面向計算思維的大學計算機基礎課程教學內容改革

嵩天　李鳳霞　蔡強　李仲君　史樹敏

摘要：從大學計算機基礎課程與計算思維關系入手，強調大學計算機基礎課程關注教學內容改革的必要性和重要性，闡釋課程教學改革的重點——回歸計算機原理教學和培養(yǎng)利用計算機解決計算問題的能力，分析課程教學內容在不同歷史階段的變化和貢獻，探討計算機虛擬實驗支撐大學計算機基礎課程教學內容改革的途徑，提出“以完善的實驗體系支撐教學內容改革，促進計算思維能力培養(yǎng)”的教學改革發(fā)展新方向。

關鍵詞：計算思維；大學計算機；教學改革；計算機虛擬實驗

1 背景

1.1 計算思維與大學計算機基礎課程

把培養(yǎng)計算思維作為總體目標并開展新一輪教學改革是近年來大學計算機教育工作者所達成的重要共識。美國卡內基梅隆大學周以真教授（Jeannette M.wing）提出并詳細闡述了“計算思維”概念Ⅲ，陳國良院士進一步結合中國大學計算機教育解釋了“計算思維”并提出“以計算思維為導向”的改革總目標，國內一批知名教授用各種形式詮釋計算思維概念的內涵與外延，為大學計算機教育發(fā)展起到了重要推動作用。

目前，計算思維概念已經被大家認可，教育改革的總目標也已經明確，然而，如何有效推進以計算思維培養(yǎng)為導向的教學改革卻仍不清晰。大學計算機覆蓋各層次高等院校和各專業(yè)類別，傳統(tǒng)教學形成了大量的教學理念和方法，各類名詞如“技術、技能、應用、能力、實踐、實驗、培訓、培養(yǎng)”等被廣泛談及，在這樣的背景下，大學計算機教育面臨“計算思維”改革如何落地這個重要問題和眾多矛盾。

上述問題和矛盾除了產生于教學對象的多樣性，更主要產生于大家對如何培養(yǎng)計算思維能力理解的差別。我們認為，計算思維能力的培養(yǎng)重在設計表達計算思維的教學內容。內容是知識的第一載體，是教學的綱。如果內容本身很難滲透計算或者基于計算的思維過程，計算思維能力培養(yǎng)就很難展開。以非計算機專業(yè)開設的第一門課程大學計算機基礎為例，涉及的教學內容大多是平臺和軟件的操作與使用，要展開面向計算思維能力的培養(yǎng)，無論教師教學實踐或是學生學習過程，從操作層面上都十分困難。

1.2 計算思維導向的教學改革重點

計算思維基于計算機且具有鮮明的時代性，所以以計算思維為導向的大學計算機教學改革適應計算機科學技術發(fā)展。改革重點在兩個方面：回歸計算機原理教學和培養(yǎng)利用計算機解決計算問題的能力。

計算思維的一個重要體現(xiàn)是利用計算機解決計算問題，這其中有兩個重要環(huán)節(jié)：“利用計算機”和“解決問題”。大學計算機教育應該以這兩點為主線展開教學改革。

當代計算機是一個多層次的復雜系統(tǒng)，可以多角度使用。它既可以像汽車一樣，通過簡單操作來駕馭；也可以像數(shù)學原理或公式一樣，需要懂得原理才能深度使用。對計算機多層次的不同認識產生了不同的教學理念。大學計算機教育首先應該定位于肩負歷史和時代使命，不能只將計算機作為低層次工具開展教學。面對“利用計算機”的問題，大學計算機教育應該從計算機原理角度組織教學內容并開展實驗驗證。這種定位并非大學計算機教學改革創(chuàng)新，而是真正將大學計算機回歸到與大學數(shù)學、大學物理同樣基礎性地位的過程。

大學計算機基礎課程要進一步展示計算機“解決問題”的強大能力，就涉及如何抽象問題的計算特性，如何通過計算機程序解決問題等。

2 大學計算機基礎課程歷史沿革

2.1 教學內容的發(fā)展歷程

我國最早的計算機應用基礎課程開設之初正值個人PC和DOS的普及初期，當時計算機和信息系統(tǒng)相關技術尚屬高端。非計算機專業(yè)的第一門計算機課程——計算機應用基礎定位于計算機的實際使用，以講授計算機系統(tǒng)和常用工具為主。這個歷史階段是我國高校計算機基礎教育的起步階段，一直持續(xù)到20世紀90年代。

