基于計算思維的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程改革研究與實踐

王梅娟，李 輝，韓敬利，鄭長友，蔣園園

（陸軍工程大學(xué) 指揮控制工程學(xué)院，江蘇 南京 210001）

0 引 言

現(xiàn)代教育對學(xué)生的培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)“知行合一”的能力，以學(xué)生為主體的教學(xué)模式最終是思維能力的培養(yǎng)和實踐能力的培養(yǎng)。計算思維被提出后，逐漸被各學(xué)科吸收并不斷深入本科生能力培養(yǎng)模式中。

在新的人才培養(yǎng)方案下，軍隊院校大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程是面向全校本科層次各專業(yè)開設(shè)的一門科學(xué)文化基礎(chǔ)核心課程，隨著社會高科技的發(fā)展和全國信息化教育的普及，課程建設(shè)經(jīng)歷了信息理論—技能操作—計算思維理論的不斷變革，本科教育階段加強(qiáng)學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)的必要性和意義已經(jīng)得到認(rèn)可。同時，計算機(jī)工具最終將面向?qū)W科交叉趨勢，依據(jù)計算機(jī)應(yīng)用能力基礎(chǔ)，遵循學(xué)員“以計算思維方式分析解決問題能力培養(yǎng)”的理念，計算思維能力訓(xùn)練導(dǎo)向在新大綱中尤為凸顯。

1 計算思維概述

1.1 計算思維起源

計算思維的概念形成很早，主要有算法思維和程序思維兩大分支[1]。

最初計算機(jī)采用“計算”這一概念的時候，就出現(xiàn)過“計算思維”這一常用名詞，同時也被稱為“算法思維”，指將問題轉(zhuǎn)換為從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換過程，此時，計算機(jī)作為工具更多應(yīng)用在數(shù)值計算中。

另一角度，隨著編程的普及和幼齡化，Papert 在使用LOGO 編程語言教授學(xué)生數(shù)學(xué)概念時發(fā)現(xiàn)，計算機(jī)編程可以影響學(xué)生的思維，于是很早將計算思維定義為“程序思維”[2]，強(qiáng)調(diào)解決問題時像“計算機(jī)一樣思考”，主張從兒童時期就應(yīng)該開始接觸學(xué)習(xí)編程，從而將程序思維作為思維技能的基本組成部分，之后他又進(jìn)一步基于程序思維界定了計算思維[3]，這一觀點得到了計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域部分學(xué)者的認(rèn)可。

更廣泛被接納熟知的術(shù)語“計算思維（Computational Thinking）”是美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授在2006 年提出的，“計算思維是一種使用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念解決問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動”[4]，而她本人給出進(jìn)一步的解釋，“計算思維是一種分析思維，在問題解決的不同階段會用到數(shù)學(xué)思維，在設(shè)計和評價復(fù)雜系統(tǒng)時會用到工程思維，在理解概念時會用到科學(xué)思維”[5]。這一定義比Papert 的“程序思維”更廣義，也得到更多學(xué)者的認(rèn)可，因此，計算思維可以認(rèn)為是解決問題的心智工具集[6]，是一系列思維技能[7]。

1.2 教學(xué)中的計算思維發(fā)展

在計算思維還未被教育學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的時候，傳統(tǒng)教學(xué)中常見的思維訓(xùn)練包括理論思維和實驗思維[8]。

理論思維是以推理和演繹為特征的“邏輯思維”，用假設(shè)/預(yù)言—推理—證明等理論手段研究社會/自然現(xiàn)象及規(guī)律；而實驗思維是以設(shè)計和構(gòu)造為特征的“構(gòu)造思維”，以計算手段研究社會/自然現(xiàn)象及規(guī)律。

