以計(jì)算思維培養(yǎng)為目標(biāo)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革與實(shí)踐研究

聶茹　李政偉

關(guān)鍵詞：大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)；計(jì)算思維；能力培養(yǎng)；課程改革；過(guò)程評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）03-0142-03

0 引言

計(jì)算思維的概念是2006年由美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Jeannette M.Wing正式提出，當(dāng)時(shí)在教育界和學(xué)術(shù)界引起廣泛討論和高度認(rèn)可，十幾年來(lái)逐漸成為備受關(guān)注和深入研究的學(xué)術(shù)思想。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是我校大一新生所學(xué)的第一門計(jì)算機(jī)類通識(shí)必修課，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是該課程的重要目標(biāo)[1]。為了避免“計(jì)算思維”概念的空洞化，即如何在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)實(shí)踐中落實(shí)計(jì)算思維的思想，如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維能力培養(yǎng)的目標(biāo)，目前仍處于探索之中，是教學(xué)改革所面臨的重要課題。

1 國(guó)內(nèi)外課程研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)將近二十年的推廣和普及，計(jì)算思維的概念在國(guó)內(nèi)外教育領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和關(guān)注。從總體上來(lái)說(shuō)，國(guó)際一流的大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始重新醞釀?dòng)?jì)算機(jī)基礎(chǔ)和相關(guān)課程的設(shè)置，并且圍繞著計(jì)算思維的概念建立了較為系統(tǒng)和先進(jìn)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容，且這些內(nèi)容具有鮮明的學(xué)校特色。許多國(guó)外高校也對(duì)本科階段第一門計(jì)算機(jī)課程進(jìn)行了改革，將教學(xué)目標(biāo)從過(guò)去泛化地認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)到從計(jì)算思維的角度理解、運(yùn)用和評(píng)價(jià)計(jì)算理論和方法，借助于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)幫助學(xué)習(xí)者去理解和實(shí)踐計(jì)算機(jī)理論中的基本原理和基本概念，形成計(jì)算思維的雛形[2-4]。

例如，美國(guó)斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于JavaScript的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，作為介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)課程中的基礎(chǔ)知識(shí)的媒介。在教授過(guò)程中，教師要求學(xué)生以編寫和運(yùn)行簡(jiǎn)單代碼的形式來(lái)體會(huì)計(jì)算機(jī)的實(shí)際作用和自身局限性。另外，麻省理工學(xué)院同時(shí)設(shè)置了計(jì)算機(jī)科學(xué)課程和Python程序設(shè)計(jì)課程，目的是使得不同層次和不同專業(yè)的學(xué)生學(xué)會(huì)編寫小型程序，并在編程過(guò)程中理解計(jì)算機(jī)在求解實(shí)際問(wèn)題時(shí)的原理和作用。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校借助自主研發(fā)的Snap平臺(tái)設(shè)置了關(guān)注學(xué)生創(chuàng)造力和計(jì)算實(shí)踐能力的計(jì)算機(jī)課程。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)學(xué)科也經(jīng)歷了前所未有的迅猛發(fā)展。傳統(tǒng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程已經(jīng)無(wú)法滿足學(xué)生對(duì)于前沿信息技術(shù)的需求和社會(huì)對(duì)學(xué)生基本技能的要求。所以，以非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生為教學(xué)對(duì)象的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系需要進(jìn)行全方位和深層次的改革。

首先，從課程內(nèi)容的設(shè)置來(lái)看，一般包括計(jì)算機(jī)的基本組成和基本工作原理、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上機(jī)實(shí)踐等比較陳舊的內(nèi)容；而且這些內(nèi)容對(duì)于00后的大學(xué)生來(lái)說(shuō)比較熟悉，完全可以通過(guò)自學(xué)等手段掌握，不需要再占用課堂學(xué)時(shí)。其次，雖然大多數(shù)學(xué)校都將計(jì)算思維的概念和方法（比如算法和程序設(shè)計(jì)等）融入了計(jì)算機(jī)核心理論這部分內(nèi)容中，但是由于教材整體篇幅所限，很難將這些概念講得特別透徹清晰，從而影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)熱情。因此該課程在課程內(nèi)容和教學(xué)方法等方面都有較大的改進(jìn)空間。

2 計(jì)算思維概念在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中的體現(xiàn)

