基于計算思維的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程改革研究與實(shí)踐

任靜靜

（信息工程大學(xué)洛陽校區(qū)基礎(chǔ)系，洛陽 471003）

1 研究背景

計算思維自從提出以來受到了國內(nèi)外教育界的高度重視。2006 年3 月，周以真教授在美國計算機(jī)權(quán)威雜志ACM 上發(fā)表了Computational Thinking一文，首次給出比較全面的有關(guān)計算思維的定義，計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動[1]。

周以真教授認(rèn)為計算思維能力應(yīng)該是人人具備的基本技能，而不應(yīng)該只屬于計算機(jī)科學(xué)家，計算思維是和閱讀、寫作、算術(shù)一樣重要的技能，計算機(jī)教育應(yīng)當(dāng)以培養(yǎng)計算思維為核心。此觀點(diǎn)傳播到我國后，引起了我國計算機(jī)教育研究者的重視，紛紛發(fā)表了對計算思維本質(zhì)的探討，同時各大高校也開展了以計算思維為核心的計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革。

為了將計算思維融入到大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，本文主要研究如何設(shè)計大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程體系、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)模式來體現(xiàn)計算思維的內(nèi)涵。

2 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程現(xiàn)狀

其他學(xué)科的前沿研究都有可能通過計算手段得到解決，即計算技術(shù)對其他學(xué)科的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用，而大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程正是為其他學(xué)科培養(yǎng)先進(jìn)計算技術(shù)人才的課程。該類課程是面向大學(xué)非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的通識類思維教育課程。

目前該類課程中存在著很多問題，面臨著課程涉及什么內(nèi)容以及如何組織和表現(xiàn)內(nèi)容等具體問題。問題具體體現(xiàn)在：課程內(nèi)容停留在計算機(jī)基本概念以及使用常用軟件，教師認(rèn)為課程就是教授學(xué)生怎么使用計算機(jī)，忽略了對學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)，而學(xué)生對課程認(rèn)識還停留在“狹隘工具論”和“學(xué)會用即可”；課程教材五花八門，種類繁多，有的教材內(nèi)容繁雜，網(wǎng)絡(luò)、人工智能、數(shù)據(jù)庫等各個領(lǐng)域均有涉獵，但又都不深入，課程的教學(xué)內(nèi)容涉及到計算機(jī)科學(xué)的方方面面，樣樣都講，樣樣講不透，知識不成體系，沒有一個很清晰的脈絡(luò)；隨著計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生都應(yīng)該掌握一定的計算技術(shù)來解決自己的專業(yè)問題，但是課程的教學(xué)模式更多的是一種以傳授知識和技能為出發(fā)點(diǎn)，現(xiàn)有的教學(xué)模式與學(xué)生對計算手段能力需求之間存在巨大的差距。教學(xué)過程中以名詞解釋為主，解釋了“是什么”，沒有講明“為什么”，教學(xué)的關(guān)注點(diǎn)是零散的具體的計算機(jī)科學(xué)的知識點(diǎn)，例如二進(jìn)制、計算機(jī)工作過程以及相關(guān)編程語言的語法等。學(xué)生對計算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域解決專業(yè)問題的方法和思路沒有一個清晰的認(rèn)識，學(xué)生只能獲得知識和技能，并不能獲得利用計算手段來進(jìn)行各學(xué)科專業(yè)研究的能力，而這種能力恰恰是每個學(xué)生應(yīng)該掌握的。

造成以上問題的原因分析如下：課程很長時間里以知識講解及軟件應(yīng)用為主，使得人們對課程的定位和評價出現(xiàn)偏頗；還沒有找到合適的手段來進(jìn)行計算思維能力的培養(yǎng)。

3 基于計算思維的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程改革

根據(jù)計算思維的內(nèi)涵要解決目前課程教學(xué)中存在的問題，就要以“計算思維”為核心構(gòu)建課程體系、知識體系以及組織表現(xiàn)形式。