然而，隨著社會/自然探索內(nèi)容的廣度化和深度化，“傳統(tǒng)理論+實驗的手段”受到限制，實驗產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的一般規(guī)律很難通過人為分析觀察獲取，不可避免地需要計算手段實現(xiàn)理論與實驗的協(xié)同創(chuàng)新，而計算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展自然而然地孕育了“計算思維”的誕生，計算逐漸成為現(xiàn)代化知識學(xué)習(xí)、科學(xué)研究的必要手段和必備能力，這也是在大學(xué)入學(xué)階段就開始培養(yǎng)學(xué)員計算思維能力的重要性。何欽銘等人在教指委《高等學(xué)校計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》[9]的解讀中直接指明，大學(xué)計算機(jī)課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)包括初步了解抽象級的問題求解方法，掌握語言及問題的求解技術(shù)，并根據(jù)專業(yè)的應(yīng)用特征了解或掌握系統(tǒng)級或計算機(jī)系統(tǒng)級的問題求解方法[10]。

2 基于計算思維的課程分析

2.1 課程新大綱

根據(jù)中央軍委訓(xùn)練管理部2018 年6 月頒布的軍隊院校教學(xué)大綱，大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)是軍隊院校生長軍官本科教育各專業(yè)學(xué)員通用基礎(chǔ)課程中的一門科學(xué)文化課程，同時也是一門公共工具課程[11]。課程參考學(xué)時48 學(xué)時，一般安排在第1 或第2 學(xué)期。學(xué)員通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)獲得計算機(jī)發(fā)展、軟硬件系統(tǒng)、算法、信息安全等方面的基本知識，掌握信息處理基本方法和多媒體技術(shù)，初步具備運用計算工具解決實際問題的能力，培養(yǎng)信息素養(yǎng)和計算思維。

新大綱知識導(dǎo)圖如圖1 所示。

圖1 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程新大綱知識導(dǎo)圖

在新的課程教學(xué)大綱要求下，在有限的課時范圍內(nèi)，如果單一地以如此分散的理論知識點為貫穿組織教學(xué)，必然存在學(xué)時不夠的問題和課程實施枯燥乏味的難題，因此，大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程應(yīng)突破過去以計算機(jī)操作為主的教學(xué)模式，取而代之的是更多地教授計算機(jī)系統(tǒng)知識，強(qiáng)調(diào)課程的基礎(chǔ)性，突出體現(xiàn)對學(xué)員計算思維能力的培養(yǎng)，以解決問題為目標(biāo)，貫穿知識點。

2.2 課程教學(xué)理念

BLOOM 認(rèn)知模型是布魯姆等人在1956 年提出的關(guān)于認(rèn)知學(xué)習(xí)領(lǐng)域教學(xué)目標(biāo)的6 個層次，從低級到高級依次為知識/識記（Knowledge）、理解（Comprehension）、應(yīng)用（Application）、分析（Analysis）、綜合（Synthesis）、評價（Evaluation），如圖2 所示。

圖2 基于BLOOM 認(rèn)知模型的教學(xué)理念

高中以前學(xué)習(xí)的知識更多是前3 個層次的重復(fù)訓(xùn)練，知道怎么做得到怎樣的結(jié)果，而大學(xué)培養(yǎng)的是學(xué)生后3 個層次的認(rèn)知能力。

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程要本著借助計算機(jī)工具培養(yǎng)學(xué)員通過計算思維解決實際問題的理念，課程設(shè)計打破狹義工具論和計算機(jī)專業(yè)論，強(qiáng)調(diào)“問題”和問題的解決討論，引導(dǎo)學(xué)員學(xué)會從淺層面了解“怎么做”過渡到深層次理解“應(yīng)該怎么做（分析）”“具體怎么做（綜合）”“還能怎么做（評估）”，幫助學(xué)員建立科學(xué)的研究習(xí)慣和思維邏輯，提高結(jié)合計算方法分析解決問題的綜合能力和評估能力。

2.3 學(xué)源學(xué)情分析

隨著全社會信息化水平的提升，大學(xué)入學(xué)新生的計算機(jī)操作技能更加成熟。根據(jù)近兩年問卷調(diào)查統(tǒng)計，學(xué)源學(xué)情見表1。

