程序設(shè)計驅(qū)動計算思維能力培養(yǎng)的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課的改革和研究

張賽男 鄭長友 蔣園園 洪宇

摘? 要：大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)是根據(jù)教育部計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)指導(dǎo)委員會培養(yǎng)要求開設(shè)的公共基礎(chǔ)課程，是眾多課程的基礎(chǔ)。在很多高校關(guān)于大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)這門課的教學(xué)大綱中都明確要求課程教學(xué)以計算思維培養(yǎng)為目標(biāo)。本文主要介紹我校以Python語言進(jìn)行程序設(shè)計實(shí)踐，以計算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)改革中的難點(diǎn)以及解決思路和方法。課程的改革有效地推動了低年級學(xué)生工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新應(yīng)用能力的提高。

關(guān)鍵詞：大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ);計算思維;實(shí)踐;Python;程序設(shè)計

中圖分類號：TP301? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Reform and Research on University Computer Foundation Driven by

Programming for the Training of Computational Thinking Ability

ZHANG Sainan，ZHENG Changyou，JIANG Yuanyuan，HONG Yu

（Institute of Command Information System，Army Engineering University，Nanjing 210007，China）

Abstract：University Computer Foundation is a general foundation course offered according to the training requirements of the Computer Foundation Teaching Steering Committee of the Ministry of Education.It is the basis of many courses.In the syllabus of University Computer Foundation in many colleges and universities，it is clearly required that the teaching of computational thinking be the goal of the course.This paper takes our school as an example to discuss the difficulties of teaching reform and research and the ways to solve them based on the practice of programming in Python language and oriented by the cultivation of computational thinking ability.

Keywords：University Computer Foundation;computational thinking;practice;Python;programming

1? ?引言（Introduction）

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)是教育部計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)指導(dǎo)委員會要求開設(shè)的公共基礎(chǔ)課程，是大學(xué)各專業(yè)一年級新生的第一門計算機(jī)課程，也是本科各學(xué)科專業(yè)學(xué)生必修的公共基礎(chǔ)課程[1]。大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的目標(biāo)之一是要掌握理解計算機(jī)的基本原理，例如：信息的表示、計算機(jī)軟硬件知識、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)以及多媒體的基本常識，在教學(xué)實(shí)施的過程中有意識地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維意識，展現(xiàn)計算思維方法，而計算思維能力就必須通過實(shí)驗(yàn)來加強(qiáng)學(xué)生的基本應(yīng)用技能來體現(xiàn)。在理論培養(yǎng)和基本應(yīng)用技能培養(yǎng)的過程中理解計算機(jī)在處理問題過程中所展現(xiàn)的科學(xué)思維方式，同時培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題的工程應(yīng)用能力，進(jìn)而在這基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。隨著周以真教授提出的“計算思維”的概念的推廣，各大高校已經(jīng)認(rèn)識到計算思維在計算機(jī)基礎(chǔ)學(xué)科中的重要性，因此將學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)作為目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將程序設(shè)計內(nèi)容引入到大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中?，F(xiàn)已有很多高校已經(jīng)付諸實(shí)施，并且取得了一定的效果。

傳統(tǒng)的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程理論知識點(diǎn)主要包含信息的表示、計算機(jī)系統(tǒng)組成、操作系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫以及多媒體等內(nèi)容，而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則以操作系統(tǒng)的使用、辦公軟件的應(yīng)用和多媒體制作為主。為了培養(yǎng)計算思維能力，顯然這種基于使用軟件式的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是不能滿足這一培養(yǎng)目標(biāo)的需求。為了能在課程中向?qū)W生傳遞計算思維的理念，在實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容中加入程序設(shè)計內(nèi)容，通過計算機(jī)編程來模擬計算機(jī)軟硬件知識，例如，可以通過編程來模擬對數(shù)據(jù)庫的添加、刪除、修改等操作，通過實(shí)際問題的解決來推動學(xué)生對計算機(jī)理論知識的認(rèn)識，促進(jìn)計算思維能力的培養(yǎng)。

2? 實(shí)踐能力的培養(yǎng)促進(jìn)計算機(jī)思維的培養(yǎng)（The training of practical ability promotes the training of computational thinking）