在20世紀的最后10年，隨著奔騰系列CPU芯片的出現(xiàn)、圖形界面操作系統(tǒng)的迅速普及和基于圖形界面應用軟件的誕生，高校計算機基礎教育也進入快速發(fā)展的階段。相關教育從理工科迅速擴展到財經、管理、農、林、醫(yī)、師范等專業(yè)，繼而擴展到大文科。這個階段為了突出計算機技術對社會文化的沖擊，課程名字過渡到了“計算機文化基礎”。課程主要教學內容在保持原有框架不變的情況下更新了講授軟件的版本。同時，計算機網絡的迅速發(fā)展加快了計算機文化普及，計算機網絡也作為一種新技術進入了計算機文化基礎課程，教學內容也是軟件操作類型，包括瀏覽器、電子郵件等軟件使用等。

21世紀的第一個10年是計算機技術快速發(fā)展的歷史時期，出現(xiàn)了一批穩(wěn)定常用的計算機軟件，為信息時代發(fā)展奠定了計算機基礎。這個時期，課程名稱改為“信息技術基礎”，反映出信息時代變革以及信息素養(yǎng)培養(yǎng)的寬口徑教學目標。然而，其教學內容除了增加多媒體新技術外，基本上還是沿襲了之前的“平臺+應用軟件”的教學內容框架。

21世紀的第二個10年是計算變革引領的時代，是計算機技術高度普及、移動互聯(lián)網快速發(fā)展的時期，社交網絡、云計算、物聯(lián)網、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等一批概念的成功應用將計算機和網絡技術的發(fā)展轉化為實際生產力，計算機更強大的能力逐漸展現(xiàn)。這個時期課程名稱被逐步更換為“大學計算機基礎”，但其教學大綱卻在很大程度上繼續(xù)沿襲了之前教學大綱的基本框架，以講授計算機系統(tǒng)配置、技術知識和相關軟件為主要內容。

大學計算機基礎課程的名稱歷經了4個階段的變革，但教學內容框架及本質變化較小，區(qū)別僅是新技術的介入和軟件版本的更換，而且對新技術的講授也是以軟件形式展開，如講授Access代表數(shù)據(jù)庫技術或者講授Photoshop代表多媒體技術等。表1為大學計算機基礎課程在各個時期教學大綱對比。

除了教學內容之外，課程實驗同樣以操作內容為主。根據(jù)教指委2009年指導大綱，課程的實驗教學要求如下：

（1）了解計算機系統(tǒng)的安裝與設置；

（2）掌握常見操作系統(tǒng)的安裝、配置和基本使用；endprint

（3）掌握網絡的連接與設置；

（4）了解FTP下載和上傳文件的方法；

（5）掌握瀏覽器的使用及基本的網絡信息檢

索方法；

（6）掌握電子郵件的使用；

（7）掌握文字處理軟件的使用；

（8）掌握電子表格軟件的使用；

（9）了解演示文稿制作軟件的使用；

（10）掌握Access（或Visual FoxPro等）數(shù)

據(jù)庫的使用，解決簡單應用問題；

（11）了解病毒防范的基本方法；

（12）了解基本的網頁設計方法；

（13）了解網絡信息發(fā)布的基本技術；

（14）了解聲音、圖像的獲取和處理方法（如

Windows錄音機、畫圖）；

（15）了解Flash的使用方法。

上述實驗大多數(shù)以軟件使用為主，是軟件的“實踐”或“實訓”。我們認為建立該課程的實驗體系對促進教學改革十分必要。

2.2 發(fā)展歷程分析

“平臺+應用軟件”的教學內容框架有其重要的歷史意義，對我國推廣普及計算機應用有重要貢獻。然而，在經歷20年后，如果教學內容仍然以計算機普及為主，顯然已經偏離了社會發(fā)展對計算機技能的實際要求。