表1 近兩年學(xué)源學(xué)情調(diào)查

從數(shù)據(jù)結(jié)果可以很明顯地認(rèn)識到，大學(xué)計算機(jī)課程基本操作訓(xùn)練的必要性逐漸減弱；而計算思維對學(xué)科研究和任職崗位培養(yǎng)的重要性不斷增加。面對不同專業(yè)、不同類型的學(xué)員，他們將來的任職崗位或?qū)W科科學(xué)研究對學(xué)員計算機(jī)能力的需求在發(fā)生變化，不僅僅是會用計算機(jī)，還要會用計算機(jī)解決實際相關(guān)問題。

同時，學(xué)源組成復(fù)雜。學(xué)員來自全國各地，分布廣泛，而各地教育水平和對信息課程的重視程度差異非常大。面對同一教學(xué)班可能出現(xiàn)嚴(yán)重兩極分化的情況，分層教學(xué)、因材施教是必須考慮的課堂實施，而如何分層，最根本的解決方法是從思維訓(xùn)練入手，授人以魚不如授人以漁。

3 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程改革與實踐

3.1 課程教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合新大綱要求和實際學(xué)情分析，大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容在教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上，充分考慮我校各專業(yè)的特點和要求，內(nèi)容涵蓋大綱要求的九大主題，既包括計算模型原理，又包括計算實現(xiàn)功能，為學(xué)員提高抽象、應(yīng)用能力提供了基礎(chǔ)。內(nèi)容及課時分配見表2。

表2 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容組織及課時分配

3.1.1 理論教學(xué)知識體系

理論教學(xué)內(nèi)容的目的是使學(xué)生在對計算系統(tǒng)及環(huán)境有所了解的同時，初步體會計算機(jī)問題求解的基本方式。

理論教學(xué)內(nèi)容按其知識體系劃分為4 個知識領(lǐng)域，如圖3 所示。

圖3 理論知識體系

其中，系統(tǒng)平臺與計算環(huán)境知識是計算思維所依賴的計算環(huán)境基礎(chǔ)；算法基礎(chǔ)與程序設(shè)計知識涉及語言級的問題求解；數(shù)據(jù)管理與信息處理知識是系統(tǒng)級問題求解的基礎(chǔ)，也往往成為語言級問題求解的目標(biāo)；系統(tǒng)開發(fā)與行業(yè)應(yīng)用知識則直接涉及面向應(yīng)用的系統(tǒng)級問題求解技術(shù)與方法。

3.1.2 實驗教學(xué)模塊

課程實驗教學(xué)具體以Python 實現(xiàn)問題求解為貫穿，如圖4 所示。

圖4 實驗?zāi)K劃分

實驗內(nèi)容緊扣計算機(jī)基本原理與實現(xiàn)（模擬圖靈機(jī)）、程序?qū)崿F(xiàn)與算法優(yōu)化（水仙花數(shù)、最小公倍數(shù)、素數(shù)、排序等）、操作系統(tǒng)功能與作用（進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理、CPU 調(diào)度等）、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用（數(shù)據(jù)庫管理、結(jié)構(gòu)化查詢操作等）、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（socket 通信、郵件傳輸、網(wǎng)頁爬蟲）、多媒體技術(shù)（聲音數(shù)字化、圖像Huffman編碼等），通過計算問題的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)員解決社會自然問題乃至各專業(yè)問題的計算思維模式。

3.1.3 課程改革建設(shè)對比

以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為例，課程教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容設(shè)置在改革前后對比見表3。

改革后的內(nèi)容設(shè)置從理論和實驗兩方面均加大和突出計算思維訓(xùn)練有關(guān)的知識模塊，由靜態(tài)的知識概念向理解過程和應(yīng)用過程轉(zhuǎn)變，通過Python 灌輸計算機(jī)解決問題的一般方法，形成并不斷提高通過計算思維的方式分析、解決問題的能力，以計算算法為輔助，提高計算機(jī)在各專業(yè)的應(yīng)用工具能力。

