美國高校計算機科學(xué)原理課程介紹及啟示

師 碩，郭迎春，于 洋

（河北工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300401）

0 引 言

計算思維（computational thinking）是目前國際計算機界廣為關(guān)注的一個重要概念，最早由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系周以真（Jeannette M. Wing）教授定義為“運用計算機科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動”[1]。2008年，美國計算機協(xié)會（ACM）接受了周以真的計算思維理念，明確要求計算機導(dǎo)論類課程應(yīng)該重點講授計算思維的本質(zhì)。目前美國高校甚至中小學(xué)，普遍開設(shè)了培養(yǎng)計算思維的計算機課程。在國內(nèi)，2013年國家教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機課程教學(xué)指導(dǎo)委員會發(fā)布了《計算思維教學(xué)改革宣言》[2]，明確了計算思維能力培養(yǎng)在計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)中的中心地位，同時把計算機思維能力培養(yǎng)上升到創(chuàng)新人才培養(yǎng)和國家發(fā)展的高度。目前，已有眾多院校對如何增強計算思維培養(yǎng)進行了相關(guān)的探索和實踐，也取得了一定的進展[3-4]。然而計算機科學(xué)發(fā)展迅速，如何在新技術(shù)不斷涌出的情況下更好地開展基于計算思維的教學(xué)實踐，需要我們持續(xù)探討。

1 計算機科學(xué)原理課程介紹

1.1 課程簡介

內(nèi)布拉斯加大學(xué)奧馬哈分校CSCI 1200課程名稱是計算機科學(xué)原理（Computer Science Principles），課程目標(biāo)和授課內(nèi)容與我國大學(xué)中的大學(xué)計算思維課程相近。CSCI 1200課程是大學(xué)指定的自然科學(xué)通識教育課程，主要面向大一新生，任何專業(yè)的學(xué)生都可以選修這門課程，以滿足畢業(yè)時普通教育課程的要求。課程設(shè)計遵循美國大學(xué)委員會新的AP（advance placement）計算機科學(xué)原理課程，允許通過AP課程考試的高中學(xué)生獲得大學(xué)學(xué)分。學(xué)生通過此門課程的學(xué)習(xí)，能掌握計算機科學(xué)的基本原理，學(xué)習(xí)解決問題的“計算”方式，提高計算思維的能力，并了解社會對持續(xù)計算創(chuàng)新的需要。

1.2 教學(xué)內(nèi)容

CSCI 1200課程沒有指定教材，提供了App Inventor 2: Create Your Own Android Apps和Blown to Bits: Your Life, Liberty, and Happiness after the Digital Explosion兩本電子書為主要可選的參考教材。教學(xué)內(nèi)容分為7部分。

（1）課程簡介。包括計算機組成及應(yīng)用、發(fā)展趨勢、計算平臺的改變、職業(yè)愿景、計算思維的概念等內(nèi)容。

（2）信息表示。涉及數(shù)據(jù)及其存儲、數(shù)制、不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換。

（3）編程基礎(chǔ)。包括決策、布爾、邏輯及關(guān)系表達式、if/else塊、隨機化、列表、文本變量、循環(huán)控制、迭代等基礎(chǔ)知識。

（4）圖像處理基礎(chǔ)。包括圖像存儲原理、顏色模式和像素表示。

（5）大數(shù)據(jù)和云計算。包括數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)和云計算的原理及應(yīng)用。

（6）建模與仿真。包括建模和仿真的原理、實現(xiàn)及應(yīng)用。

（7）APP Inventer 項目開發(fā)。包括：①PaintPot項目。實現(xiàn)畫圖功能，介紹在App Inventer平臺開發(fā)APP項目的具體過程，包含媒體（聲音和圖片）控件的使用，使用畫布控件繪圖，控件觸摸和拖動事件的處理，APP測試及封裝發(fā)布。②Presidents’ Quiz APP項目。是一個以幻燈片形式顯示不同總統(tǒng)圖像及提示內(nèi)容再要求填寫總統(tǒng)姓名的測試游戲，旨在掌握如何定義列表、訪問列表的元素和比較文本變量。③MoleMash 游戲項目。實現(xiàn)一個鼴鼠在運動場上隨機位置彈出，玩家在其跳躍之前擊中得分的游戲，旨在學(xué)習(xí)定時器的使用，實現(xiàn)簡單動畫功能。④Pong游戲項目。它是由用戶控制球拍的彈球游戲，球在球拍和上、左、右3面墻壁之間彈跳，當(dāng)球接觸到球拍下面的墻壁時游戲結(jié)束，旨在掌握運動軌跡計算、多屏幕之間發(fā)送/接受參數(shù)、ListPicker控件等高級動畫游戲的設(shè)計。⑤雅虎股市APP項目。使用Yahoo! Finance API獲取股票的最新價格，目的是掌握應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）的使用。

