新時(shí)期大學(xué)計(jì)算機(jī)教材及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重構(gòu)方案

張 龍，李鳳霞，劉 茜

（1. 高等教育出版社，北京 100029；2. 北京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京100081）

0 引 言

2010年左右，隨著移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新概念和新技術(shù)的出現(xiàn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人文科學(xué)、自然科學(xué)等許多領(lǐng)域引發(fā)了一系列革命性的突破。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授（Jeannette M. Wing）提出并詳細(xì)闡述了計(jì)算思維概念[1]，陳國良院士進(jìn)一步結(jié)合中國大學(xué)計(jì)算機(jī)教育解釋了計(jì)算思維并提出“以計(jì)算思維為導(dǎo)向”的改革總目標(biāo)[2]，國內(nèi)9所高校提出“以計(jì)算思維為核心的大學(xué)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)進(jìn)入了以計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革新階段。

1 大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革的必要性

各行各業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的需求不斷變化，中小學(xué)信息技術(shù)教育的快速普及，都成為大學(xué)計(jì)算機(jī)課程面臨的挑戰(zhàn)。如何在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程中體現(xiàn)類似大學(xué)數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)性學(xué)科的核心教學(xué)理念和穩(wěn)定的課程內(nèi)容，是近年來計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育工作者關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

1.1 需求牽引下的計(jì)算機(jī)科學(xué)軟、硬件系統(tǒng)新變化

CPU從單核、多核到眾核，網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)到通信網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)從原來的簡(jiǎn)單存儲(chǔ)到現(xiàn)在的存儲(chǔ)和計(jì)算融合，體系結(jié)構(gòu)從馮·諾伊曼模型到量子計(jì)算機(jī)，應(yīng)用從單機(jī)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異。計(jì)算機(jī)技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人文科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域全方位融合，向著智能化方向快速發(fā)展。高校各學(xué)科的發(fā)展都離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持；同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)融入其他學(xué)科的發(fā)展，更好地體現(xiàn)出魅力和價(jià)值。因此，學(xué)科的發(fā)展迫切要求大學(xué)計(jì)算機(jī)課程內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)。

1.2 信息技術(shù)基礎(chǔ)教育發(fā)展推動(dòng)下的課程標(biāo)準(zhǔn)新變化

2017年國家頒布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：“信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)由信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任4個(gè)核心要素組成?！备咧行畔⒓夹g(shù)必修課程包括數(shù)據(jù)與計(jì)算和信息系統(tǒng)與社會(huì)兩個(gè)模塊。高中信息技術(shù)選修Ⅰ包括數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)管理與分析、移動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)與創(chuàng)意、開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)6個(gè)模塊。高中信息技術(shù)選修Ⅱ課程包括算法初步、智能系統(tǒng)初步以及各高中自行開設(shè)的信息技術(shù)校本課程。高中階段信息技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的提升，也在倒逼大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革。

1.3 計(jì)算思維內(nèi)涵建設(shè)常態(tài)化背景下師生狀態(tài)的新變化

信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，需要高校教師不斷更新知識(shí)結(jié)構(gòu)、拓展技術(shù)視野，才能與時(shí)代同行，講授學(xué)科前沿及本質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容。另一方面，有的學(xué)生已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的原住民，但有的學(xué)生還沒有接觸到計(jì)算機(jī)，學(xué)生信息技術(shù)水平差距巨大。這些都是擺在教師面前的難題。大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的改革不僅要從課程內(nèi)容上深入研究，更要從教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)資源建設(shè)方面尋求改革的突破口。

教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)推動(dòng)了以計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革進(jìn)程。2011年以教育部高等教育司“大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目”研究為契機(jī)，教指委組織北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校圍繞若干重要問題展開深入研究，形成了重要共識(shí)：大學(xué)計(jì)算機(jī)課程作為通識(shí)教育的重要組成部分，應(yīng)該講授“計(jì)算學(xué)科中不變的東西”和“利用計(jì)算機(jī)解決各學(xué)科問題的一般方法”，將教學(xué)內(nèi)容由“基于知識(shí)的技能傳授”向“基于應(yīng)用的思維能力培養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變。學(xué)生不僅要了解計(jì)算機(jī)是什么，計(jì)算機(jī)能夠做什么、如何做，而且還要知道計(jì)算機(jī)學(xué)科解決問題的基本方法與特點(diǎn)，即學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域解決問題的基本思維方法。

