計(jì)算思維下的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革

王 璐，曹風(fēng)云，楊雪潔

(合肥師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230601)

計(jì)算思維是人們在理解事物、解決問題時，能夠以計(jì)算機(jī)科學(xué)的概念、邏輯及算法來理解、判斷的一種思維方式，是人類科學(xué)思維活動所固有的組成部分。周以真[1]認(rèn)為計(jì)算思維是每個人應(yīng)具有的一項(xiàng)基本技能，如同閱讀、寫作和計(jì)算一樣重要，并倡導(dǎo)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育中要加強(qiáng)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。國內(nèi)外高校也對計(jì)算思維給予了充分的關(guān)注和認(rèn)可，《九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》[2]旗幟鮮明地把“計(jì)算思維能力培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。

1 計(jì)算思維研究

1.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)是我國高等教育的重要組成部分，也是高等教育中的一個基礎(chǔ)性的學(xué)科，它通常是大學(xué)本科開設(shè)的公共必修課程，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、提升信息化綜合素質(zhì)等方面發(fā)揮著重要作用。

目前大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中面臨的主要問題如下：一是學(xué)生差異性較大。由于學(xué)生個體的差異和教育經(jīng)歷、成長環(huán)境的差異，學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)參差不齊，接受能力也大不相同。二是課程內(nèi)容變化較大。計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展非常迅速，部分高校長期以來僅僅將計(jì)算機(jī)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容，而沒有將計(jì)算看作人類應(yīng)普遍掌握的思維模式，課程內(nèi)容難以穩(wěn)定。三是對課程重視度不夠。一直以來，一些高校對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)存在狹義的“工具論”，僅把計(jì)算機(jī)看作是一種工具。這些問題導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的課時不斷被壓縮，甚至有些課程被取消，有些課程被線上自學(xué)課程所代替。

1.2 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)面臨的新變化

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程不僅是高校通識教育的一個重要組成部分，更是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力，成為復(fù)合型創(chuàng)新人才的基礎(chǔ)性教育[3]。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長，中國科學(xué)院院士陳國良教授提出，大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的三種能力的培養(yǎng)分別是使用計(jì)算機(jī)的基本能力(Computer Literacy)、理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的熟練能力(Computer Fluency)和訓(xùn)練有素的計(jì)算思維能力(Computational Thinking)[4]，如圖1所示。因此，現(xiàn)階段各高校應(yīng)該把培養(yǎng)大學(xué)生的計(jì)算思維能力作為大學(xué)通識教育的重要組成部分。

圖1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的3種能力

2018年底，合肥師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)部針對2018級20多個班級不同專業(yè)的新生進(jìn)行了一次計(jì)算機(jī)入學(xué)摸底測試。測試主要內(nèi)容為操作系統(tǒng)(Windows)、辦公自動化軟件(Word、Excel、PowerPoint)、多媒體軟件(flash等)等的操作及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識，學(xué)生測試情況統(tǒng)計(jì)如圖2所示。從測試情況可以看出，隨著信息技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的普及，大多學(xué)生對Windows操作系統(tǒng)以及常見辦公軟件如Word、Powerpoint的基本操作有了一定的了解，雖對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論知識沒有形成較為全面、系統(tǒng)的認(rèn)知，但已經(jīng)具備一定的計(jì)算機(jī)理論知識及操作基礎(chǔ)。學(xué)生對計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及掌握的相關(guān)技能較前些年的新生有了較大的提升。因此大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)不僅是技能的訓(xùn)練，還要更加關(guān)注學(xué)科的思想精華，要逐步從過去的掌握計(jì)算機(jī)使用技能到理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)再到掌握計(jì)算思維能力。

圖2 新生入學(xué)摸底測試情況

1.3 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革需求

近年來，合肥師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革和實(shí)踐中不斷地進(jìn)行著探索，從早期的以培養(yǎng)計(jì)算機(jī)操作技能為主的教學(xué)，到分層教學(xué)、分類教學(xué)、講練結(jié)合，再到現(xiàn)在的以案例驅(qū)動、問題求解為主導(dǎo)的線上線下混合式教學(xué)等一系列教學(xué)改革的嘗試，取得了良好教學(xué)效果。但是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的過程中仍然存在重視工具操作的慣性，并沒有真正把計(jì)算思維融入到整個課程體系中的問題。把計(jì)算思維作為大學(xué)生需要掌握的基本技能來培養(yǎng)，并貫穿在整個教學(xué)過程中仍需不斷地探索及實(shí)踐。因此計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)也迫切需要做出相應(yīng)的改革。