3.2 課程教學(xué)實踐

3.2.1 教學(xué)方法

因為課程教學(xué)內(nèi)容由“知識傳授、實踐操作”轉(zhuǎn)變?yōu)椤八季S引導(dǎo)、自主鍛煉”，加大和突出計算思維訓(xùn)練有關(guān)的知識模塊，所以教學(xué)方法由“注入式知識傳授”轉(zhuǎn)變?yōu)椤把芯渴侥芰ε囵B(yǎng)”，通過Python 實現(xiàn)并體會問題解決的不同方式，引導(dǎo)學(xué)員體會知識背后所蘊含的計算思維規(guī)律和特點。

表3 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學(xué)改革對比

理論教學(xué)采用問題引導(dǎo)、深入淺出、案例分析、參與式學(xué)習(xí)、角色扮演等多種教學(xué)方式，提高學(xué)員對計算機(jī)科學(xué)的理解和認(rèn)識，引導(dǎo)學(xué)員通過計算思維的方式分析解決問題，充分運用多媒體等教學(xué)手段輔助課堂教學(xué)，提高課堂教學(xué)效率。

實踐教學(xué)通過Python 實現(xiàn)了解計算機(jī)解決問題的一般方法，形成并不斷提高通過計算思維的方式分析、解決問題的能力，以計算算法為輔助，提高計算機(jī)在各專業(yè)的應(yīng)用工具能力。

提供自主學(xué)習(xí)輔助資料，通過學(xué)員自主課外時間練習(xí)和實踐，提高學(xué)員利用計算思維分析問題的能力，提高利用Python實現(xiàn)問題求解的能力，提高借助計算機(jī)解決各專業(yè)不同問題的能力。

3.2.2 教學(xué)實施

因為教學(xué)目標(biāo)由“偏重于計算機(jī)知識與操作培養(yǎng)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄糜嬎闼季S解決實際問題能力培養(yǎng)”，所以教學(xué)實施過程也隨著目標(biāo)和內(nèi)容變化相應(yīng)調(diào)整與改變。

1）教學(xué)形式由“單一的課堂教學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸嘈问降幕咏涣鳌薄?/p>

建設(shè)更加豐富的試題庫，由簡到難、由淺入深，并且作業(yè)區(qū)分難易度，鼓勵學(xué)員不斷升級挑戰(zhàn)；同時，實驗分組交流，相互學(xué)習(xí)，既能鍛煉學(xué)員的合作協(xié)調(diào)能力，又能緩解60 人以上大班教員的輔導(dǎo)壓力。

除了課堂授課、答疑、交流外，還鼓勵學(xué)員接觸建模、仿真等概念，與計算思維結(jié)合訓(xùn)練。另外，在實驗班次引入網(wǎng)絡(luò)在線平臺Educoder，以趣味性的方式吸引學(xué)員闖關(guān)、練級，寓教于樂，充分利用學(xué)員課后時間鞏固知識點。

2）考核方式由“傳統(tǒng)單一”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑^程化考核”。

建立以衡量綜合素質(zhì)為依據(jù)的評價標(biāo)準(zhǔn)，采用理論考試、課后作業(yè)、課堂表現(xiàn)和上機(jī)實驗的多種方式綜合評定課程成績，按比例劃分為平時成績40%（20%實驗+10%作業(yè)+10%課堂表現(xiàn)）+考試成績60%。

4 結(jié) 語

我校大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程歷經(jīng)兩年開展課程教學(xué)研討與改革實踐，面對學(xué)科交叉趨勢，依據(jù)計算機(jī)理論與功能基礎(chǔ)，遵循學(xué)員“以計算思維方式分析解決問題能力培養(yǎng)”的理念，以Python實現(xiàn)計算相關(guān)問題為主線，圍繞知識矩陣，構(gòu)建新的課程知識體系，同時立足教法創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)員以不同思維解決問題，有效地將以教員為主的課程教學(xué)轉(zhuǎn)化為以學(xué)員為主的自主學(xué)習(xí)，改革效果顯著。

計算思維的教學(xué)導(dǎo)入任重道遠(yuǎn)，我們還將進(jìn)一步探索，為培養(yǎng)本科各專業(yè)學(xué)員的信息素養(yǎng)和工程素養(yǎng)奠定堅實的基礎(chǔ)。