基于計算思維的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程定位及課程體系的構(gòu)建

王文軍+王靜+張葉娥

（1.大同大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037009）（2.大同大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037009）

摘 要：高校計算機基礎(chǔ)課程擔(dān)負(fù)著教導(dǎo)非計算機專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)計算機知識以及普及與推廣計算手段的重任。面對知識膨脹與學(xué)時數(shù)壓縮的困境以及對基礎(chǔ)課程核心價值的質(zhì)疑，提出基于計算思維的計算機基礎(chǔ)課程核心價值的定位策略，在此基礎(chǔ)上結(jié)合通用計算手段，面向?qū)I(yè)計算手段躍遷的現(xiàn)實需求，構(gòu)建“寬專融”的計算機基礎(chǔ)課程體系。

關(guān)鍵詞：計算思維；核心價值；基礎(chǔ)課程定位；“寬專融”課程體系

1 背 景

偉大的革命導(dǎo)師恩格斯說過，任何一門科學(xué)的真正完善在于數(shù)學(xué)工具的廣泛應(yīng)用，即一門學(xué)科若不能充分利用數(shù)學(xué)手段就不能稱之為科學(xué)。那么，可以演繹說一門學(xué)科若沒有充分利用計算機手段不能稱之為現(xiàn)代科學(xué)[1]。計算機基礎(chǔ)作為大學(xué)非計算機專業(yè)學(xué)生的第一門計算機課程，其重要性毋庸置疑。一方面，由于長期以來大部分高校對于計算機基礎(chǔ)課程的定位更多地停留在軟件工具的操作培訓(xùn)層面，加上計算機操作技能培養(yǎng)在中小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)中的普及，致使出現(xiàn)計算機基礎(chǔ)課程“狹義工具論”的論斷以及高校對其大肆裁課的狀況；另一方面，隨著社會信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，社會整體對非計算機專業(yè)學(xué)生使用計算機的能力提出了更迫切的要求，如具備支持各學(xué)科研究創(chuàng)新的新型計算手段以及應(yīng)用這些手段進(jìn)行各學(xué)科的研究與創(chuàng)新。面對兩方面的壓力，作為高校計算機基礎(chǔ)課程實施的教研人員，如何構(gòu)造出一套既能在頂層思維統(tǒng)籌又行之有效的解決策略，值得探索研究。

周以真教授計算思維[2]概念的提出使得各高?；A(chǔ)教研人員眼前一亮，于是全國各高校先后掀起了一輪基于計算思維的基礎(chǔ)教學(xué)改革。我們試圖通過以計算思維為導(dǎo)向，探索思維層面引導(dǎo)與內(nèi)容層面提煉的雙向互動式計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)改革策略。這樣一則力促有一條隱性思維鏈指導(dǎo)學(xué)生有規(guī)律地學(xué)習(xí)，以減少學(xué)習(xí)時間，提升學(xué)習(xí)效率；二則思維規(guī)律猶如一條條通向自己專業(yè)領(lǐng)域的橋梁，使非計算機專業(yè)的學(xué)生們能夠迅速應(yīng)用、研究和創(chuàng)新各學(xué)科的新型計算手段。

2 存在的問題

2.1 大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的定位及核心價值不明確

此前，計算機基礎(chǔ)教學(xué)注重其所具有的工具屬性，這種教學(xué)模式在特定時期內(nèi)有效地滿足了學(xué)生技能培養(yǎng)的需求，但目前仍有相當(dāng)一部分高校的基礎(chǔ)教學(xué)部門出于慣性，對于計算機基礎(chǔ)課程的定位仍然更多地側(cè)重于軟件工具的操作培訓(xùn)，尤其是在計算機操作技能的普及程度逐步下放到中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中的背景下，以軟件工具操作為主要教學(xué)內(nèi)容的計算機基礎(chǔ)課程遭受到來自高校和社會的普遍質(zhì)疑。不難發(fā)現(xiàn)，這些質(zhì)疑的本質(zhì)是現(xiàn)有各高校在知識/技能性傳授層面培養(yǎng)的通用計算手段與現(xiàn)實社會對各學(xué)科學(xué)生專業(yè)計算手段的需求之間存在巨大的鴻溝，如圖1所示。那么，大學(xué)計算機基礎(chǔ)作為非計算機專業(yè)學(xué)生的第一門計算機課程，存在的必要性及核心價值是什么呢？