周以真教授對計算思維的定義是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為[1]，計算思維是人機(jī)共存的思維，強(qiáng)調(diào)機(jī)器實(shí)現(xiàn)和問題求解的具體操作過程。它通過運(yùn)用約簡、轉(zhuǎn)化、嵌入，以及仿真等方式以合適的方式去表述一個問題，并對這個問題的相關(guān)方面進(jìn)行建模，將看似困難的問題闡釋為我們知道如何去求解的問題，尋求并運(yùn)用最有效的方法去解決問題。這其中含了三個層次的內(nèi)容：計算思維意識、計算思維方法和計算思維能力。計算思維能力的培養(yǎng)是一個長期的過程，而大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)這門課是學(xué)生入手的第一門計算機(jī)相關(guān)的課程，因此對于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)非常關(guān)鍵。學(xué)生首先必須要有計算思維意識，然后使用計算思維方法去解決問題，進(jìn)而培養(yǎng)計算思維的能力。

傳統(tǒng)的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)的實(shí)施過程中，注重的是知識原理的掌握和理解。在確定以計算思維培養(yǎng)為目標(biāo)之后，教師要有目的的去培養(yǎng)學(xué)生的計算思維意識，向?qū)W生展示計算思維的方法，通過計算思維方法解決實(shí)際問題達(dá)到計算思維培養(yǎng)的目標(biāo)。因此需要建立計算思維在計算機(jī)基礎(chǔ)課程中的表達(dá)體系，將其融入和映射到理論知識點(diǎn)和應(yīng)用技能點(diǎn)之中，以能力標(biāo)準(zhǔn)作為計算思維在課程中的落腳點(diǎn)和表現(xiàn)形態(tài)，以能力要求來推動學(xué)生計算思維品質(zhì)的提升，這也是學(xué)生掌握計算思維思想與方法的有效途徑[2]。

能力要求則體現(xiàn)在課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上，實(shí)驗(yàn)過程是描述問題、抽象問題和解決問題的過程，也是思維在課程的落腳點(diǎn)，把計算思維方法運(yùn)用于解決實(shí)際問題的能力上。引入程序設(shè)計實(shí)踐教學(xué)部分主要是實(shí)踐學(xué)生所學(xué)習(xí)的理論知識。因?yàn)镻ython語法簡單，提供很多功能函數(shù)及接口，對于一年級的新生來說比其他編程語言更加容易上手。對于教師而言則可以把更改多的精力投入到把編程語言作為工具去解決問題上，而不是講解編程語言的語法上。因此我校選用Python語言，而且很多高校也都選擇了Python語言。

3 我校在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中存在的問題（Problems in the teaching of University Computer Foundation in our university）

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)涉及計算機(jī)專業(yè)多門課程的知識，例如：計算機(jī)系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、多媒體、操作系統(tǒng)等，課程內(nèi)容多、學(xué)時少、學(xué)生程度不一?，F(xiàn)階段我校大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程課時、學(xué)生和教師、思想認(rèn)識上等多方面都存在有諸多困難和挑戰(zhàn)：

（1）總課時壓縮成48課時，其中理論和實(shí)驗(yàn)各24課時，每節(jié)課時間壓縮至45分鐘，理論內(nèi)容較多，課時數(shù)有限，每個班級人數(shù)也比較多。多年的教學(xué)發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生僅僅滿足學(xué)習(xí)計算機(jī)基礎(chǔ)知識、基本操作，把計算機(jī)當(dāng)作工具會用即可。

（2）學(xué)生基礎(chǔ)高低不同，選擇Python作為實(shí)踐工具，計算思維融入和映射到應(yīng)用技能，教師在實(shí)踐內(nèi)容的把握和選取上還需多思考。

（3）教師當(dāng)中存在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)就是講解計算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)的片面觀念。

（4）教師在課堂上實(shí)際上在進(jìn)行無意識的計算思維教學(xué)。由于計算思維受重視的時間不長，但是因?yàn)橐环矫嬗嬎銠C(jī)應(yīng)用的本質(zhì)是問題求解[1]，另一方面計算機(jī)問題求解過程就是使用計算思維方法去解決問題的過程，因此，在基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中要時刻去體現(xiàn)、展示計算思維。

（5）由于早前對計算思維重要性認(rèn)識不足，沒有意識到計算思維的重要性，而且計算思維能力的培養(yǎng)是一個長期的過程，需要教師在計算機(jī)基礎(chǔ)學(xué)科中提高認(rèn)識，把計算思維能力的培養(yǎng)作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的首要任務(wù)[3]。

4? 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課的改革中存在的幾個問題（Several problems in the reform of University Computer Foundation）

如何在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中傳遞計算思維，以提高學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)知識描述問題、抽象問題和解決問題的能力？以計算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計算機(jī)課程教學(xué)改革面臨諸多困難。

（1）我校從2017年開始進(jìn)行大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程改革，按照大綱設(shè)置理論課教學(xué)內(nèi)容，但是還需要在對課程內(nèi)容進(jìn)行提高和優(yōu)化。教師還需要把對計算思維的表達(dá)融入理論知識點(diǎn)和實(shí)踐中，以實(shí)踐能力為抓手達(dá)到推動學(xué)生計算思維能力的提升。