1.3 教學(xué)實施

CSCI 1200是一門3學(xué)分課程，以每周一次綜合講座或?qū)嶒灥男问竭M行，每次150分鐘，共授課16周。30名學(xué)生為一班，每班配置一名助教（teaching assistant, TA）負責(zé)習(xí)題課答疑、批改作業(yè)、指導(dǎo)項目設(shè)計及錄入成績。整個授課過程，每人配備一臺電腦，全班共享若干臺Android測試設(shè)備。

講座課上，教師采用基于查詢的教學(xué)方法，通過實際問題引入計算概念。授課過程，教師重視和學(xué)生互動，經(jīng)常向?qū)W生提出問題或請學(xué)生直接在老師電腦上操作演示，學(xué)生也可以隨時向老師提出問題。實驗課上，教師會從實際應(yīng)用出發(fā)，講解多個開發(fā)項目。重視學(xué)生之間的團隊合作，除了自己練習(xí)之外，在實驗課上設(shè)有團隊設(shè)計環(huán)節(jié)， 2～4人為一組，在限定時間內(nèi)共同開發(fā)完成某一指定內(nèi)容，并要求各成員之間交換團隊角色。除有助教負責(zé)答疑外，授課教師每周提供一次2個小時的答疑，學(xué)生可以到教師辦公室當(dāng)面請教交流。整個教學(xué)過程，設(shè)置7次課堂測試，測試側(cè)重基礎(chǔ)知識的考察，多為概念解釋、小型程序設(shè)計等。

內(nèi)布拉斯加大學(xué)奧馬哈分校使用Blackboard教學(xué)輔助系統(tǒng)，CSCI 1200課程的任課教師通過該系統(tǒng)發(fā)布授課計劃、通知、課程提綱、講義、例程、習(xí)題、作業(yè)和項目等相關(guān)的教學(xué)資料；學(xué)生可以通過該系統(tǒng)提交作業(yè)、項目設(shè)計以及查看成績。

CSCI 1200課程總成績是由作業(yè)40%、出勤和課上練習(xí)10%、課堂測試20%和項目設(shè)計30% 4部分組成。作業(yè)主要是編程練習(xí)。出勤和課上練習(xí)部分，缺勤1次扣掉1%的成績，如果超過3次成績直接為“F”，即不及格。項目設(shè)計是分組設(shè)計實現(xiàn)一個不限題目的Android移動APP，在學(xué)期中期任課老師將項目設(shè)計內(nèi)容布置下去，最后一次課程每組學(xué)生進行至少20分鐘的項目答辯，要求每名同學(xué)均參與答辯，并撰寫包括小組成員、背景、需求分析、詳細設(shè)計在內(nèi)的項目書。成績評定的說明及要求，老師在第一次課上直接公布給學(xué)生，并十分強調(diào)學(xué)術(shù)誠信，對作業(yè)、測試及項目設(shè)計抄襲采取零容忍政策，嚴格按照學(xué)校誠信準(zhǔn)則執(zhí)行。

1.4 作 業(yè)

第一周開始布置作業(yè)，整個學(xué)期共有9次，每次作業(yè)一般給學(xué)生5天左右的時間，即下次課前兩天提交作業(yè)。教師為作業(yè)提供相應(yīng)的程序框架和部分輔助代碼，學(xué)生只需要實現(xiàn)部分程序。部分作業(yè)設(shè)有附加部分，完成后可得到更高的成績。

作業(yè)1：在sites.google.com上創(chuàng)建自己的課程網(wǎng)站。要求：①按步驟創(chuàng)建新網(wǎng)站，在主頁加入自己的名字、專業(yè)及簡短的個人介紹。②創(chuàng)建不同級別的3個新頁面，3個頁面命名和結(jié)構(gòu)為：CSCI 1200==>Assignments==> Assignment 1，即Assignments是CSCI 1200的子網(wǎng)頁，Assignment 1又是Assignments的子網(wǎng)頁。閱讀http://www.bitsbook.com/excerpts網(wǎng)站提供的電子書的第一章，并撰寫總結(jié)提交到Assignment 1網(wǎng)頁。③自定義個人Google站點，對側(cè)邊導(dǎo)航欄進行修改、刪除或添加新內(nèi)容或鏈接操作，更改網(wǎng)站的Logo。④將建好的課程站點的網(wǎng)址提交到Blackboard系統(tǒng)。