計算思維是現(xiàn)代社會每個人都應(yīng)具備的一種思維方式。1998 年和2013 年的諾貝爾化學(xué)獎授予一個計算手段的研究者說明：計算思維對其他學(xué)科創(chuàng)新是非常重要的。計算機(jī)不再僅僅是一門工具，大學(xué)生應(yīng)該具備對計算機(jī)技術(shù)深度應(yīng)用的能力，這一目標(biāo)正好和計算思維的培養(yǎng)目標(biāo)契合，所以大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程要以計算思維的訓(xùn)練來展開。蘊(yùn)含知識的思維教學(xué)是計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心，通過思維來展開知識講解。計算機(jī)基礎(chǔ)課程應(yīng)該滿足的特點(diǎn)是思維性、知識和素養(yǎng)性、技能和實(shí)用性。

2010 年發(fā)布的《九校聯(lián)盟（C9）計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中強(qiáng)調(diào)，要把培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的一項(xiàng)重要的、長期的和復(fù)雜的核心任務(wù)[2]。隨后以計算思維為切入點(diǎn)的大學(xué)計算機(jī)課程改革的研究如雨后春筍般層出不窮的出現(xiàn)在課程改革項(xiàng)目和教學(xué)會議中。

3.1 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程體系

教育部高等學(xué)校計算機(jī)基礎(chǔ)課程教指委制定的《計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》中提出了“1+X”課程體系，其中的“1”即“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”課程，“X”一般由“程序設(shè)計基礎(chǔ)”、“數(shù)據(jù)庫技術(shù)”和“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用”等若干課程組成，構(gòu)成大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程群?；谟嬎闼季S的計算機(jī)課程新體系構(gòu)建如表1 所示[3]，新課程體系將計算思維的培養(yǎng)看成是一個系統(tǒng)工程，通過第一個層次的學(xué)習(xí)，掌握一定的計算機(jī)學(xué)科知識并理解計算思維；通過第二個層次的學(xué)習(xí)，進(jìn)行問題求解能力的訓(xùn)練，達(dá)到思維向能力的提升和轉(zhuǎn)變；通過第三個層次的學(xué)習(xí)，利用計算手段和專業(yè)結(jié)合形成面向各專業(yè)的計算思維和計算能力[4]。針對計算機(jī)課程新體系也可以這樣理解，通過第一個層次的學(xué)習(xí)培養(yǎng)計算思維意識；通過第二個層次的學(xué)習(xí)訓(xùn)練計算思維的方法；第三個層次的學(xué)習(xí)培養(yǎng)計算思維的能力[5]。

表1 基于計算思維的計算機(jī)課程新體系

課程不再是單純講授計算機(jī)及其軟件（如Office、IE 等）如何使用，既包含知識技能的應(yīng)用，也包含思維方式的訓(xùn)練和思維能力的提高，并能將思維能力遷移到其他學(xué)科中用來解決問題。

3.2 大學(xué)計算機(jī)課程內(nèi)容體系

《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》作為第一門入門計算機(jī)課程，主要作用是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維意識和信息素養(yǎng)能力。該課程中包含的內(nèi)容模塊：計算和計算思維；Py?thon 基礎(chǔ)知識；基于計算思維的問題求解；信息表示與編碼、計算機(jī)系統(tǒng)。該課程首先從計算機(jī)發(fā)展史中得出計算和自動計算的概念，要實(shí)現(xiàn)計算需要解決數(shù)據(jù)的表示、存儲、規(guī)則及規(guī)則自動執(zhí)行。圍繞數(shù)據(jù)的表示、存儲和規(guī)則，引出信息表示和編碼的內(nèi)容，圍繞規(guī)則的自動執(zhí)行展開計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)容。該課程的主線是如何實(shí)現(xiàn)計算和自動計算，在課程中安排少量的Py?thon 學(xué)時，借助Python 對理論知識進(jìn)行驗(yàn)證，培養(yǎng)計算思維的意識。

程序設(shè)計類和數(shù)據(jù)庫技術(shù)課程可以采用和學(xué)生專業(yè)相結(jié)合的案例開展，落實(shí)教育部提出來的“四新”（新工科、新文科、新醫(yī)科、新農(nóng)科）的號召，讓學(xué)生在解決專業(yè)問題的過程中掌握計算思維方法。

