“技能—能力—思維”三層次大學計算機基礎教學

尹建新　張廣群

摘 要： 當前因受“狹議工具論”錯誤認識的影響致使非計算機專業(yè)大學計算機基礎教育受到?jīng)_擊，計算機基礎課程的學時也被縮減。針對這一問題，提出了以計算思維培養(yǎng)為核心，“技能-能力-計算思維”三層次培養(yǎng)目標的教學改革。對課程內(nèi)容進行了面向知識能力、計算思維教學的內(nèi)容重構與組織，給出了具體的教學內(nèi)容模塊，同時探討了計算思維培養(yǎng)教學方法。

關鍵詞： 知識； 能力； 計算思維； 大學計算機基礎； 非計算機專業(yè)

中圖分類號：G427 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2013）09-67-03

0 引言

二十世紀九十年代中期始，隨著計算機技術的發(fā)展，計算機作為一種工具在社會各領域得到迅速的應用，計算機知識以一種文化的形態(tài)在各行業(yè)進行普及，“不懂計算機是新時代的文盲”的認識深入人心。當初計算機基礎課程在學生的知識體系中擺在十分重要的地位。然而，隨著人們從小學、中學及家庭生活中對計算機的及早接觸，“計算機基礎”作為大學非計算機專業(yè)第一門計算機課程越來越難以突出其明顯作用與重要性，甚至面臨著嚴重的危機，學時一再被壓縮，也有不少人認為這門課程沒必要開設了，任課教師也發(fā)出諸多感慨，認為要上好這門課，讓學生滿意，確實不是一件容易的事。

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學計算機系主任周以真教授在美國計算機權威雜志ACM提出并定義了計算思維 （Computational Thinking）的概念，她指出在信息社會中計算思維是人們思考與解決問題的基本技能之一， 是每個人應具有的思維能力。2010年7月，九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎課程研討會上達成共識：旗幟鮮明地提出把“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機基礎教學的核心任務[1]，同時倡導高等院校加強以計算思維能力培養(yǎng)為核心的計算機基礎教學課程體系和教學內(nèi)容的研究。自此計算思維得到了國內(nèi)計算機基礎教育界的廣泛重視，諸多高校也正在實踐基于計算思維培養(yǎng)的大學計算機基礎教學[2-3]，然而，在具體的執(zhí)行過程中遇到了許多問題，如教學內(nèi)容的重構與取舍，教學模式與方法的實施等。本文基于作者從事非計算機專業(yè)第一門計算機課程十多年的教學改革與實踐，從“技能-能力-計算思維”三個層面探討了非計算機專業(yè)大學計算機基礎課程的定位、教學內(nèi)容重構、基于計算思維的教學方法等[4-5]。

1 大學計算機基礎課程的特點

目前國內(nèi)高校的大學計算機基礎課程主要由理論知識講授和操作技能訓練兩部分組成。理論教學的主要內(nèi)容有：計算機基礎知識，包括誕生與發(fā)展等、計算機組成及工作原理、數(shù)據(jù)表示與存儲、操作系統(tǒng)基礎、數(shù)據(jù)庫基礎、多媒體技術基礎、計算機網(wǎng)絡基礎、計算機與信息安全等。操作技能訓練有：介紹計算機的一些基本操作和常用軟件的使用，主要是OFFICE軟件、多媒體軟件、網(wǎng)頁制作軟件及網(wǎng)絡使用。教學內(nèi)容廣而泛，基本上是有關各領域的濃縮版，什么都講一點，但又什么都沒深入，眾多概念的介紹使學生覺得課程內(nèi)容雜且空洞，而且大多數(shù)學生認為計算機只是一種工具，會操作和使用計算機就足夠了，對課程中的理論知識并不重視，這種認為計算機基礎教學就是教一些計算機軟件及其使用方法的“狹義工具論”思想不由而生，這是計算機基礎教學者值得思考的問題，教學模式及教學方法更有待于每一位從教者去探索。