2.2 大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的內(nèi)容穩(wěn)定性有待提高

置身于當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的大背景下，計算機基礎(chǔ)作為多數(shù)高校大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的第一門課程，其教學(xué)內(nèi)容體系如何構(gòu)建備受關(guān)注，總不至于緊跟計算機各種工具更新的步伐以延續(xù)以工具分類的課程教學(xué)內(nèi)容體系，而且在有限的教學(xué)時間內(nèi)不可能窮盡所有的工具實施教學(xué)。我們認(rèn)為應(yīng)該在該課程中講授一些如計算學(xué)科中不變的東西、利用計算機解決各學(xué)科問題的一般方法等內(nèi)容，因此需要綜合考慮思維能力培養(yǎng)、學(xué)科知識傳授和應(yīng)用技能訓(xùn)練三者之間的關(guān)系，合理解決第一門課的多樣和統(tǒng)一、變與不變的關(guān)系，兼顧課程內(nèi)容的適用性和穩(wěn)定性，是當(dāng)前計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的緊迫任務(wù)。

3 問題的解決思路與探索

在當(dāng)前的信息化社會，計算機基礎(chǔ)課程所依賴的計算機科學(xué)、工程技術(shù)等發(fā)展極為迅速，知識更新周期越來越短；該課程作為非計算機專業(yè)學(xué)生的第一門計算機通識類課程，不僅要考慮知識膨脹與學(xué)時數(shù)壓縮之間的矛盾，還要考慮如何讓學(xué)生們在有限的學(xué)時內(nèi)實現(xiàn)通用計算手段向?qū)I(yè)計算手段的有效轉(zhuǎn)化躍遷，使其有能力適應(yīng)日新月異的專業(yè)領(lǐng)域環(huán)境?，F(xiàn)實的困境急切地呼喚著一種思維方式統(tǒng)籌上的教學(xué)模式變革。

人類通過思考自身的計算方式，研究能否由外部機器模擬來代替人類實現(xiàn)計算的過程，從而誕生了現(xiàn)代電子計算機的計算工具。早在1972年，圖靈獎得主Edsger Dijkstra就曾說“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也深刻地影響著我們的思維能力”[3]。計算思維被定義為進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。既然是一種思維，難免有抽象和空洞的特征，要由其統(tǒng)籌全局，首先須考慮的問題應(yīng)該是計算思維包含哪些核心概念；然后圍繞核心概念解決計算思維的“落地”問題，即結(jié)合思維和知識層面的雙向聯(lián)動，從而解決計算機基礎(chǔ)課程的內(nèi)容穩(wěn)定性問題；最后考慮得出計算機基礎(chǔ)課程的核心價值。

3.1 計算思維的核心概念

源于ACM主席Denning教授對計算的原理分析，我們更具體地對計算思維的分類及核心概念進(jìn)行梳理總結(jié)，見表1。

3.2 計算思維的“落地”

如何由知識傳授轉(zhuǎn)為基于知識的思維傳授？思維性教學(xué)已被提倡了很久，為什么沒有很好地落實下去？那是因為體現(xiàn)計算思維范疇的各核心概念與計算機基礎(chǔ)知識點沒有得到恰當(dāng)?shù)芈鋵嵓皾B透，導(dǎo)致計算思維核心概念體現(xiàn)在教材層面的因教材而異、講授層面教師的隨心所欲和理解層面學(xué)生的千差萬別。表2是我們結(jié)合多年教學(xué)研究及實踐經(jīng)驗整理的計算機基礎(chǔ)3個領(lǐng)域內(nèi)容與計算思維知識點融合的內(nèi)容體系布局。

3.3 計算思維的培養(yǎng)及計算機基礎(chǔ)課程的核心價值定位

綜合分析課程面臨的危機以及受其培養(yǎng)學(xué)生具備的通用計算手段與社會急切期盼學(xué)生掌握的專業(yè)計算手段之間的巨大鴻溝，我們認(rèn)為計算機基礎(chǔ)課程改革的探索點必須是強化思維性教學(xué)，強調(diào)計算思維特別是可實現(xiàn)思維的頓悟與培養(yǎng)，以思維引導(dǎo)輻射一系列的相關(guān)知識技能塊。我們以0、1思維和遞歸思維的例子說明思維與知識的雙向流程。

