計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與計(jì)算思維相結(jié)合的“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”課程知識(shí)體系構(gòu)建研究

馬思根 劉文江

摘? 要： “計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”作為計(jì)算機(jī)類學(xué)生的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，構(gòu)建好這門課程的教學(xué)知識(shí)體系，為后續(xù)課程打好專業(yè)基礎(chǔ)，并培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，顯得尤為重要。文章從分析國內(nèi)高校“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”課程教學(xué)的狀況出發(fā)，結(jié)合我校在該課程近幾年教學(xué)范式改革中探索出的經(jīng)驗(yàn)，提出了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與計(jì)算思維相結(jié)合的課程教學(xué)改革方案以及課程的教學(xué)知識(shí)體系。希望能為承擔(dān)該課程教學(xué)的同行提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ); 計(jì)算思維; 計(jì)算機(jī)導(dǎo)論; 課程知識(shí)體系

中圖分類號(hào)：TP311.1-4;G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2019）05-87-04

Abstract： "Introduction to Computer" as the first professional basic course for computer majored student， it is particularly important to construct the knowledge system of the course for teaching， in order to lay a good professional foundation for the follow-up courses， cultivate students' abilities of computational thinking and innovation， and stimulate students' interest in professional learning. Based on the analysis of the current teaching situation of "Introduction to Computer" course in domestic universities， and combined with the experience of teaching paradigm reform in our university， this paper puts forward the teaching reform direction of combining computer foundation with computational thinking， and the knowledge system of the course for teaching， hoping to provide reference for colleagues who undertake the same course teaching.

Key words： computer foundation; computational thinking; introduction to computer; knowledge system of the course

0 引言

計(jì)算機(jī)導(dǎo)論是計(jì)算機(jī)類專業(yè)大學(xué)一年級(jí)新生的第一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程肩負(fù)著引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入計(jì)算機(jī)學(xué)科大門，系統(tǒng)地向?qū)W生介紹計(jì)算機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，構(gòu)建學(xué)科專業(yè)知識(shí)體系框架，并提高計(jì)算機(jī)實(shí)踐應(yīng)用能力的基本教學(xué)任務(wù)。同時(shí)，課程還必須跟蹤計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)及最新進(jìn)展，開展探索性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力和專業(yè)素養(yǎng)，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)學(xué)生探索計(jì)算機(jī)科學(xué)的興趣等教學(xué)職責(zé)。

近年來，我國高校為了提高教學(xué)質(zhì)量，各種教學(xué)改革在不斷推陳出新。在大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)中有目的地引入計(jì)算思維，并且加以適當(dāng)?shù)挠?xùn)練，有利于提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的理解和認(rèn)識(shí)，有利于訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維[1-5]?？梢姡?jì)算思維能力的培養(yǎng)已成為國內(nèi)外計(jì)算機(jī)教育的重點(diǎn)研究課題[6]。因此，計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)要在介紹計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、訓(xùn)練計(jì)算機(jī)基本應(yīng)用操作技能和指導(dǎo)專業(yè)學(xué)習(xí)方法的基礎(chǔ)上，還要著重培養(yǎng)學(xué)生具有計(jì)算機(jī)學(xué)科的思維能力，使學(xué)生領(lǐng)會(huì)從事本學(xué)科工作的價(jià)值所在和計(jì)算機(jī)學(xué)科的力量[7-8]。課程的知識(shí)體系構(gòu)建不僅針對(duì)課程教學(xué)本身，還要從計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生整個(gè)大學(xué)的計(jì)算學(xué)科思維能力構(gòu)建出發(fā)，只有站在這樣的高度去構(gòu)建課程教學(xué)知識(shí)體系才更科學(xué)。