（2）在實(shí)驗(yàn)思維訓(xùn)練環(huán)節(jié)中，選擇Python語言作為實(shí)踐語言，如何通過Python工具求解問題來訓(xùn)練計算思維能力還需多探討。

（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)成績的評價方法。目前實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)根據(jù)教學(xué)大綱的要求從傳統(tǒng)的以使用軟件為主的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆捎肞ython程序?qū)嵺`的方式進(jìn)行，但在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇還不能很好地支撐理論教學(xué)的內(nèi)容，也不能很好地體現(xiàn)計算思維的概念。

（4）缺少實(shí)驗(yàn)平臺的支撐。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)沒有實(shí)驗(yàn)平臺的支撐，教師不太容易掌握每個學(xué)生的課前、課中和課后預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)和課后作業(yè)情況。實(shí)驗(yàn)課時間每次課90分鐘，如果每個班的上課人數(shù)較多，達(dá)到60人以上，那么對于教師挨個檢查實(shí)驗(yàn)情況是很困難也不太現(xiàn)實(shí)的，因此來說對于實(shí)驗(yàn)成績的客觀評價不能很好地體現(xiàn)。

（5）缺少適合我校學(xué)生的配套的理論教材和實(shí)驗(yàn)教材。

（6）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的整合還不完善。為了方便學(xué)生能夠預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)，課程的每個知識點(diǎn)的教學(xué)視頻、預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)資料、參考資料都需要進(jìn)行整合。在整合資源的同時還需要增加教師和學(xué)生之間的互通，需要通過增加網(wǎng)絡(luò)交流平臺方便學(xué)生問題留言、教師回答問題以及學(xué)生之間的討論。

5? 思維為導(dǎo)向，能力驅(qū)動的改革思路和實(shí)施過程（Thought-oriented and ability-driven reform ideas and implementation process）

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程包括分為理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩部分內(nèi)容。在課程內(nèi)容上兼顧計算機(jī)基礎(chǔ)知識和計算思維，將信息表示與處理、計算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫多媒體等知識作為教學(xué)內(nèi)容，然后將這些理論知識作為計算思維求解問題的研究對象，并加以實(shí)踐，來應(yīng)用計算機(jī)思維解決各領(lǐng)域問題。最終，希望通過這種問題求解的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生在理解計算機(jī)基礎(chǔ)知識的同時能夠主動在各自專業(yè)學(xué)習(xí)中利用計算思維的方法和技能，進(jìn)行問題求解，能動手解決具有一定難度的實(shí)際問題[4]。

5.1? ?依據(jù)教學(xué)對象和教學(xué)目標(biāo)合理設(shè)計理論與實(shí)踐的授課內(nèi)容

圍繞下發(fā)的教學(xué)大綱以及課程實(shí)施的教學(xué)對象，依據(jù)計算機(jī)的核心原理組織教學(xué)內(nèi)容。我校大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)的教學(xué)對象是一年級所有學(xué)生，其中包括各專業(yè)的本科層次學(xué)生以及專科層次學(xué)生。本科層次中有10%的學(xué)生是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)，如，網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)，指揮信息系統(tǒng)工程等，經(jīng)過入學(xué)前的調(diào)查發(fā)現(xiàn)這部分對計算機(jī)有一定的了解，有些學(xué)生在高中就參加過信息類的比賽，而也有不少學(xué)生對計算機(jī)基本不了解，所以必須要按照教學(xué)對象分層次來設(shè)置教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)。對于本科層次的學(xué)生主要理論內(nèi)容以及學(xué)時設(shè)置分布如表1所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和理論內(nèi)容對應(yīng)，通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來理解理論知識。在實(shí)驗(yàn)主要完成內(nèi)容如表2所示。

5.2? ?依據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)任務(wù)采用多元化的教學(xué)模式、教學(xué)方法