3.3.1 0、1思維

以計算機中的二進(jìn)制編碼為例，如果單純從知識的角度，這些內(nèi)容可講可不講，但從0和1思維角度考慮，這是計算機及其自動化基本思維的任督二脈，將此二脈打通對于學(xué)生們此后掌握與信息相關(guān)的通用及專業(yè)方面各知識點有醍醐灌頂之效。例如，按如下順序為學(xué)生講授二進(jìn)制的現(xiàn)實表示與存儲時，現(xiàn)實世界可以表示為0和1→用0和1可進(jìn)行邏輯與算術(shù)運算→0和1可以用電子技術(shù)實現(xiàn)→用二、三極管等實現(xiàn)基本門電路→組合邏輯電路實現(xiàn)→芯片（層次化復(fù)雜組合邏輯電路）。一路沿線均涉及大量的相關(guān)學(xué)科知識和應(yīng)用領(lǐng)域，對學(xué)生今后的專業(yè)知識研究與拓展有提綱挈領(lǐng)功效。0和1思維可以相關(guān)到描述現(xiàn)實世界的“陰爻”和“陽爻”易經(jīng)知識；用0和1進(jìn)行邏輯與算術(shù)運算涉及布爾代數(shù)、電工電子等學(xué)科領(lǐng)域知識；用晶體管實現(xiàn)基本門電路涉及模擬、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域知識；用0和1思維構(gòu)造層次化復(fù)雜組合邏輯電路，涉及芯片組、人工智能等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W科知識；而計算機之間的聯(lián)結(jié)，形成網(wǎng)絡(luò)上信息的互通，構(gòu)成了我們依賴程度越來越深的網(wǎng)絡(luò)世界，這是用0和1思維將人類生存的模擬世界轉(zhuǎn)換為數(shù)字世界，形成實體與虛擬兩個世界交互纏結(jié)的新景觀，如圖2所示。

3.3.2 遞歸思維

遞歸顧名思義分為遞（反復(fù)、遞減）和歸（歸路、出口），在自然界，我們遇到一個不會解的問題，都會盡量想辦法把這個問題拆解分治，這就是“遞”的思維，當(dāng)然遞的次數(shù)有可能出現(xiàn)無窮，“遞”的目的是找到“歸”出口，即解決問題的歸宿。對于人類來說，反復(fù)的“遞”實在太枯燥和低效，就像那個著名的笑話“從前有座山……”但是計算機的計算能力相當(dāng)強，而且會快速不厭其煩地反復(fù)“遞”下去，直到“歸”出現(xiàn)，求得最終的解，因此遞歸就是一種典型的計算思維。遞歸思維涉及的學(xué)科知識與應(yīng)用領(lǐng)域多到令人贊嘆，如圖3所示，涉及視覺美學(xué)的德羅斯特效應(yīng)（Droste effect）、傳媒及心理學(xué)領(lǐng)域電影——盜夢空間（Inception）、計算機中文件夾的復(fù)制、掃雷游戲的設(shè)計、圖的搜索、回溯、《禮記·大學(xué)》的“古之欲明明德于天下者，先治其國……”修身齊家治國平天下名篇、漢諾塔問題（Tower of Hanoi）、斐波那契數(shù)列（Fibonacci Sequence）以及由這個數(shù)列構(gòu)成的與植物學(xué)中關(guān)系極為密切的級數(shù)，如所有花朵的花瓣數(shù)、菠蘿表皮方塊形鱗苞形成兩組旋向相反的螺線、向日葵花盤等[4-5]。

這樣，我們實施計算機基礎(chǔ)通識教學(xué)時，在有限的課時內(nèi)，抓住一點（0和1思維、遞歸思維）能夠帶動影響一面，一方面，為日后學(xué)生們在各自專業(yè)領(lǐng)域?qū)W習(xí)時能夠事半而功倍；另一方面，為學(xué)生隨著知識技能的不斷積累，化繁為簡，在各學(xué)科、各領(lǐng)域之間尋找規(guī)律、提煉共性思維等方面提供借鑒之處。這正是實現(xiàn)思維“落地”與眾多學(xué)科交叉的雙向互動教學(xué)模式精髓體現(xiàn)的實例，讓青年學(xué)生能在雙向互動的教學(xué)模式中，形成各知識點間環(huán)環(huán)相扣、層層推導(dǎo)的思維意識。

計算思維的核心概念還有很多，教師須從學(xué)生喜歡并易于接受的案例入手，將各核心思維的概念和思維方法顯現(xiàn)出來，并引導(dǎo)學(xué)生將其應(yīng)用于各自學(xué)科研究及現(xiàn)實應(yīng)用領(lǐng)域中，實現(xiàn)各核心思維的“落地”效果。計算機基礎(chǔ)課程的核心價值就蘊含在計算機學(xué)科知識中，建立在可實現(xiàn)基礎(chǔ)上的能夠?qū)崿F(xiàn)雙向互動的思維教學(xué)上。雙向互動的思維性教學(xué)理念可概括為知識隨著思維的講解而展開，思維隨著知識的貫通而形成，能力隨著思維的理解和訓(xùn)練而提高[6-7]。