2 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的實(shí)踐

對大學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)絕對不是一門基礎(chǔ)性課程能解決的問題，它需要貫穿在整個大學(xué)教育過程中。對于計(jì)算機(jī)專業(yè)和非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)教育來說還應(yīng)區(qū)別開來。前者應(yīng)當(dāng)注重其對各種原理和方法進(jìn)行提煉，從思維方法的高度培養(yǎng)學(xué)生；對于后者應(yīng)該結(jié)合其自身專業(yè)的特點(diǎn)，注重培養(yǎng)借助計(jì)算思維有效利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決專業(yè)領(lǐng)域問題的能力。不但要抓好學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，還要關(guān)注學(xué)生在專業(yè)課中計(jì)算思維的培養(yǎng)，并協(xié)調(diào)好兩者之間的關(guān)系。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，教師應(yīng)當(dāng)積極探索并實(shí)施以培育學(xué)生計(jì)算思維為導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容。首先，對于計(jì)算機(jī)專業(yè)，可以圍繞著問題設(shè)計(jì)和求解能力的培養(yǎng)，教學(xué)內(nèi)容覆蓋計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識、程序設(shè)計(jì)和計(jì)算思維等。對于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的概念和原理可以從計(jì)算思維的角度出發(fā)重新審視。例如：二進(jìn)制數(shù)值的表示，其思想實(shí)質(zhì)上就是一個典型的計(jì)算思維的案例。在傳統(tǒng)的課程教學(xué)中，教師通常會將二進(jìn)制數(shù)值定義為計(jì)算技術(shù)中廣泛采用的一種數(shù)制，并主要講解二進(jìn)制與其他進(jìn)制之間的數(shù)值轉(zhuǎn)換，但從計(jì)算思維的角度來說，教師應(yīng)講解二進(jìn)制數(shù)制表示的基本原理。

其次，對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的理工及綜合類專業(yè)，課堂上可以減少對辦公軟件及其他軟件操作使用技能的講解，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐及自主學(xué)習(xí)、思考的能力；對于計(jì)算思維、程序設(shè)計(jì)等算法教學(xué)的內(nèi)容如計(jì)算思維的基礎(chǔ)內(nèi)容、計(jì)算思維與計(jì)算問題的求解(圖靈機(jī)、計(jì)算的本質(zhì)、計(jì)算機(jī)問題求解的引導(dǎo)等)應(yīng)適當(dāng)增加部分課時。對非計(jì)算機(jī)專業(yè)的人文藝術(shù)類專業(yè)，可增加計(jì)算思維的基礎(chǔ)、辦公軟件高級應(yīng)用及專業(yè)相關(guān)工具軟件使用等教學(xué)內(nèi)容。

2.2 教學(xué)方法與教學(xué)手段的改革

2.2.1 任務(wù)驅(qū)動教學(xué)

教師根據(jù)教材內(nèi)容或知識點(diǎn)，大量收集趣味性的信息后對原有知識點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)，把理論知識融入到實(shí)際任務(wù)中去。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過引入要解決的實(shí)際問題，思考問題關(guān)鍵點(diǎn)，最后解決問題。例如：在講授C語言中的程序結(jié)構(gòu)時，先從生活中“制作早餐”的問題求解出發(fā)，引出計(jì)算機(jī)是如何進(jìn)行問題求解，以及如何使用算法思想對問題進(jìn)行描述并求解。在講授循環(huán)語句時通過學(xué)生熟悉的“猜數(shù)字”游戲入手，引出條件控制循環(huán)結(jié)構(gòu)的程序設(shè)計(jì)[5]。即以開放型任務(wù)為目標(biāo)，以教師給定任務(wù)為牽引，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主線，讓學(xué)生在解決問題的過程中不但能掌握理論知識、了解知識的實(shí)際應(yīng)用,還能提高操作技能、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維能力，讓學(xué)生真正成為課堂的主體。

2.2.2 項(xiàng)目案例教學(xué)

以綜合性的項(xiàng)目案例貫穿整個課程內(nèi)容，讓所學(xué)課程成為一個知識鏈，形成學(xué)生由低到高的計(jì)算思維訓(xùn)練臺階，進(jìn)一步提高學(xué)生對知識的應(yīng)用能力。以C語言課程為例：在《C語言程序設(shè)計(jì)》課程中以較為實(shí)用的項(xiàng)目案例“學(xué)生成績管理系統(tǒng)”為主線，貫穿課程的“順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)及指針”等教學(xué)環(huán)節(jié)，從而使課程教學(xué)具有非常強(qiáng)的連貫性。在教學(xué)過程中，首先提出需要實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目案例的目標(biāo)，然后通過知識講解、方法演示、知識拓展，知識點(diǎn)歸納等解決實(shí)際問題。使學(xué)生體會到所學(xué)知識的實(shí)用性，從而提高學(xué)習(xí)興趣。