2 技能-能力-計算思維三者在大學計算機基礎課程中的理解

大學計算機基礎課程中技能的熟練掌握是必須的，也是最基礎的，但計算機技能也不一定需要通過課程教學實現(xiàn)，在網(wǎng)絡與信息技術如此發(fā)達的時代，學生可以通過網(wǎng)絡平臺的學習獲得這種技能。從科學的角度看，計算機具有本身的科學體系，在教學的過程中，重要的是需要認識其科學性和基礎性。計算機技術發(fā)展日新月異，技術的進步并沒有改變計算機構成的基本原理，也沒有改變它二進制信息表示和處理器的核心地位。因此單純把技能性知識作為課程教學的重點，不符合計算機學科本身的特點。計算機已不單純是一種工具，通過對計算機的學習，我們要獲得用計算機解決其專業(yè)領域問題的一種能力，更重要的是獲得計算思維方法。技能學習可以產(chǎn)生立竿見影的效果，而知識需要逐步積累。知識能力和計算思維這兩者不能僅通過課程學習獲得，而需要一個長期積累和自我超越的過程。技能-能力-計算思維這三層關系如圖1所示。

要形成科學的方法就需要發(fā)現(xiàn)問題并尋找解決問題的思路。通過大學階段的計算機基礎類課程學習，建立有關計算機系統(tǒng)的概念，了解計算機是如何處理問題的，是如何把對問題的求解歸結為程序處理的，進而理解程序處理是計算機所獨有的方法，也是科學研究處理分析數(shù)據(jù)所依賴的方法。計算機具有一套完整的處理過程，理解它的處理過程對進一步使用計算機方法解決專業(yè)問題的重要性是顯而易見的。即使不是直接去設計程序，但如何描述問題以使得計算機能夠處理問題是使用計算機的第一步。有了計算機方法，就有了計算機思維意識。有專家認為，“計算機思維意識”是指在解決專業(yè)問題過程中能夠“知道”如何使用計算機。這是一個很大的問題，顯然不能簡單地理解“會使用”計算機就能夠做到培養(yǎng)“計算機思維意識”。這不但需要計算機基礎類課程的學習，更需要在后續(xù)專業(yè)課程的學習中與計算機相結合。

3 大學計算機基礎教學改革的思路

大學計算機基礎課程的教學既要訓練學生具備熟練使用計算機的技能，也要讓學生對計算機知識有系統(tǒng)的認識，具有應用計算機解決專業(yè)領域問題的能力，要將教學的重點定位在“基礎性知識和理論”的學習和提升上，突出其知識型和系統(tǒng)性，理解計算機和程序原理。

3.1 教學改革目標

大學計算機基礎課程能裁減嗎？回答是否定的。雖然學生自小學至中學一直都接觸計算機課程，似乎對大學計算機基礎課程中一些內(nèi)容并不陌生，但他們的能力和知識是很片面的。很多學生可以用QQ聊天，用媒體播放軟件聽音樂、看視頻、玩游戲，但對我們生活工作中經(jīng)常使用的辦公軟件如Office系列軟件，并沒有完全、充分地掌握。學生可以用Word軟件寫文章，但是如何寫一篇圖文并茂，排版規(guī)范的文章，他們又顯得力不從心，很多學生甚至在畢業(yè)時都無法將自己的論文按指定的格式進行排版，功能強大的電子表格軟件，更是學生的弱項。因此，相應的技能訓練和技能考核是必不可少的。