1 計(jì)算思維及其特征

計(jì)算思維（Computational Thinking）被認(rèn)為是繼實(shí)證思維（以物理等學(xué)科為基礎(chǔ)）和邏輯思維（以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)）之后第三種最重要的思維模式。計(jì)算思維就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等，它涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)[9-28]。這是周以真教授給計(jì)算思維的定義，同時(shí)她還給出了計(jì)算思維更詳細(xì)的七種描述和六大特征，其核心是計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)思維方法，思維方法是人的，不是計(jì)算機(jī)的。也就是說，雖然計(jì)算思維是用計(jì)算機(jī)學(xué)科中的算法與策略來分析和解決問題，但是跟一般思維技能類似，是一種計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的解決問題方法，在這種方法或運(yùn)算邏輯規(guī)范下，不同的輸入數(shù)據(jù)會(huì)得出與其對(duì)應(yīng)的相對(duì)獨(dú)立的輸出結(jié)果。因此，從計(jì)算機(jī)科學(xué)的視角出發(fā)，計(jì)算思維嚴(yán)格來說只是算法思維邏輯，是用系統(tǒng)的方法描述解決問題的策略或思路，與具體計(jì)算機(jī)硬件和軟件本身無關(guān)，可以針對(duì)某個(gè)算法思維邏輯，開發(fā)出可運(yùn)行于其他不同硬件及操作系統(tǒng)平臺(tái)上的程序或應(yīng)用軟件系統(tǒng)。計(jì)算思維適用于學(xué)習(xí)和從事各種專業(yè)的人們，而不僅限于計(jì)算機(jī)類專業(yè)人才。

2 以往課程教學(xué)內(nèi)容及其存在的不足

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)課程教學(xué)在我國高校已有三十多年的發(fā)展歷史，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為類似英語、高等數(shù)學(xué)、政治理論、法律基礎(chǔ)等課程一樣普及和重要的基礎(chǔ)課程。三十多年來，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程始終跟隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要不斷進(jìn)行改革，調(diào)整課程教學(xué)內(nèi)容和方式、方法，以不斷適應(yīng)人才培養(yǎng)的需求。

一直以來該課程無法形成普遍共識(shí)的課程教學(xué)知識(shí)體系，沒有像高等數(shù)學(xué)、大學(xué)英語那樣在全國普遍認(rèn)可的統(tǒng)一教材及課程教學(xué)內(nèi)容和實(shí)施方案，但是大體上離不開以下幾種情況：①有些高校把面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)課程與專門為計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的內(nèi)容雷同;②有些高校把專門為計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程與面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)課程完全割裂開來，兩門課程的內(nèi)容幾乎完全不一樣;③有些高校對(duì)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論與計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)課程進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容上的區(qū)分，但前者主要強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)，即計(jì)算機(jī)原理，后者主要強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，即Office辦公軟件操作，兩門課程均未適當(dāng)引入計(jì)算思維的教學(xué)內(nèi)容。不管是哪種情況，均不能體現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)學(xué)科發(fā)展，沒有提升學(xué)生處理問題，特別是利用計(jì)算機(jī)知識(shí)和計(jì)算思維解決各種專業(yè)問題的能力，也沒有很好的適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的需要。

近年來，雖然不少高校明確在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中把計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為核心任務(wù)[13]，加強(qiáng)以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的研究[29-31]。并不斷加強(qiáng)以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革與創(chuàng)新[32]。但是，通過考察這些高校的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)體系不難發(fā)現(xiàn)，不少高校在強(qiáng)化計(jì)算思維能力培養(yǎng)的同時(shí)，卻忽略了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)學(xué)習(xí)方法的導(dǎo)入，而且在實(shí)踐教學(xué)部分沒有做到不斷提升運(yùn)用計(jì)算思維來處理問題的綜合能力，造成了學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的困惑，沒有為后續(xù)課程建立應(yīng)有的專業(yè)基礎(chǔ)。可見，計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程不僅要給計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)習(xí)打好計(jì)算機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)，還需要培養(yǎng)學(xué)生具有“計(jì)算思維”能力，還更要使學(xué)生因具有計(jì)算思維而提升其學(xué)科創(chuàng)新能力。

3 課程知識(shí)體系的構(gòu)建與實(shí)施

計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的知識(shí)體系構(gòu)建應(yīng)以計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論、計(jì)算思維和實(shí)踐能力培養(yǎng)為主線，采用“理論基礎(chǔ)+計(jì)算思維+實(shí)驗(yàn)提升”的培養(yǎng)方式，既要為計(jì)算機(jī)類專業(yè)內(nèi)不同專業(yè)、不同層次學(xué)生打好計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)，又要能提升不同層次學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的積極性和探索性。