早期專門針對非計算機專業(yè)的計算機應用基礎課程的設立本身就具有鮮明的中國特色，堪稱原始創(chuàng)新，因為該課程在國外很少獨立設置，且絕大多數(shù)高校并不專門為非計算機學生開設類似課程。它是在國際科技發(fā)展形勢下綜合考慮我國計算機普及程度而設立的課程，這個課程在推動計算機普及教育的進程中起到了至關重要的作用。進入21世紀第二個10年，每年全國高校有98%的學生必修這門課，該課程和大學數(shù)學、大學物理等理科公共課一樣成為基礎課，然而該課程目前卻面臨被壓縮學時，必修變選修，被部分專業(yè)取消，甚至被管理部門問責教學價值等窘境。我們作為大學計算機教育工作者不得不正視此問題。對于這樣一門在歷史時期開設的過渡型課程，在長達20年的教學實踐中，教育工作者很少考慮計算機科學技術發(fā)展和普及的實際情況，這顯然違背了事物發(fā)展的一般規(guī)律，不僅引起學生的不滿，也很難體現(xiàn)教師的教學價值。

大學計算機基礎課程已經到了不得不改、不能不改、不容不改的境地，此時，計算思維的出現(xiàn)成為該領域的“救命稻草”。然而，計算思維本身也是一個發(fā)展中的概念，如何將計算思維與大學計算機基礎教學改革統(tǒng)一？如何開展大學計算機基礎教學？我們需要回歸課程本質，探討其教學內容和必要性。

3 回歸本質的大學計算機基礎課程改革

3.1 課程的本源與必要性

分析課程本源和必要性的方法常采用參照比較。我們以大學數(shù)學和大學物理為例，研究這兩門課程的教學內容組織。這兩門課程的教學內容30年來沒有很大變化，但卻讓一代代學生受益，是因為這兩門課程詮釋了世界的原理性內容。無論是數(shù)學的抽象描述，還是物理的形象分析，其教學內容深刻地影響了學生的思維模式，能夠讓學生在理解世界的同時掌握一種終身受用的思考方法。

反觀大學計算機基礎課程現(xiàn)行教學大綱，其教學內容無非讓學生能夠操作一些軟件或熟悉一些使用技巧，這些內容顯然會隨著軟件的升級換代和計算機普及而逐漸淡出學生大腦，同時，這些內容無法在思維層面或認識層面讓學生受益。

那么什么是該課程的本源呢？我們認為應該是深刻闡述計算機的工作原理。得出這個結論有兩個依據(jù)：第一，計算思維是基于計算機的。在利用計算機的過程中，深刻理解計算機運行原理將更好地指導人們對計算機的使用。第二，計算機的設計過程本身就是抽象化、自動化的過程。從艾倫·圖靈開始，無數(shù)科學家和工程師基于對計算問題及其求解方法的深刻洞察和高度抽象而設計了計算機，其中蘊藏了很多體現(xiàn)計算思維的內在邏輯，對這些內在邏輯的教學有助于幫助學生建立計算思維的思考過程。

大學計算機基礎課程面向計算思維，需要闡述計算機的工作原理，這不僅是課程對本質的回歸，也是大學教學基礎性和原理性的必然要求。

如同數(shù)學、物理一樣，計算機也是一級學科門類，深刻理解和闡述計算機工作原理需要多門核心課程和大量學時作支撐。如何精簡專業(yè)內容，體現(xiàn)計算機原理中的計算思維內容是大學計算機基礎課程改革的重中之重。

3.2 計算機虛擬實驗的必要性

面對課程學時減少（通常32學時），原理性內容難于解釋，缺少驗證性實驗等實際問題和教學改革難題，北京理工大學國家級教學團隊提出并設計了計算機虛擬實驗。

虛擬實驗直觀、簡潔、交互性強，能夠將課堂教學內容延伸到課外，補充教學學時的不足。同時，虛擬實驗的直觀性有助于教師更好地講授復雜但基本的計算機概念，會降低課程教學難度。以進程管理為例，這個看不見摸不著的操作系統(tǒng)概念，既無法通過操作系統(tǒng)直接展示，又很難講解進程管理對計算機系統(tǒng)的價值，采用虛擬實驗，其直觀表示讓該教學難題迎刃而解。