從教學(xué)實(shí)施的角度，亟需基于以上共識(shí)建設(shè)一大批教學(xué)案例和教材，為高校教師提供具體的教學(xué)資源和支撐條件。

2 大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的教材內(nèi)容重構(gòu)方案

教材的內(nèi)容組織應(yīng)當(dāng)反映新的教學(xué)理念，只有從全新的視角規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，以計(jì)算機(jī)問題求解為主線，突出計(jì)算理論與計(jì)算機(jī)科學(xué)方法，并在教學(xué)內(nèi)容中滲透計(jì)算思維的基本概念，才能夠適應(yīng)新形勢(shì)下的人才培養(yǎng)需求。重構(gòu)方案見表1。

這個(gè)方案在內(nèi)容結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了大幅調(diào)整，由軟件工具教學(xué)置換為面向計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算問題的理論基礎(chǔ)、技術(shù)和方法。開篇第1章直接討論問題抽象與建模方法，引出計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)領(lǐng)域，試圖告訴學(xué)生計(jì)算機(jī)科學(xué)家在思考什么，基于計(jì)算機(jī)能做什么。第2章從計(jì)算機(jī)中的“數(shù)”與“碼”兩個(gè)方面闡述計(jì)算機(jī)信息表示和處理的基本概念和數(shù)字化方法，以展示計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維方式——形式化。隨后在第3—5章介紹了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的三大平臺(tái)，強(qiáng)調(diào)了計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化控制原理、資源管理機(jī)制和基于系統(tǒng)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算服務(wù)，充分體現(xiàn)了“用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的技術(shù)路線。最后用兩章的篇幅討論計(jì)算、算法與程序設(shè)計(jì)問題，闡述計(jì)算的本質(zhì)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的理論問題，幫助其他專業(yè)的讀者從計(jì)算機(jī)科學(xué)中找到對(duì)計(jì)算需求的支持。

由高等教育出版社出版、北京理工大學(xué)教師編寫的《大學(xué)計(jì)算機(jī)》[3]是根據(jù)教指委制定的《高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》出版的新型教材，展現(xiàn)了重構(gòu)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容的一種方案。

教材體現(xiàn)的重構(gòu)方案體現(xiàn)了幾個(gè)鮮明的特色。

（1）“以計(jì)算思維為導(dǎo)向”的基本思路。對(duì)工具軟件主導(dǎo)的傳統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行了顛覆性革新，強(qiáng)調(diào)面向問題的計(jì)算思維。在內(nèi)容上安排了體現(xiàn)“問題求解、系統(tǒng)構(gòu)建”的計(jì)算機(jī)科學(xué)體系，有助于學(xué)生形成計(jì)算機(jī)思維理念的培養(yǎng)，也嵌入了新技術(shù)、新思路和新應(yīng)用的有關(guān)介紹。

（2）“以問題導(dǎo)入主題”的框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上在每章開頭都采用了“問題導(dǎo)入”形式，在敘述中插入了多個(gè)“情景問題”，構(gòu)成了具有鮮明特色的問題導(dǎo)向框架。這個(gè)框架實(shí)質(zhì)上是一個(gè)科學(xué)問題鏈，需要讀者在分析問題的過程中深入思考，領(lǐng)會(huì)計(jì)算思維的“問題求解”方法。

（3）“以新技術(shù)新方法為牽引”的基本方法。以新技術(shù)新方法為起點(diǎn)，展開各學(xué)科需要的計(jì)算問題的內(nèi)容，諸如計(jì)算、算法、高性能、大數(shù)據(jù)以及諸多學(xué)科問題等，前瞻性和基礎(chǔ)性并舉，引導(dǎo)學(xué)生從構(gòu)建系統(tǒng)層面分析問題，從技術(shù)支持角度思考問題，從面向應(yīng)用出發(fā)解決問題，拓寬視野，體會(huì)計(jì)算機(jī)文化的精髓和價(jià)值。