課程知識(shí)體系中的理論基礎(chǔ)部分以理解計(jì)算機(jī)基本原理和計(jì)算思維學(xué)科概念及原理為目標(biāo)，從認(rèn)識(shí)問題、理解問題、組織問題、解決問題為出發(fā)點(diǎn)，再到計(jì)算思維的理解和建立過程。強(qiáng)調(diào)認(rèn)識(shí)和理解計(jì)算思維的本質(zhì)，為通過計(jì)算思維程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維的基本過程做鋪墊，避免理論知識(shí)體系的大跨度跳躍[4]。理論基礎(chǔ)包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)、數(shù)字系統(tǒng)及數(shù)據(jù)表示、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)、規(guī)模數(shù)據(jù)的有效管理、復(fù)雜問題的處理和計(jì)算思維基礎(chǔ)等。實(shí)驗(yàn)提升部分是在理解計(jì)算機(jī)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)計(jì)算思維能力為目的，從認(rèn)識(shí)、組裝計(jì)算機(jī)硬件，到軟件系統(tǒng)安裝，強(qiáng)化各個(gè)實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決專業(yè)實(shí)際問題的能力，包括硬件系統(tǒng)組裝及維護(hù)、日常信息管理、操作系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)共享應(yīng)用到計(jì)算思維程序設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，課程知識(shí)體系如圖1所示。

基礎(chǔ)理論部分主要是通過學(xué)生預(yù)習(xí)、教師課堂講授、課后學(xué)生作業(yè)鞏固等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展，計(jì)算機(jī)基本概念、原理及組成，計(jì)算機(jī)類專業(yè)的基本知識(shí)體系，計(jì)算機(jī)學(xué)科方法和計(jì)算機(jī)思維等有一個(gè)廣而不深的理解。實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)是課程教學(xué)的重要組成部分，更是應(yīng)用提升部分，在實(shí)驗(yàn)操作的各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持“分層指導(dǎo)、分組實(shí)驗(yàn)、互助學(xué)習(xí)、理論與實(shí)踐并重、課內(nèi)與課外互補(bǔ)、必做實(shí)驗(yàn)與選做實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”的原則，建立多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)媒體資源、QQ和微信等其他靈活的溝通交流方式指導(dǎo)和督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生們的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。課程實(shí)驗(yàn)采用課內(nèi)集中、課外分散，按組實(shí)驗(yàn)和自主實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式開展。其中，集中實(shí)驗(yàn)根據(jù)課程進(jìn)度，安排到統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)室;分組實(shí)驗(yàn)可在課內(nèi)集中實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行，也可由組里成員商定實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并分工協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容;自主實(shí)驗(yàn)的自由度較大，學(xué)生可以利用自己的電腦或?qū)W校內(nèi)外公有實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)組裝實(shí)驗(yàn)、Office辦公軟件及基本圖像處理訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)、Windows 10系統(tǒng)管理實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算思維訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)等。在確保實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的能力和層次適當(dāng)增加一些綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)開展過程采取分層次、循序漸進(jìn)的模式，由淺入深、由簡(jiǎn)單到綜合、再由綜合到創(chuàng)新，課內(nèi)課外結(jié)合[33]，做到不同層次的學(xué)生兼顧，并鼓勵(lì)基礎(chǔ)好的優(yōu)秀學(xué)生發(fā)揮自主創(chuàng)意、獨(dú)立或組隊(duì)完成水平較高的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)[34]。

4 結(jié)束語

我校在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程教學(xué)范式改革過程中，對(duì)2015級(jí)學(xué)生開始引入計(jì)算思維，將其作為課程教學(xué)的重點(diǎn)。平衡好計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與計(jì)算思維的教學(xué)內(nèi)容，包括在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的銜接和提升，這是此課程知識(shí)體系構(gòu)建的核心。通過幾年的課程知識(shí)體系構(gòu)建和教學(xué)實(shí)施，使計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課在保證原有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)知識(shí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，著重計(jì)算思維的培養(yǎng)，其過程貫穿于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)日常管理、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)共享、計(jì)算思維基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)，以及綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等各節(jié)。其實(shí)，面向計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程知識(shí)體系構(gòu)建與實(shí)踐，就是將計(jì)算思維通過計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，并輔助以專門計(jì)算思維程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使得計(jì)算思維教學(xué)滲透到學(xué)生的日常學(xué)習(xí)思維活動(dòng)中，進(jìn)而為提升其自身創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力奠定基礎(chǔ)。

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