美國總統(tǒng)信息技術咨詢委員會（PITAC）2005年6月給美國總統(tǒng)提交的報告《計算科學：確保美國競爭力》（Computational Science：Ensuring Americas Competitiveness）中指出，21世紀科學上最重要的、經(jīng)濟上最有前途的前沿研究都有可能通過先進的計算技術和計算科學而得到解決[4]。因此，為其他學科培養(yǎng)掌握先進計算技術的大學計算機基礎課程就顯得非常重要。大學計算機基礎課程是培養(yǎng)大學生綜合素質和創(chuàng)新能力的基礎課程，絕不僅僅是一種工具。學生的計算機能力包括三個層次：第一層次是熟練使用計算機的基本技能；第二層次是綜合應用和設計能力，即利用計算機解決專業(yè)領域問題的能力；第三層次是創(chuàng)新能力，運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解的思維活動，即計算思維能力。

因此，大學計算機基礎課程教學改革的要求是：以計算機技能應用為載體，以知識能力培養(yǎng)為導向，以計算思維培養(yǎng)為目標，優(yōu)化重構教學內(nèi)容，運用多元化教學模式，對非計算機專業(yè)學生進行以技能、知識能力和計算思維培養(yǎng)的素質教育。

3.2 教學內(nèi)容設計

由于目前大學中普通進行的課時和學分壓縮，特別是計算機基礎教學“狹議工具論”的錯誤認識導致大學計算機基礎課程的學時再三的縮減，使得大學計算機基礎這門課在教學內(nèi)容與課時限制之間存在著矛盾，往往導致新設計的課程內(nèi)容框架沒有足夠的時間展開，也難以達到教學設計期望達到的效果，造成學生在學習過程中沒有真正理解和掌握計算機學科最本質的特征和最核心的方法。因此，大學計算機基礎課程教學內(nèi)容的設計必須在有限的學時中，充分利用課堂內(nèi)外結合的方式，根據(jù)明確的教學目標，突出重點，避免面面俱到的方式，以技能與能力為導向，以計算思維培養(yǎng)為核心設計教學內(nèi)容，如表1所示，以我校36學時為例。

教學內(nèi)容的組織需簡單明了，技能操作要求熟練使用Office軟件家族中常用的三個軟件及計算機資源管理器，其余知識模塊的重點是圍繞計算與計算科學方法在理論上的認識、提升和創(chuàng)新計算思維意識的培養(yǎng)。刪除原教學內(nèi)容中的網(wǎng)頁制作、數(shù)據(jù)庫管理、多媒體設計內(nèi)容，如PhotoShop平面設計、Flash動畫制作等，因為這些章節(jié)本身就是一門課，在課堂上2學時的概述只能給學生留下混雜的印像，學生不清楚學習到了什么，同時也會對這門課程的目標不明確?？紤]到擴展學生知識層面，為他們選擇后續(xù)課程作指導，完全可以采用專題講座形式讓學生了解，激發(fā)他們的興趣并引導選課。

3.3 以計算思維培養(yǎng)為課程教學的核心

大學計算機基礎課程內(nèi)容中包含了很多計算思維，這些思維不僅能反映計算、計算機原理，更體現(xiàn)了基于計算技術的問題求解思路與方法，從而有助于培養(yǎng)非計算機專業(yè)學生的創(chuàng)新能力，為未來應用計算機進行學科研究與創(chuàng)新奠定堅實的基礎。如借鑒計算機及相關系統(tǒng)，建立支持生物技術研究的計算平臺，建立支持材料技術研究的計算平臺等。

教師在教學中要特別注意不僅僅講授知識，還要注意計算思維意識的引導。例如在講授計算機中的信息表示，如二進制與編碼時，如果單純從知識角度來講，那么這些內(nèi)容可以講授也可以不講授，因為計算、轉換都是計算機本身去完成的，與使用者無關。而換一種角度來看，從“0和1的思維”角度進行講授是有價值的：現(xiàn)實世界可以表示為0和1→用0和1可進行邏輯與算術運算→0和1可以用電子技術實現(xiàn)→用二極管、三極管等實現(xiàn)基本門電路→組合邏輯電路實現(xiàn)→芯片（復雜組合邏輯電路）。具體來說，0和1的思維蘊含著以下概念：