相比真實實驗，虛擬實驗有兩點優(yōu)勢。第一，虛擬實驗有效降低了實驗成本。真實實驗往往需要特殊的教學儀器來驗證計算機原理，這些儀器價格昂貴，維護代價高，投入很大。第二，大部分虛擬實驗以理解計算機原理為主要目的，這種原理性驗證方法通過真實方法很難展示，如機器指令的執(zhí)行過程。

如果說計算思維給了大學計算機基礎課程與大學數(shù)學、大學物理同樣的教學地位和價值，那么計算機虛擬實驗則支撐了課程對計算機原理的教學，它是教學改革的必然途徑。

3.3 北京理工大學的教學改革實踐

我們認識到計算機虛擬實驗價值的同時，也應該看到虛擬實驗的設計和開發(fā)難度。虛擬實驗開發(fā)不僅需要投入大量的人力物力，還需要深入理解計算機仿真技術和計算機教育教學規(guī)律。教學團隊在2011年前后認識到虛擬實驗價值后，結合自身專業(yè)優(yōu)勢，開展了計算機虛擬實驗的設計與開發(fā)工作。在北京理工大學“研究型課程教學改革”項目支持下，經過兩年多的教學改革嘗試和不斷完善，大學計算機實驗已經初具規(guī)模。兩屆實驗班的教學實踐表明教學效果良好。目前，大學計算機實驗軟件已經于2013年10月29日獲得了軟件著作權登記，以此為核心的《大學計算機實驗》教材和虛擬實試驗軟件（中華人民共和國國家版權局登記號2013SR115791）已經由高等教育出版社出版。這套軟件和教材的主要特色體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）對課程基礎性和專業(yè)服務需求的有力支持。大學計算機實驗軟件和教材緊密配合，從設計理念上兼顧了計算機應用教學和計算機原理教學，對課程中重要的原理性、基礎性、概念性的教學內容設計了相關的驗證型實驗。如“計算機中的數(shù)據(jù)表示與計算”“字符編碼與信息交換”“一條指令的執(zhí)行過程”“進程管理與虛擬機”“廣域網通訊與郵件傳輸”“數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫操作”等實驗都涉及演示驗證性內容。這些內容從計算機組成原理、計算機體系結構、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等專業(yè)課程中精選出適合于非計算機專業(yè)需求的重要理論和概念，幫助學生理解計算機的工作原理，認識計算機解決計算問題的基本手段，理解以抽象和自動化為特點的計算思維，培養(yǎng)基于計算機解決問題的計算意識。虛擬實驗軟件和教材支持課程教學的基礎性和寬口徑培養(yǎng)，支持專業(yè)對基礎性學科的服務需求。

（2）是科研對教學支持的范例。完成該套實驗軟件設計開發(fā)的是北京理工大學計算機學院虛擬現(xiàn)實與仿真計算方向科研團隊的7位教師和21名研究生。實驗軟件采用了虛擬現(xiàn)實、圖形圖像、面向對象、人機交互等先進的教育技術，首次推出可形成課程體系的18個虛擬試驗。從設計理念到開發(fā)過程，都離不開科研的支持。7位教師中有5位具有博士學位，7位教師全部獨立承擔科研任務，這從一個角度反映了教學改革的時代性，即科研促進教學、教學支持科研。在有限的學時內將計算機科學的本質以及專業(yè)知識以有效的手段展示給學生，這是深化教學改革的技術途徑，這套實驗教學平臺的誕生也是科研對教學支持的一次實踐。

（3）引導學生自主學習的好方法。18個虛擬試驗中的16個實驗都涉及交互過程。在實驗教材中，每個實驗都設計了思考題和實驗相關知識，配置了綜合應用與拓展學習。這些虛擬實驗兼顧了不同專業(yè)學生的計算思維能力訓練，考慮到與現(xiàn)行教學內容的關聯(lián)，也涉及講解數(shù)據(jù)、文字、報告處理等軟件功能類實踐和實訓內容，適合學生自學。

4 結語

計算機虛擬實驗在計算思維改革大背景下為大學計算機基礎課程教學改革提供了一個可參考的改革途徑。在兩年的實踐中，虛擬實驗先后與3本不同的大學計算機基礎教材搭配使用，均有不錯的教學效果，下一步我們將在實踐中加大推廣力度。

（編輯：彭遠紅）endprint