2.2.3 以學(xué)生為主體的多種教學(xué)模式

需要改變之前課堂上以教師為主體的教學(xué)模式，開展以學(xué)生為主體的多種教學(xué)模式結(jié)合的互動式教學(xué)。如線上線下的混合式教學(xué)模式：課前使用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式向?qū)W生布置學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生通過線上觀看MOOC視頻及使用其他線上資源進(jìn)行自學(xué)，從而理解關(guān)鍵要點(diǎn)并完成相應(yīng)任務(wù)。課堂上通過設(shè)疑、釋義、質(zhì)疑等環(huán)節(jié)讓學(xué)生進(jìn)一步加深對知識點(diǎn)的理解。課后充分利用線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(如PTA、超星學(xué)習(xí)通等)，通過線上作業(yè)幫助學(xué)生進(jìn)一步復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)內(nèi)容，并布置思考討論題目讓學(xué)生積極參與在線討論。通過傳統(tǒng)教學(xué)模式和線上教學(xué)模式的互補(bǔ)，進(jìn)一步提升學(xué)生創(chuàng)新性思維、分析和解決問題的能力，形成參與式學(xué)習(xí)，使課堂變得更加活潑生動。

2.2.4 完善的考核機(jī)制

注重學(xué)生的過程性考核和學(xué)習(xí)過程的參與度，加強(qiáng)對學(xué)生解決實(shí)際問題能力的考核，將學(xué)生的創(chuàng)新能力考核作為一個重要內(nèi)容在考核方案中體現(xiàn)出來。如：把借助網(wǎng)絡(luò)平臺或其他輔助系統(tǒng)的學(xué)習(xí)效果、任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)及學(xué)生互動式課堂教學(xué)的參與度和學(xué)習(xí)效果加入考核機(jī)制中，讓考核形式多樣化，更為全面地考核學(xué)生對知識的掌握度，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

2.3 計(jì)算思維培養(yǎng)的實(shí)踐

若要在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維，可以對原有教學(xué)內(nèi)容或知識點(diǎn)進(jìn)行拔高，并引入新的知識點(diǎn)。下面以計(jì)算機(jī)專業(yè)中“二進(jìn)制計(jì)算”為案例設(shè)計(jì)一個教學(xué)片段，從課堂教學(xué)的組織與設(shè)計(jì)上來探討計(jì)算思維在具體教學(xué)過程中的應(yīng)用。

首先引入一個二進(jìn)制計(jì)算的故事：為什么愛國者導(dǎo)彈未能成功攔截飛毛腿導(dǎo)彈？攔截失敗的原因是愛國者導(dǎo)彈系統(tǒng)的跟蹤門由于軟件的時間誤差未對準(zhǔn)來襲的飛毛腿導(dǎo)彈，由此問題引入造成導(dǎo)彈內(nèi)置誤差的根本原因是來自于計(jì)算機(jī)二進(jìn)制數(shù)值的計(jì)算范圍和精度，并提出計(jì)算思維不同于數(shù)學(xué)思維。通過學(xué)生參與式的學(xué)習(xí)和學(xué)生共同探討解決此問題的方法。如：每兩個小時重啟一次愛國者導(dǎo)彈的系統(tǒng)、修改24位模式為64位、修改程序等。若要實(shí)現(xiàn)以上的方法必須要從實(shí)質(zhì)上了解計(jì)算機(jī)計(jì)算的原理，理解計(jì)算機(jī)信息的存儲方式、緩存工作原理，理解計(jì)算機(jī)CPU的工作原理、數(shù)模轉(zhuǎn)換及并行計(jì)算等，了解計(jì)算機(jī)二進(jìn)制的機(jī)械實(shí)現(xiàn)并通過排序等計(jì)算案例理解算法的復(fù)雜性。最后通過實(shí)踐讓學(xué)生動手編寫較為簡單的程序，體驗(yàn)算法的設(shè)計(jì)與問題的求解。教學(xué)片斷過程如圖3所示。

圖3 教學(xué)片段案例

3 結(jié)束語

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程通常是各高等院校的必修課，也是學(xué)生接觸到的第一門有關(guān)計(jì)算思維的課程。作為應(yīng)用型本科院校的教師，應(yīng)結(jié)合學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)，以培養(yǎng)大學(xué)生計(jì)算思維能力為導(dǎo)向，積極投身于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革當(dāng)中去。通過改革原有不合理的教學(xué)體系，改進(jìn)教學(xué)模式及教學(xué)方法，引入新的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式，真正地理解大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的內(nèi)涵，不斷提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中使用計(jì)算思維分析問題及解決問題的能力，使學(xué)生能適應(yīng)社會及行業(yè)發(fā)展新需要。