2.1 計(jì)算思維的具體概念體系

“抽象”和“自動(dòng)化”是計(jì)算思維中用于解決實(shí)際問(wèn)題的核心思想方法。具體來(lái)說(shuō)，可以分為8個(gè)大類，42個(gè)核心概念，其本質(zhì)是研究如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)的方法來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。因此，計(jì)算思維并不僅僅是抽象的概念，它更是可以用于解決實(shí)際問(wèn)題的思維方法[5-6]。

雖然計(jì)算思維是大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的主要教學(xué)目標(biāo)，但是不可能在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)將計(jì)算思維的概念全部一一講解，而是將相關(guān)的概念貫徹到課程理論知識(shí)的講解中，把思維方法轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問(wèn)題的方法論，以計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)思想的相融合，重新構(gòu)造課程教學(xué)中更為具體的概念和方法。

如何在教學(xué)過(guò)程中將計(jì)算思維的思想落到實(shí)處，主要分兩個(gè)步驟：一是在教學(xué)中認(rèn)清計(jì)算思維概念“是什么”和“做什么”的問(wèn)題；二是在教學(xué)中實(shí)踐和評(píng)價(jià)“如何做”和“做得怎么樣”的問(wèn)題。

2.2 計(jì)算思維的具體內(nèi)容

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的主要目標(biāo)是教會(huì)學(xué)生用計(jì)算思維的思想去理解和解決計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題。根據(jù)這個(gè)宗旨，將計(jì)算思維的基本概念和具體方法相結(jié)合，在實(shí)際教學(xué)中通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合解決計(jì)算思維中“做什么”和“如何做”的問(wèn)題，是圍繞實(shí)際教學(xué)內(nèi)容落實(shí)計(jì)算思維具體概念和方法的過(guò)程[7-9]。

在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合進(jìn)行深入講解。首先對(duì)于計(jì)算思維概念層面的理論知識(shí)，采用深入講授和實(shí)例驗(yàn)證相結(jié)合的方式，在細(xì)化理論知識(shí)的過(guò)程中，將計(jì)算思維的概念具體化，找到各個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)與計(jì)算思維各個(gè)具體概念之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；其次在講授各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程中不斷強(qiáng)化和滲透計(jì)算思維的概念和內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與計(jì)算思維的無(wú)縫銜接。

3 以計(jì)算思維為培養(yǎng)目標(biāo)的課程改革實(shí)踐

為了將計(jì)算思維的概念和方法落到實(shí)處，需要從課程目標(biāo)和要求、課程內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)方法和手段等多方面重新審視大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)這門課程，而不應(yīng)該僅僅局限于對(duì)原有教學(xué)體系進(jìn)行細(xì)枝末節(jié)的修改，這對(duì)于我校的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革具有重要的戰(zhàn)略意義。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)于近年修訂了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)大綱，優(yōu)化了教學(xué)方法和教學(xué)手段，切實(shí)踐行了以計(jì)算思維培養(yǎng)為首目標(biāo)的課程改革，通過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，逐步指明了以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的改革方向。

3.1 教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容的重新定位

首先，為了更好地提高教學(xué)效果，將傳統(tǒng)的“教師一言堂”授課模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為主體”的探究式教學(xué)模式[10-12]。具體地講，就是對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中的基本理論模塊（主要包括計(jì)算機(jī)中的信息表示、計(jì)算機(jī)基本組成和基本工作原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等）進(jìn)行分解，提煉出一個(gè)個(gè)有生命的問(wèn)題，在課堂上以學(xué)生探究為主、教師為輔的方式來(lái)求解這些科學(xué)問(wèn)題。

其次，在對(duì)課程進(jìn)行重新定位之后，從計(jì)算的本質(zhì)問(wèn)題和實(shí)質(zhì)產(chǎn)物以及計(jì)算效果等幾方面來(lái)重新解讀計(jì)算思維的內(nèi)在含義，并對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)理念和教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)架構(gòu)進(jìn)行了重新梳理和厘清，幫助學(xué)生理解建模、抽象等在計(jì)算思維的整個(gè)概念和方法體系中的地位和作用，讓學(xué)生對(duì)建立計(jì)算思維理念所應(yīng)具備的核心知識(shí)體系和核心技能有明確的認(rèn)識(shí)和理解。