作業(yè)2：擴展PaintPot項目。PaintPot項目是圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）的一個實例。要求：①在項目的基礎(chǔ)上增強GUI功能，改變項目中3個按鈕的背景顏色以提示畫筆顏色。②實現(xiàn)用戶對畫筆粗細的設(shè)置。③額外部分（增加20%成績），實現(xiàn)畫線和畫圓兩種畫筆模式。④將項目的APK文件（PaintPot.apk）提交到自己的Google網(wǎng)站，并將項目在Google網(wǎng)站的網(wǎng)址及源碼包（PaintPot.aia）提交到Blackboard系統(tǒng)。后面所有涉及編程的作業(yè)、提交內(nèi)容及方式相同。

作業(yè)3：奇偶校驗APP。要求：①創(chuàng)建新的App Inventor項目，該項目自動生成一個7位二進制字符串，并在字符串的開頭添加一個正確的偶校驗位。②額外部分（增加10%成績），實現(xiàn)輸入錯誤檢查，單擊提交按鈕后檢測用戶輸入內(nèi)容是否為7位二進制字符串，如果不符合輸入要求，顯示“錯誤輸入！請再試一次！”的錯誤提示。

作業(yè)4：答題APP。要求：①參考Presidents’Quiz App項目，設(shè)計問題、答案和圖像，創(chuàng)建自己的答題APP，要求至少4個問題，題目類型不限。②修改用戶瀏覽答題的方式：添加“上一個”按鈕，單擊時移動到上一個問題。添加“下一步”按鈕，單擊時若處于最后一個問題，不回到第一個問題而是保持在同一個問題，同時“下一步”按鈕文本的顏色更改為灰色，表示不能向前移動；若不是最后一個問題，“下一步”按鈕的文本顏色為黑色，并移動到下一題。③額外部分（增加10%成績），用ListPicker控件實現(xiàn)選擇答案來代替用Textbox控件輸入答案。

作業(yè)5：MoleMash項目擴展。要求：①添加能量棒，初值設(shè)為200，每次超時能量棒數(shù)值減少10，能量等于0時結(jié)束游戲，并在畫布上顯示“能量為零”的提示消息。②增加“重置”按鈕，將分數(shù)設(shè)置為0，能量棒設(shè)置為200。根據(jù)玩家得分控制鼴鼠運動速度，得分超過20分，鼴鼠移動速度變?yōu)?.5秒；得分小于10分，速度設(shè)置為1.5秒；其他情況為1秒。

作業(yè)6：編程練習(xí)列表和循環(huán)。要求：①用戶輸入整數(shù)，分別實現(xiàn)：生成0到n之間的所有整數(shù)生成0到n之間的所有偶數(shù)；生成從n到1的所有整數(shù)；生成個數(shù)為n的0～9之間的隨機整數(shù)。②額外部分（增加10%成績），分別實現(xiàn)文本框中數(shù)字的求和、求積計算，以及刪除偶數(shù)、奇數(shù)的操作。

作業(yè)7：Pong項目擴展。要求：①下載Pong_noLab.aia源文件，在此基礎(chǔ)上在畫布指定位置上添加10個Image Sprites控件，并設(shè)置它們的圖像作為游戲中的磚塊。②實現(xiàn)球擊中磚塊時，磚塊消失得分加10點；單擊“重新啟動”按鈕，磚塊再次可見。③額外部分（增加10%成績），添加更多功能/操作，優(yōu)化和增強應(yīng)用程序。

作業(yè)8：撰寫論文《論計算創(chuàng)新的影響》。要求：①說明創(chuàng)新的名稱，即陳述計算創(chuàng)新的預(yù)期目的或功能（約150字）。②解釋計算創(chuàng)新所帶來的益處或害處（約250字）。③使用的具體細節(jié)，著重計算創(chuàng)新所使用的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的生成或轉(zhuǎn)換、存儲、隱私或安全問題（約250字）。④參考文獻要求3～7個，并要求每條參考文獻提供作者、標(biāo)題、來源和發(fā)布日期的完整引用，對于在線參考需提供永久網(wǎng)址和訪問日期，并要求至少兩個參考文獻是最近兩年內(nèi)的。

