計(jì)算思維導(dǎo)向下的農(nóng)科院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)模式探索

曹 然 趙 潔 蘇中濱

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150030)

2010年Jan Cuny和周以真教授較為明確地給出了計(jì)算思維的定義，計(jì)算思維是與制定問(wèn)題及其解決方案相關(guān)的一個(gè)思維過(guò)程，其解決問(wèn)題的表示形式應(yīng)該有效地被信息處理代理執(zhí)行。

近幾年，我國(guó)各大高校從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的教師一直致力于研究在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)過(guò)程中培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維能力，使學(xué)生學(xué)會(huì)用計(jì)算思維去思考問(wèn)題和解決問(wèn)題。2011年在杭州召開的“第七屆大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報(bào)告論壇”中，大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海同濟(jì)大學(xué)、北京交通大學(xué)等高校的專家各自論述了對(duì)計(jì)算思維這一概念的理解以及如何將計(jì)算思維應(yīng)用于本科計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容。各大高校的做法不盡相同，各具特點(diǎn)，但多數(shù)處于摸索和嘗試階段。

那么，如何在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中體現(xiàn)計(jì)算思維能力培養(yǎng)，如何培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的意識(shí)與能力，如何使非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生掌握計(jì)算思維解決問(wèn)題的一般步驟和方法呢?這是一個(gè)非常值得深入研究和探討的問(wèn)題。

一、教學(xué)方法改革

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程能夠采用的教學(xué)方法靈活多樣。在教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)方法因教學(xué)導(dǎo)向的不同而具有多種可能性，是一個(gè)非常靈活的因素，不是每種方法都適用于以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)模式。

1.改變知識(shí)講述的方法

在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中提倡采用提煉、歸納、分析，以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、探究式教學(xué)來(lái)增加計(jì)算思維和基本功訓(xùn)練。教學(xué)方法由“提出概念—解釋概念—舉例說(shuō)明”的傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤岢鰡?wèn)題—解決問(wèn)題—?dú)w納分析”。在每次傳授新知識(shí)時(shí)可采用“教師提問(wèn)題，學(xué)生思考、回答”的啟發(fā)式思維方法講述課程內(nèi)容，積極引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)腦思考。例如，在計(jì)算機(jī)概述一章講對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展有突出貢獻(xiàn)的幾位歷史人物時(shí)，可先提出一個(gè)同學(xué)比較感興趣的問(wèn)題:開發(fā)時(shí)下最熱銷手機(jī)iphone系列的蘋果公司，它們一直沿用蘋果標(biāo)志，蘋果標(biāo)志的蘋果為什么會(huì)缺一口?有的學(xué)生可能會(huì)說(shuō)蘋果上的缺口代表事物沒(méi)有完美的，有的同學(xué)又說(shuō)是為了紀(jì)念圖靈等。由這個(gè)小問(wèn)題不僅帶出了偉大的人工智能領(lǐng)域的先驅(qū)者圖靈、蘋果公司CEO史蒂夫·喬布斯，而且在不斷提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中，引發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，帶動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的積極性，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力。

2.項(xiàng)目分類教學(xué)法

在程序設(shè)計(jì)課程中建議使用項(xiàng)目分類教學(xué)法。從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用的教師團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)建立若干項(xiàng)目，請(qǐng)教不同專業(yè)的教師，吸收由不同專業(yè)背景，根據(jù)不同專業(yè)的特點(diǎn)對(duì)確立的項(xiàng)目進(jìn)行分類，在教學(xué)過(guò)程中對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生引入不同類別的項(xiàng)目。教師充當(dāng)指導(dǎo)者，將一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、與學(xué)生專業(yè)密切相關(guān)的項(xiàng)目交由學(xué)生自己處理。信息的搜集，方案的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目的實(shí)施及最終評(píng)價(jià)，都由學(xué)生自己負(fù)責(zé)。學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐體驗(yàn)、思考內(nèi)化吸收、綜合探索創(chuàng)新中，獲得較為完整而具體的知識(shí)。在學(xué)生項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、思維能力，也可以培養(yǎng)學(xué)生之間的協(xié)作能力、溝通能力等。項(xiàng)目是以學(xué)生專業(yè)背景建立的，因此學(xué)生在做項(xiàng)目的過(guò)程中有一種學(xué)以致用的感覺(jué)，這樣，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和能動(dòng)性被就能充分地調(diào)動(dòng)起來(lái)?？己朔绞揭惨鄳?yīng)改變，可采取平時(shí)學(xué)習(xí)態(tài)度和表現(xiàn)占20%，平時(shí)作業(yè)占20%，項(xiàng)目測(cè)評(píng)占20%，期末考試占40%的比例進(jìn)行。該考核方式注重過(guò)程考核，是以提高思維能力和應(yīng)用能力為主的綜合考核評(píng)價(jià)體系。

3.漸變式教學(xué)法

從2006年計(jì)算思維這一概念的提出至今為止只有短短的五年時(shí)間，雖然全國(guó)已有部分高校初步開展以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，但都還處于探索和嘗試階段，沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一模式。另外，各高校學(xué)生素質(zhì)和培養(yǎng)目標(biāo)各異，在以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)模式中，應(yīng)實(shí)行先小班試點(diǎn)，再根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況逐步推廣漸變式教學(xué)方法。

二、教學(xué)內(nèi)容改革

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容主要注重計(jì)算機(jī)基本技能的應(yīng)用，而以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)模式則著重培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算思維解決問(wèn)題的能力。因此，將計(jì)算機(jī)思維引入計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程勢(shì)必要改變?cè)械恼n程內(nèi)容，下面以多數(shù)高校開設(shè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，即大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和程序設(shè)計(jì)兩門課程來(lái)進(jìn)行具體論述。