最后，依據(jù)“以能力為導(dǎo)向，以目標(biāo)為牽引”的逆行模式，確定按教學(xué)對(duì)象劃分的以問(wèn)題為引導(dǎo)的教學(xué)模式。該模型框架在借鑒傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)之上，圍繞計(jì)算思維的教學(xué)理念和教學(xué)方法，用直接而自然的方式將計(jì)算思維所涉及的知識(shí)點(diǎn)融入學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程中，并且在運(yùn)用和接觸計(jì)算機(jī)理論和實(shí)踐知識(shí)的過(guò)程中不斷獲得加深和內(nèi)化。

3.2 以實(shí)踐促理論，強(qiáng)化計(jì)算思維能力培養(yǎng)

為了突出計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論課教學(xué)的同時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)與理論課堂相結(jié)合，加強(qiáng)理論課各章節(jié)和各知識(shí)點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之間的銜接，避免傳統(tǒng)教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)簡(jiǎn)單羅列和無(wú)序堆砌，刪除有關(guān)計(jì)算思維概念的簡(jiǎn)單陳述，以深刻理解計(jì)算思維的概念為切入點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)學(xué)科中的核心理論知識(shí)和經(jīng)典案例，以更為深刻具體、更簡(jiǎn)潔明了的方式詮釋計(jì)算思維的核心本質(zhì)。例如，在介紹和講解計(jì)算機(jī)中信息表示這部分內(nèi)容時(shí)，可以通過(guò)講授Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中編碼方式和不同進(jìn)制轉(zhuǎn)換的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生更深刻地理解計(jì)算機(jī)求解實(shí)際問(wèn)題的思路，同時(shí)要求學(xué)生更好地利用課外時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)具體問(wèn)題，從問(wèn)題建模、問(wèn)題求解再到程序?qū)崿F(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維落地的有效途徑。

此外，在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的安排上，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容進(jìn)行了大幅弱化和刪減，取而代之的是增加了大量有關(guān)算法設(shè)計(jì)和運(yùn)用的內(nèi)容，配合在理論教學(xué)中對(duì)算法思想和案例的直觀講解，使得學(xué)生對(duì)于計(jì)算思維的精髓有更深入的理解。最后，將人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)以及大數(shù)據(jù)等前沿信息技術(shù)加入到最新的授課內(nèi)容中，完善了課程的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)；同時(shí)，為了避免原有教學(xué)中因?qū)W時(shí)不夠而削減了前沿信息技術(shù)部分課時(shí)的弊端，使得教師有充足的學(xué)時(shí)將新概念、新技術(shù)講懂、講透，將計(jì)算思維的思想落到實(shí)處，大綱中弱化了計(jì)算機(jī)基本原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容，而以學(xué)生在教師指導(dǎo)下的自學(xué)為主。

3.3 融入計(jì)算思維講解的教學(xué)方法實(shí)踐

在整個(gè)課程的教學(xué)體系中，計(jì)算思維的概念并不是獨(dú)立存在的。計(jì)算思維的本質(zhì)是計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展過(guò)程中所形成和研究提煉而成的具體的思維方法，需要貫穿于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論體系的講解全過(guò)程?？偠灾?，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)是所習(xí)得的教學(xué)成果，而計(jì)算思維是在教學(xué)研究中所凝練出的思維方法。所以，在實(shí)際的課堂教學(xué)中教師應(yīng)以問(wèn)題引入的方式啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題建模和研究分析、思維創(chuàng)新和應(yīng)用拓展，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維與基礎(chǔ)理論知識(shí)的融合。

以“進(jìn)程的概念”為例，為了讓學(xué)生直觀而形象地理解進(jìn)程的基本概念、主要特點(diǎn)和進(jìn)程之間如何轉(zhuǎn)換等問(wèn)題，通過(guò)反復(fù)運(yùn)行“計(jì)算器”程序生成不同的進(jìn)程，再利用“任務(wù)管理器”查詢進(jìn)程的屬性信息，進(jìn)而獲取進(jìn)程的狀態(tài)以及計(jì)算機(jī)硬件的使用情況，以及不同進(jìn)程之間的調(diào)用和依存關(guān)系，從而加深學(xué)生對(duì)進(jìn)程并發(fā)性的理解，加強(qiáng)思維深度和寬度的培養(yǎng)。