4 大學(xué)計算機基礎(chǔ)“寬專融”的課程體系構(gòu)建

面對知識膨脹與學(xué)時數(shù)壓縮的雙向夾逼，計算機基礎(chǔ)課程若采取緊隨技術(shù)更新步伐、注重技能不斷提升的教學(xué)改革方向，必然導(dǎo)致“狹義工具論”的課程定位以及遭受質(zhì)疑的危機后果。那么，計算機基礎(chǔ)課程如何定位及其課程體系如何構(gòu)建，才能在有限的學(xué)時內(nèi)既讓學(xué)生掌握通用計算手段，又為其向?qū)I(yè)計算手段的躍遷提供有效的途徑？我們提出了基于計算思維的基礎(chǔ)課程核心價值平臺上的“寬專融”大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程體系，如圖4所示。

“寬”是指通識型課程，“?！笔侵笇I(yè)型課程，“融”是指交叉型課程。通識型課程服務(wù)于學(xué)校公共基礎(chǔ)教學(xué)和基本素質(zhì)培養(yǎng)，以培養(yǎng)學(xué)生對計算機系統(tǒng)的基本理解和對計算工具的應(yīng)用技能，同時在教學(xué)過程中注重學(xué)生對核心計算思維的提煉意識與演繹。專業(yè)型課程根據(jù)不同專業(yè)類別的需要，圍繞相應(yīng)的計算機技術(shù)來組織課程內(nèi)容，深入講解若干種具體的計算機應(yīng)用技術(shù)。交叉型課程則是隨著計算技術(shù)在各專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入而產(chǎn)生的一類新的課程形式，這些課程不僅在內(nèi)容上以相應(yīng)專業(yè)為背景并融合計算機技術(shù)，同時還可以反映出各學(xué)科領(lǐng)域新的發(fā)展方向。

對于不同辦學(xué)層次的各個高校而言，計算機基礎(chǔ)課程設(shè)置不僅要考慮計算機教學(xué)的基礎(chǔ)課特性，而且須考慮各專業(yè)人才培養(yǎng)時其計算工具的應(yīng)用特點，各專業(yè)分門別類、各成體系，其知識點更似繁星點點。如何打破計算機系統(tǒng)平臺環(huán)境使用技能與各專業(yè)實踐應(yīng)用所需的計算技術(shù)之間的屏障，即實現(xiàn)計算機基礎(chǔ)通識類課程培養(yǎng)的通用計算手段向各專業(yè)計算手段的躍遷，唯有尋找到計算機基礎(chǔ)知識體系中各知識點的規(guī)律并提煉共性，沉淀成一個個可實現(xiàn)的核心思維，才能融聚成一個個核心思維的基礎(chǔ)通識類課程，這就如同蒲公英一樣，學(xué)生們在基礎(chǔ)課程中掌握的每個核心思維像一顆顆種子，將引導(dǎo)并加快其在各自專業(yè)領(lǐng)域計算技術(shù)的掌握進(jìn)程。

5 結(jié) 語

在當(dāng)前的信息化社會，計算機基礎(chǔ)作為非計算機專業(yè)學(xué)生的第一門計算機通識類課程，如何讓學(xué)生有能力適應(yīng)瞬息萬變的外部環(huán)境是學(xué)習(xí)本門課程的關(guān)鍵。我們立足于計算思維培養(yǎng)的理念，提出了基于知識的技能傳授向基于應(yīng)用的思維能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)換的教學(xué)改革思路，定位了計算機基礎(chǔ)課程的核心價值，基于計算機基礎(chǔ)課程核心價值平臺構(gòu)建了“寬專融”的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程體系，充分考慮其如何與各專業(yè)教育良好結(jié)合，從而為各非計算機專業(yè)學(xué)生掌握通用計算手段向?qū)I(yè)計算手段的躍遷提供了有效途徑。

基金項目：山西省高等學(xué)校教學(xué)改革項目（J2013072）；山西省軟科學(xué)基金資助項目（2013041069-03）；山西大同大學(xué)教學(xué)改革項目（XJG2014219）；山西大同大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)重點項目（XDC2016116）。

第一作者簡介：王文軍，男，副教授，研究方向為數(shù)據(jù)庫技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘、圖分析與可視化研究，wwjwajun@126.com。

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（編輯：宋文婷）