在程序設(shè)計課程中，要注重計算思維方法的訓(xùn)練，要避免按照章節(jié)順序進(jìn)行知識的講解，語法知識比較枯燥，學(xué)生體會不到知識的連貫性，應(yīng)該在計算思維訓(xùn)練的過程中將知識貫穿成一個整體，讓學(xué)生既體會到了計算思維的本質(zhì)又學(xué)習(xí)到了知識本身。

以Python 程序設(shè)計基礎(chǔ)課程為例，核心內(nèi)容模塊包括：程序、算法及程序設(shè)計語言基礎(chǔ)知識；基本數(shù)據(jù)類型；程序控制結(jié)構(gòu)；組合數(shù)據(jù)類型；函數(shù)；文件等。

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課程以網(wǎng)絡(luò)資源的獲取和分析為主線，以Python 語言作為問題求解的工具，將網(wǎng)絡(luò)知識貫穿在問題的求解中。例如可以設(shè)計“利用Python 語言爬取某大學(xué)網(wǎng)站往年錄取分?jǐn)?shù)信息并進(jìn)行統(tǒng)計分析”的案例，在此案例中將IP 地址、URL 等知識點(diǎn)貫穿起來，達(dá)到知識學(xué)習(xí)和思維訓(xùn)練的目的。

選修課、第二課堂或者學(xué)科競賽主要是提高學(xué)生的計算思維和創(chuàng)新能力。在此模塊中可以根據(jù)學(xué)生興趣開設(shè)多個選修課和第二課堂活動，鼓勵學(xué)生參加競賽，達(dá)到以賽促課的目的。

3.3 基于游戲化的教學(xué)模式

結(jié)合大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程培養(yǎng)學(xué)生計算思維的需求，將游戲化教學(xué)方法引入到課堂教學(xué)中，能對培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力起到很好的促進(jìn)作用。根據(jù)大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)和游戲化教學(xué)的特點(diǎn)，構(gòu)建基于游戲化教學(xué)的計算思維培養(yǎng)的教學(xué)方案，如圖1 所示，方案從教師活動和學(xué)生活動兩個角度進(jìn)行設(shè)計。

在游戲化教學(xué)模式中，教師首先要確定教學(xué)目標(biāo)、對學(xué)生特征和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對設(shè)置問題，通過問題來培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，創(chuàng)造良好的教學(xué)情境，最后對知識點(diǎn)進(jìn)行講解。在此過程中要注意學(xué)生的反饋，讓學(xué)生參與到課堂的討論中來。學(xué)習(xí)者在自主學(xué)習(xí)時先明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，通過教師講解熟悉游戲規(guī)則和內(nèi)容，完成游戲的過程中實(shí)現(xiàn)了知識的內(nèi)化，最后進(jìn)行反饋總結(jié)和拓展遷移。

教學(xué)方案中的案例設(shè)計應(yīng)該遵循原則：①設(shè)計趣味游戲化案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)，學(xué)生在完成游戲化案例過程中掌握相關(guān)知識點(diǎn)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。②設(shè)計分層式的案例以便實(shí)現(xiàn)知識的綜合學(xué)習(xí)，教師兼顧到所有學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，并給學(xué)有余力的學(xué)生提供可以拓展的空間。③層層遞進(jìn)式游戲案例，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，引導(dǎo)學(xué)生逐步展開知識的學(xué)習(xí)，由易到難，逐步推進(jìn)，在求解游戲過程中，培養(yǎng)學(xué)生掌握分析問題、解決問題的方法和思路，提高學(xué)生的計算思維能力。

圖1 基于游戲化教學(xué)的計算思維培養(yǎng)的教學(xué)方案

將枯燥的知識貫穿在游戲中學(xué)習(xí)，營造了良好的學(xué)習(xí)氛圍，使得基于計算思維的計算機(jī)基礎(chǔ)課程變得有趣。在游戲化教學(xué)模式設(shè)計過程中，可以根據(jù)實(shí)際的授課內(nèi)容，采用基于技能操作式、問題探究式、虛擬協(xié)作式、仿真競技式教學(xué)方法進(jìn)行案例設(shè)計。

4 結(jié)語

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的核心任務(wù)之一就是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、分析問題及解決問題的能力。本文構(gòu)建了基于計算思維構(gòu)建大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程體系和內(nèi)容體系，并提出了基于游戲化的計算思維教學(xué)模式，為課程的開展提供了有價值的參考。