的概念，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)不同專業(yè)(基礎(chǔ))課程存在著密切的聯(lián)系。讓學(xué)生明白，在大學(xué)學(xué)習(xí)階段和高中學(xué)習(xí)階段存在的差異，在大學(xué)的課堂上，不僅要學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，更重要的是要掌握學(xué)習(xí)的方法；讓學(xué)生知道對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)而言，不僅要把理論知識(shí)吃透，更重要的是要在“做中學(xué)”(Learning By Doing)。

3.改革考核方式，對(duì)整個(gè)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

計(jì)算思維能力的培養(yǎng)不會(huì)是一蹴而就的，而是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。學(xué)習(xí)和思維兩者之間并不是獨(dú)立的，而是密切地聯(lián)系在一起的。因此，為了強(qiáng)化學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，必須對(duì)整個(gè)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)督，對(duì)每個(gè)學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的表現(xiàn)進(jìn)行正確評(píng)價(jià)，這樣才能最大限度地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

具體的，在講解新的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，筆者要求學(xué)生事先收集相關(guān)資料并加以了解，然后在課堂上通過(guò)提問(wèn)的方式來(lái)掌握學(xué)生課前的準(zhǔn)備情況，并給出相應(yīng)的分?jǐn)?shù)；在布置作業(yè)時(shí)，不是布置一些常識(shí)性的題目，而是布置一些開(kāi)放性的題目，從而不僅可以有效地避免學(xué)生作業(yè)相互抄襲的問(wèn)題，也能讓學(xué)生主動(dòng)思考，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，此外，教師在批改作業(yè)的過(guò)程中可以及時(shí)了解學(xué)生思維能力的變化，從而合理調(diào)整后續(xù)的授課內(nèi)容；在學(xué)期結(jié)束時(shí)，不是采用常見(jiàn)的閉卷考試來(lái)考核學(xué)生的成績(jī)，而是給學(xué)生布置一些具有挑戰(zhàn)性和合作性的題目，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣來(lái)組成多個(gè)研究小組，最終通過(guò)學(xué)生提交的論文(或研究報(bào)告)以及PPT答辯的形式給出學(xué)生這門(mén)課程的成績(jī)。

結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅為人類所面臨的各種問(wèn)題提供了有效的解決方法和手段，更重要的是提供了一種全新的思維方式。因此，在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的教學(xué)過(guò)程中，筆者始終把培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力放在第一位，采用多種教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)(基礎(chǔ))課程的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)然，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，也將是一個(gè)“活到老學(xué)到老”的過(guò)程。每位教師在教學(xué)的過(guò)程中應(yīng)“授人以漁”而不是“授人以魚(yú)”。

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Class No.:G642.0Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

Teaching Reform of Introduction to Computer Science Based on Computational Thinking

Lu Guifu1,2

(1.School of Computer and Information, AnHui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China；2.School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096，China)

The concept of computational thinking has received wide attention in the field of computer science at home and abroad, which has become a basic ability for high quality talents. In order to develop students' ability of computational thinking, an overall teaching reform of introduction to computer science has been conducted. The reform scheme cultivated the ability of students' computational thinking, has been designed.

computational thinking; introduction to computer science; teaching reform

盧桂馥，博士，副教授，安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院；博士后，東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院。研究方向：計(jì)算機(jī)視覺(jué)、模式識(shí)別。

國(guó)家自然科學(xué)基金(No. 61572033 , 71371012)；安徽省教育廳高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(No:2015jxtd018)；安徽工程大學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量提升計(jì)劃項(xiàng)目(No:2014xquz02)。

1672-6758(2016)09-0022-3

G642.0

A