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)任務(wù)采用合理合適的教學(xué)模式和方法，例如，綜合實(shí)驗(yàn)：①創(chuàng)建文本文件，通過鍵盤輸入“I am? a college student”作為文件的內(nèi)容;②利用加密算法，對文件內(nèi)容加密。加密的算法是對文件中的每一個字符進(jìn)行逐個判斷，如果是字母，則進(jìn)行移位加密，否則就保留原樣，不做處理。移位加密是將26個字母看成一個環(huán)，比如當(dāng)輸入“computer”，若是對每一個字母移位2位，即a→c，b→d，c→e，以此類推，最后y→a，z→b，則經(jīng)過移2位的加密運(yùn)算后，輸出的結(jié)果應(yīng)該為“egorwvgt”;③將加密過的文本文件通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸;④對方接到文件后，進(jìn)行解密，得到原文件。對于綜合實(shí)驗(yàn)則可以采用任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式，可將其分解成多個子實(shí)驗(yàn)，按步驟推進(jìn)。教師在教學(xué)實(shí)施過程中應(yīng)注意學(xué)生和老師的“雙主”地位，鼓勵學(xué)生思考，培養(yǎng)計算思維意識、引導(dǎo)學(xué)生用計算思維方法去求解問題。對于此類綜合實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對應(yīng)的各個章節(jié)中的理論知識點(diǎn)緊密聯(lián)系起來，通過實(shí)驗(yàn)加深理論知識的理解。

理論知識部分，例如：對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的信息安全知識，則可以通過學(xué)生自主學(xué)習(xí)，以研究小報的形式呈現(xiàn);操作系統(tǒng)中多道程序設(shè)計的概念的理解則可以通過研討的方式來進(jìn)行課堂實(shí)施;對于信息的表示中進(jìn)制的轉(zhuǎn)換、原反補(bǔ)，以及浮點(diǎn)數(shù)的表示則可以通過預(yù)習(xí)作業(yè)讓學(xué)生完成學(xué)習(xí)，但是對于進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則以及為什么整數(shù)在計算機(jī)中采用反碼表示的背后的道理則需要教師在課堂上和學(xué)生一起探討。

無論采取什么樣的教學(xué)模式、教學(xué)方法，最根本的目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)能力及工程實(shí)踐應(yīng)用能力。

5.3? ?提供良好的實(shí)驗(yàn)平臺以及實(shí)驗(yàn)評價機(jī)制

以實(shí)踐能力為抓手達(dá)到推動學(xué)生計算思維能力的提升。能力的培養(yǎng)離不開實(shí)踐的環(huán)節(jié)，為了培養(yǎng)學(xué)員的計算思維，良好的學(xué)習(xí)環(huán)境以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺都是很關(guān)鍵的因素，建立良好的軟硬件環(huán)境是改革過程中很重要的組成部分。實(shí)驗(yàn)平臺的引入能夠方便教師實(shí)時了解學(xué)生課上、課下實(shí)驗(yàn)情況，并掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)問題所在，及時和學(xué)生溝通交流。實(shí)驗(yàn)平臺對于實(shí)驗(yàn)成績的評定提供了很好的依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)成績的評定需考慮如下方面：

（1）實(shí)驗(yàn)平臺中學(xué)生的完成情況。這里的完成情況指的是完成的正確率以及完成的速度。

（2）實(shí)驗(yàn)報告中對實(shí)驗(yàn)的分析過程。除了實(shí)驗(yàn)平臺的代碼，在實(shí)驗(yàn)報告中需要明確說明實(shí)驗(yàn)的分析過程，包括設(shè)計思路、算法等內(nèi)容。對于一年級的新生來說，編程能力相對來說都比較薄弱，因此代碼不一定會順利通過編譯產(chǎn)生結(jié)果。但是學(xué)生自己對實(shí)驗(yàn)分析、設(shè)計思路以及解決問題的算法也是需要考慮的重要方面。

（3）綜合實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)。大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)一般分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)。有些綜合實(shí)驗(yàn)會以小組的形式完成，每個學(xué)生在小組中的工作量作為評定成績的組成部分。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

大學(xué)計算基礎(chǔ)是所有非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生必修的一門通實(shí)類教育課程，是認(rèn)識計算機(jī)的基礎(chǔ)，抽象的理論知識結(jié)合程序設(shè)計內(nèi)容對學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用，通過開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)、整合教學(xué)資源平臺、實(shí)施有效的考核形式與評定方法等途徑來不斷提升學(xué)生運(yùn)用計算思維解決問題的能力。改革原有以使用軟件類的能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝ㄟ^程序設(shè)計解決實(shí)際問題來推動計算思維的培養(yǎng)，利用計算思維方法解決問題，提高計算思維能力是改革的關(guān)鍵。

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作者簡介：

張賽男（1979-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：軟件工程，網(wǎng)絡(luò)安全.

鄭長友（1986-），男，博士，講師.研究領(lǐng)域：軟件工程，網(wǎng)絡(luò)安全.

蔣園園（1981-），女，碩士，講師.研究領(lǐng)域：軟件工程，網(wǎng)絡(luò)安全.

洪? 宇（1979-），男，博士，講師.研究領(lǐng)域：軟件工程，網(wǎng)絡(luò)安全.