3.4 以能力培養(yǎng)為核心的過(guò)程化考核

計(jì)算思維能力的培養(yǎng)需要一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，這就需要對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行客觀監(jiān)督與考查，以此來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中的學(xué)習(xí)效果。為此，通過(guò)對(duì)原有課程評(píng)價(jià)體系的優(yōu)化和調(diào)整，制定了一套以能力考查為核心的過(guò)程性考核體系，主要包括以下幾方面內(nèi)容。

1） 對(duì)形成性成績(jī)的構(gòu)成和所占比例進(jìn)行了一定幅度的調(diào)整。形成性成績(jī)的構(gòu)成應(yīng)作為衡量過(guò)程性學(xué)習(xí)各個(gè)環(huán)節(jié)的重要參考，除了傳統(tǒng)的每章課后作業(yè)之外，還包括了MOOC單元測(cè)試、課外設(shè)計(jì)、期中測(cè)試和課堂表現(xiàn)等。根據(jù)各個(gè)不同的環(huán)節(jié)所起作用和地位不同，每個(gè)環(huán)節(jié)所占的比例各有不同。比如MOOC 單元測(cè)試中的題目難度適中，而且與課本內(nèi)容比較貼合，對(duì)學(xué)生理解課本內(nèi)容和及時(shí)復(fù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容起到了較好的促進(jìn)作用，因此設(shè)置了較高的比例。另外，為了在不同專業(yè)和不同班級(jí)之間進(jìn)行權(quán)衡，各個(gè)行政班的教師對(duì)形成性成績(jī)的掌控有一定的自主權(quán)，在統(tǒng)一規(guī)定的基礎(chǔ)上可以根據(jù)自己班級(jí)情況，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)不同環(huán)節(jié)所占比例。

2） 對(duì)期末考試的考核方式和考試內(nèi)容進(jìn)行了一定程度的調(diào)整。在考試方式上，全面摒棄了純記憶型考題，強(qiáng)調(diào)對(duì)理解和分析能力的考察?？傮w說(shuō)來(lái)，考核的目標(biāo)發(fā)生了顛覆性的變化，考核的知識(shí)面更廣、難度更大，對(duì)學(xué)生提出了更高的要求。但是，正是這種面向能力考核的改革是落實(shí)計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。同時(shí)，采用上機(jī)考試的方式，一方面省去了批改試卷的工作量，另一方面通過(guò)不斷完善考試題庫(kù)和系統(tǒng)按知識(shí)點(diǎn)全自動(dòng)組題，保證了考試成績(jī)的公平性和客觀性。

期末考試分為理論部分和實(shí)踐部分。理論部分新增了人工智能基礎(chǔ)、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿內(nèi)容，期末考試中也設(shè)置了這部分相關(guān)的題目，題目大多比較靈活，有一定的代表性和趣味性。實(shí)踐部分則更加注重考查對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的靈活運(yùn)用以及對(duì)基本操作技能的熟練程度。

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算思維概念的提出和應(yīng)用為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革指明了努力方向，如何將計(jì)算思維的概念貫徹到實(shí)際教學(xué)中是該課程改革的熱點(diǎn)問(wèn)題。以我校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革為重要契機(jī)，通過(guò)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的重新定位、以實(shí)踐促?gòu)?qiáng)化計(jì)算思維能力培養(yǎng)以及融入計(jì)算思維講解的教學(xué)方法實(shí)踐，切實(shí)將計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)貫徹到實(shí)處。

結(jié)合大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程理論知識(shí)體系，在深入理解計(jì)算思維基本概念的基礎(chǔ)上，從抽象概念到具體方法兩個(gè)層面上厘清計(jì)算思維在整個(gè)課程教學(xué)體系中的地位和作用，在具體不同章節(jié)中對(duì)于計(jì)算思維的概念、方法和體系關(guān)系等各個(gè)不同抽象層次的內(nèi)容采用融入式講解和實(shí)踐性驗(yàn)證等方法，與課程教學(xué)中相對(duì)獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合完成計(jì)算思維概念的融入式講解、對(duì)于計(jì)算思維概念所涉及的基本方法、基本原理和實(shí)現(xiàn)步驟則采用獨(dú)立重點(diǎn)講解和多元化實(shí)踐方式進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)教學(xué)效果測(cè)試證明了計(jì)算思維在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中的實(shí)踐效果良好，為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)進(jìn)一步開(kāi)展計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)在課程中的實(shí)際應(yīng)用提供了有益的參考和積極的借鑒。

【通聯(lián)編輯：王力】