作業(yè)9：雅虎股市App項目擴展。要求：①下載Blackboard上對應(yīng)的源代碼，修改錯誤。②添加自定義股票報價屏幕，刷新按鈕后，打開一個新屏幕，為APPL、GOOG、MSFT、IBM和INTC每個股票代碼添加一個復(fù)選框，點擊刷新按鈕后，在屏幕上顯示所有選定股票的符號、名稱、最新價格、變更。

2 教學(xué)軟件

CSCI 1200課程的練習(xí)和項目設(shè)計都使用App Inventor并在Android移動設(shè)備上完成。App Inventor是由Google的Mark Friedman和麻省理工學(xué)院的Hal Abelson教授聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的一款在線快速開發(fā)移動應(yīng)用的工具，被認為是一種培養(yǎng)學(xué)習(xí)者計算思維能力的工具。目前已發(fā)展到APP Inventor 2，有離線和在線兩種方式。App Inventor采用模塊化、圖形化的編程方式，正如Hal Abelson教授所說：“APP Inventor編寫的應(yīng)用程序或許不是很完美，但它們卻是普通人都能做的，而且通常是在幾分鐘內(nèi)就可完成”[5]。ai2.appinventor.mit.edu網(wǎng)站上提供了包括調(diào)試方式、設(shè)計和塊編輯器概述、程序打包及發(fā)布等內(nèi)容，這些內(nèi)容為學(xué)習(xí)者提供了極大的支持。

2.1 調(diào)試方式

APP Inventor開發(fā)環(huán)境采用“瀏覽器+云服務(wù)”的模式，不需在計算機上安裝配置復(fù)雜軟件，通過瀏覽器訪問AI服務(wù)器就可實現(xiàn)程序設(shè)計，因此開發(fā)環(huán)境簡單。目前國內(nèi)唯一的官方服務(wù)器是廣州教育信息中心的服務(wù)器[6]。App Inventor提供3種調(diào)試方式：

（1）使用Android設(shè)備且有無線網(wǎng)絡(luò)連接，無需在計算機上安裝任何軟件，只需在Android設(shè)備上安裝Inventor Companion App即可，這種方式最佳。

（2）沒有Android設(shè)備，需要在計算機上安裝軟件，以便可以使用計算機屏幕上的Android模擬器。

（3）沒有無線網(wǎng)絡(luò)連接，需要在計算機上安裝軟件，以便可以通過USB連接到Android設(shè)備，但USB連接選項可能會有些問題，尤其是在Windows上，因此將此種調(diào)試方式作為最后的選擇。

2.2 設(shè)計和塊編輯器

App Inventor由Designer和Blocks編輯器組成。首先通過設(shè)置屏幕和屏幕外組件來設(shè)計APP的用戶界面，如圖1所示。然后將塊放在一起來對程序的行為進行編程，如圖2所示。這種采用拖放構(gòu)建塊、圖像化的編程模式，極易使初學(xué)者入門并在很短的時間內(nèi)具備創(chuàng)建應(yīng)用程序的能力。

2.3 封裝和分享應(yīng)用程序

構(gòu)建應(yīng)用程序后將其打包與朋友分享，能很好地促進編程主動性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。App Inventor提供了幾種分享方式：

（1）以可安裝在設(shè)備上的可執(zhí)行形式（.apk）。

（2）以可以加載到App Inventor并重新混合的源代碼（.aia）形式。

（3）在Google Play商店上發(fā)布。選擇可安裝的.apk文件進行共享，需要通過App Inventor工具欄上的“Build”菜單打包應(yīng)用程序，如圖3所示。以.aia文件共享應(yīng)用程序，如圖4所示，以方便其他人重新混合。

圖1 設(shè)計App用戶界面

圖2 組塊編程

圖3 以.apk文件形式打包程序

圖4 以.aia文件信息打包程序

3 課程特點分析與啟示

3.1 課程特點

（1）以實例教學(xué)為主，重視能力培養(yǎng)。教師采用基于查詢的教學(xué)方法，通過實際問題引入計算概念。帶領(lǐng)學(xué)生進行課堂編程練習(xí)，注重計算思維和編程能力的培養(yǎng)。