⑴ 信息表示。數(shù)值信息和非數(shù)值信息均可用0和1表示，均能夠被計算。

⑵ 符號化數(shù)字化。物理世界/語義信息→符號化→0和1（進位制與編碼）→數(shù)字計算（算術運算，邏輯運算）→硬件與軟件實現(xiàn)。即任何事物只要能表示成信息也就能夠表示成0和1，也就能夠被計算，也就能夠被計算機所處理。

⑶ 層次化構造化。硬件系統(tǒng)是“用正確的、低復雜度的電路組合形成高復雜度的芯片，逐漸組合、功能越來越強”。那么，復雜的軟件和復雜的系統(tǒng)也可借鑒這種思維。

3.4 教學方法

技能訓練模塊內(nèi)容，適合案例式教學，通常是完成一件作品設計、一項任務的執(zhí)行。在作品、任務的設計上需適當提高難度，因為學生已具備一定的操作能力，不再是零起點。教學過程中注重有思維價值的情境創(chuàng)設，以計算學科基本問題為導向，以經(jīng)典案例為基礎，通過實驗了解和應用編程的基本原理，提高學生的探索水平，讓學生感受到思維過程中探索、受阻、突破等一系列思維過程，動手操作、體驗感悟是幫助學生理解算理、探索算法、抽象算法的手段，教師應注意引導學生去思考自己的操作過程，并用自己的語言表達出來，幫助學生從“實現(xiàn)操作”向“算法操作”自然過渡，讓學生體驗從直觀到抽象的逐步演變過程，進而逐步擺脫對操作的依賴，促進學生計算思維能力的發(fā)展。比如，我們在介紹計算機網(wǎng)絡IP地址時，IP地址有網(wǎng)絡號和主機號兩部分組成，體現(xiàn)了信息的層次化編碼思想，學生的學號及身份證號的編碼都采用了相似的方式。我們從一臺機器的IP地址可判斷出其所在的網(wǎng)絡，從學生的學號中可以判斷出它所在的系、入學年份、所在班級等信息。

大學計算機基礎教學不僅在于知識的傳授，更在于學習知識中所蘊含的計算思維方法。因此，要充分挖掘教材中的計算思想方法，采取各種途徑對學生進行計算思想方法的滲透，并指導學生思維實踐，幫助學生總結策略思想，生成思維策略，進行策略化解題。

4 結束語

筆者認為，“大學計算機基礎”課程不同于程序設計課程和信息素養(yǎng)課程，不同于計算機硬件、軟件知識介紹課程，也不是后續(xù)課程概述的一個組合體。大學計算機基礎課程的基本要求是日常使用計算機和文檔處理的能力，強調的是計算思維訓練和科學方法的培養(yǎng)，教學目的是從培養(yǎng)學生科學認知能力出發(fā)，讓學生理解和建立“信息、計算科學、智能”這三大核心科學概念。計算思維的培養(yǎng)不能指望一門課程來完成，計算思維的培養(yǎng)應該貫穿計算機教學的所有課程。算法思維是計算思維的一個核心，后續(xù)課程如程序設計等更能體現(xiàn)計算思維。大學計算機基礎是第一門計算機類課程，其主要承擔導論性和基本性的教學任務，我們力求在有限課時內(nèi)實現(xiàn)預期的目標。

參考文獻：

[1] 九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明[J].中國大學教學，2010.9.

[2] 戰(zhàn)德臣，聶蘭順，徐曉飛.“大學計算機”——所有大學生都應學習的一門計算思維基礎教育課程[J].中國大學教學，2011.4.

[3] 李波.計算思維與大學計算機基礎[J].中國大學教學，2012.7.

[4] 陸漢權，何欽銘，陳根才.從技能到能力，從基礎到通識——大學計算機基礎類課程十年建設之路與再認識[J].計算機教育，2008.13.

[5] 李銘.“技能、知識、思維”三位一體的大學計算機基礎教學[J].電腦知識與技術，2012.8（7）.