1.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中應(yīng)將原來(lái)的計(jì)算機(jī)概述部分變?yōu)樗姆矫鎯?nèi)容:圖靈機(jī)的計(jì)算思維、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型、存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)和驗(yàn)證碼的計(jì)算思維。計(jì)算機(jī)基本組成原理的計(jì)算思維主要包括:進(jìn)制轉(zhuǎn)換的計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)的組成。操作系統(tǒng)基礎(chǔ)中計(jì)算思維能力教學(xué)主要包括以下內(nèi)容，從裸機(jī)到虛擬機(jī):一個(gè)用計(jì)算思維思想解決自身問(wèn)題的典型例子;操作系統(tǒng)分類，如分時(shí)操作系統(tǒng)所體現(xiàn)的計(jì)算思維是CPU時(shí)間片輪轉(zhuǎn)思想，一種最簡(jiǎn)單、最公平的思想，解決了計(jì)算機(jī)自身的問(wèn)題;操作系統(tǒng)的功能，如處理機(jī)管理所體現(xiàn)的計(jì)算思維是CPU宏觀上并行，微觀上串行。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中主要在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備(網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、路由器、交換機(jī)等)和網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)尋址、三級(jí)尋址幾個(gè)方面體現(xiàn)出計(jì)算思維的思想，如網(wǎng)絡(luò)二級(jí)尋址體現(xiàn)的計(jì)算思維思想是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)號(hào)宏觀上尋找計(jì)算機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)主機(jī)號(hào)進(jìn)一步微觀尋找聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)所在位置。

2.程序設(shè)計(jì)

算法設(shè)計(jì)中的每一種策略作為問(wèn)題求解方法，可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，具有明顯的計(jì)算思維特征。因此，在程序設(shè)計(jì)課程中應(yīng)重點(diǎn)講授算法設(shè)計(jì)(分治法、枚舉法、遞歸法、排序法、回溯法、貪心算法等)，如分治法的基本思想是把一個(gè)問(wèn)題分解為若干與原問(wèn)題同結(jié)構(gòu)的但規(guī)模較小的子問(wèn)題，然后以遞歸的方式求解這些子問(wèn)題并通過(guò)合并子問(wèn)題的解得到原問(wèn)題的解。分治法提供了如下通用的思維方法:在實(shí)踐中，我們通常會(huì)掌握一些簡(jiǎn)單或者規(guī)模較小問(wèn)題的求解方法，或者這些小規(guī)模問(wèn)題的解是直觀的、易知的。這時(shí)可以采用分治法重用這些已有的知識(shí)，求解復(fù)雜的大規(guī)模的問(wèn)題。從計(jì)算思維的角度，貪心算法為我們提供了如下方法指導(dǎo):以當(dāng)前和局部利益最大化為導(dǎo)向的問(wèn)題求解策略簡(jiǎn)單易行，具有廣泛的適用性。

3.基于學(xué)科差異分類教學(xué)內(nèi)容

農(nóng)科院校學(xué)科涵蓋了農(nóng)、工、理、經(jīng)、管、文、法等眾多專業(yè)，而每門學(xué)科對(duì)學(xué)生應(yīng)掌握的計(jì)算機(jī)知識(shí)的要求是不完全一樣的。因此，基于對(duì)農(nóng)科院校的學(xué)科設(shè)置和以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程具體教學(xué)內(nèi)容的考慮，將計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容分為四類:理工類學(xué)習(xí)算法和程序設(shè)計(jì);文科類學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用;商科類學(xué)習(xí)多媒體設(shè)計(jì)與應(yīng)用;農(nóng)科類學(xué)習(xí)數(shù)字農(nóng)業(yè)。雖然不同學(xué)科學(xué)生學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容不同，但殊途同歸，培養(yǎng)的目標(biāo)一致，即致力于將學(xué)生培養(yǎng)為具有計(jì)算思維能力、創(chuàng)新能力、綜合應(yīng)用能力和計(jì)算機(jī)基本技能的人才。

三、結(jié)束語(yǔ)

思維學(xué)習(xí)的目的是為了創(chuàng)造，思維發(fā)展水平是學(xué)生成才的關(guān)鍵，思維教學(xué)對(duì)學(xué)生現(xiàn)在及將來(lái)具有重要影響。教師在教學(xué)時(shí)，要為學(xué)生提供思維的空間和情境。本文主要探索了以計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的變革，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的講授中，通過(guò)采用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)和項(xiàng)目分類的思維訓(xùn)練方法，學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力必然會(huì)明顯提高。當(dāng)然，作為一種教學(xué)改革和教學(xué)嘗試，該教學(xué)模式還需要進(jìn)一步完善，隨著對(duì)“計(jì)算思維”理論與實(shí)踐認(rèn)識(shí)的深化，將會(huì)更好地指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐，真正培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和計(jì)算素養(yǎng)，提高他們的計(jì)算能力。

［1］ 蘇中濱，趙潔，楊宇姝.農(nóng)科院校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育改革與實(shí)踐［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2007，5(4):53-54.

［2］ 趙潔，蘇中濱，宋一弘.農(nóng)科性大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程體系的改革與實(shí)踐［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2006，4(4):64-65.

［3］ 沈維政，孫紅敏，張喜海.任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式在計(jì)算機(jī)專業(yè)課教學(xué)中的探索與實(shí)踐［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2007，5(1):89-90.

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