（2）課程內(nèi)容新穎，實驗平臺先進。教學(xué)內(nèi)容不僅包括計算思維、編程基礎(chǔ)等內(nèi)容，還涉及大數(shù)據(jù)、云計算、建模和仿真等計算機學(xué)科中的新興知識，極好地擴展了學(xué)生的科學(xué)視野。實驗平臺采用App Inventor，這種“所見即所得”的編程工具，不僅簡化了軟件安裝及調(diào)試過程，還可以簡易、方便地實現(xiàn)學(xué)生自己的創(chuàng)作想法，調(diào)動學(xué)生創(chuàng)作的興趣。

（3）數(shù)字化教學(xué)手段充分運用。CSCI 1200課程在講座課上使用投影儀，通過Blackboard系統(tǒng)和sites.google.com進行作業(yè)和項目的布置與提交等，數(shù)字化教學(xué)手段的運用提高了教學(xué)效果和效率。

（4）合理的作業(yè)和項目安排。作業(yè)多是教學(xué)項目的延伸和擴展，達到由淺入深訓(xùn)練學(xué)生編程能力的目的。項目設(shè)計按小組進行，涉及分析、設(shè)計、實現(xiàn)、測試、答辯等各個環(huán)節(jié)。作業(yè)和項目都有相應(yīng)的文獻檢索和寫作要求。這些環(huán)節(jié)的設(shè)置不僅有利于學(xué)生解決實際問題能力的培養(yǎng)，還提高了學(xué)生檢索文獻、撰寫文檔、團隊合作及語言表達等各項素質(zhì)。

（5）小班授課，師生互動良好。每班30名學(xué)生，并配備一名助教，教師每周提供2小時的答疑時間，這樣的人員配置有利于提高教學(xué)質(zhì)量，保證學(xué)生得到充分的指導(dǎo)與支持。

3.2 啟 示

（1）結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿，注重教學(xué)內(nèi)容更新。CSCI 1200課程內(nèi)容包括大數(shù)據(jù)、云計算等前沿知識，實驗環(huán)節(jié)采用App Inventor云平臺，有利于學(xué)生學(xué)術(shù)思維的擴展并切身體會移動計算的益處。然而目前國內(nèi)這些課程還多是側(cè)重編程知識的講解，實驗平臺多采用Visual Basic或Visual C++，學(xué)生并不能及時接觸到計算機學(xué)科的科技前沿知識。

（2）合理安排作業(yè)及項目，注重學(xué)術(shù)誠信培養(yǎng)。CSCI 1200課程通過多次課堂訓(xùn)練、7次測試、9次作業(yè)和一個大型項目設(shè)計，強化了學(xué)生對程序設(shè)計技能的運用，采用網(wǎng)上提交、答辯等多種方式完成，靈活多樣。而國內(nèi)這門課程的訓(xùn)練還主要是通過作業(yè)（多數(shù)要求提交手寫紙質(zhì)作業(yè)）和有限次數(shù)的上機進行，方式單一，并且作業(yè)和項目雷同現(xiàn)象嚴重，通常整個班級學(xué)生的作業(yè)只有幾個相似的版本，但教師查處抄襲卻很困難。

（3）充足教學(xué)輔助人員，充分運用數(shù)字化教學(xué)手段。CSCI 1200課程采用小班授課并配備1名助教為學(xué)生提供充足的指導(dǎo)。國內(nèi)這門課程多采用大班授課，通常班級容量有百人左右，由于師資原因，多數(shù)情況并不配備任何輔助人員，因此很難給予學(xué)生充分的指導(dǎo)和幫助。CSCI 1200課程通過Blackboard系統(tǒng)進作業(yè)布置及提交，較好地節(jié)省了師生處理作業(yè)的時間，極大地提高了教學(xué)效率。對比國內(nèi)目前只有部分高校開發(fā)了電子教學(xué)輔助系統(tǒng)，但仍然存在系統(tǒng)功能不完善以及未得到充分運用等問題，數(shù)字化教學(xué)往往還只停留在投影儀的使用。

4 結(jié) 語

目前，將計算思維能力的培養(yǎng)作為大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，已經(jīng)在國內(nèi)外計算機教育領(lǐng)域達成共識。如何將計算思維落實在課程的教學(xué)中，對于計算機相關(guān)專業(yè)的本科教育非常重要。通過對美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)奧馬哈分校CSCI 1200課程的課程內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)環(huán)節(jié)實施、實驗平臺應(yīng)用等方面進行分析和總結(jié)，結(jié)合我國對應(yīng)課程的實際教學(xué)情況提出一些看法，供同行們參考。

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