3 大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)體系創(chuàng)建

以計(jì)算思維為核心的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容的組織，強(qiáng)調(diào)對(duì)計(jì)算系統(tǒng)和環(huán)境的理解，突出計(jì)算機(jī)技術(shù)與專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的深度融合。那么，與之對(duì)應(yīng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也必然發(fā)生變化。為此，教材作者團(tuán)隊(duì)對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也進(jìn)行了重構(gòu)，梳理了大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的技能點(diǎn)，并針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本理論和系統(tǒng)概貌專門設(shè)計(jì)演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重構(gòu)方案見表2。

表1　教材內(nèi)容重構(gòu)方案

表2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重構(gòu)方案

同時(shí)，北京理工大學(xué)國家仿真虛擬實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)依據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，專門開發(fā)了“虛擬實(shí)驗(yàn)軟件”，采用了虛擬現(xiàn)實(shí)、圖形圖像、可視化、人機(jī)交互等多種技術(shù)，將所有實(shí)驗(yàn)以虛擬軟件方式呈現(xiàn)[4]。虛擬實(shí)驗(yàn)軟件具有顯著的特點(diǎn)。

（1）虛擬實(shí)驗(yàn)具有直觀性，讓流動(dòng)的信息可見，有助于教師更好地講授復(fù)雜的計(jì)算機(jī)概念，降低課程教學(xué)難度，例如“字符編碼與信息交換”“一條指令的執(zhí)行過程”。這些看不見摸不著的概念，既無法通過操作系統(tǒng)直接展示，又很難講解字符的編碼過程和指令的執(zhí)行過程，通過虛擬實(shí)驗(yàn)讓該教學(xué)難題迎刃而解。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)具有交互性，讓微觀的結(jié)構(gòu)可及，有利于讀者直觀地理解計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理，同時(shí)降低教學(xué)設(shè)備投入成本。例如“圖靈機(jī)模型與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)虛擬拆裝”，在計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備有限的情況下，可以組織學(xué)生在虛擬試驗(yàn)中反復(fù)試驗(yàn)，明白計(jì)算機(jī)中每一個(gè)硬件的位置、作用及運(yùn)行原理，然后再實(shí)際操作，提高實(shí)驗(yàn)效率。

（3）虛擬實(shí)驗(yàn)可以完成在實(shí)際環(huán)境中無法完成（或者代價(jià)較大）的操作，例如“文件管理與磁盤恢復(fù)”“云計(jì)算與虛擬服務(wù)”。通過這些實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生最大限度地掌握實(shí)際系統(tǒng)的操作方法，強(qiáng)化理論與實(shí)踐的鏈接，使學(xué)生更容易理解和接受整個(gè)教學(xué)過程。

4 結(jié) 語

虛擬實(shí)驗(yàn)軟件目前已經(jīng)在北京理工大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、北京工商大學(xué)等20余所院校中應(yīng)用，通過北京理工大學(xué)創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)工場(chǎng)，向各高校提供大學(xué)計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，以便各高校學(xué)生在其中完成實(shí)驗(yàn)練習(xí)。目前北京理工大學(xué)、北華航天工業(yè)學(xué)院、北方工業(yè)大學(xué)、華北理工大學(xué)、齊齊哈爾大學(xué)等高校各自有近2 000學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)練習(xí)。實(shí)踐證明，用虛擬仿真方法促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，為推動(dòng)計(jì)算思維能力培養(yǎng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革具體落實(shí)提供了一個(gè)可行的實(shí)施方案。

參考文獻(xiàn)：

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

[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): 7-11.

[3]李鳳霞, 陳宇峰, 史樹敏, 等. 大學(xué)計(jì)算機(jī)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2014.

[4]李鳳霞, 陳宇峰, 李仲君, 等. 大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2013.