以培養(yǎng)計算思維為主線的《計算機(jī)導(dǎo)論》課程改革實(shí)踐

摘 要：計算思維能力是計算機(jī)類專業(yè)學(xué)生必須掌握的能力，是進(jìn)入計算機(jī)類專業(yè)大門的鑰匙?！队嬎銠C(jī)導(dǎo)論》是高校計算機(jī)類專業(yè)新生入學(xué)后的第一門專業(yè)導(dǎo)引性課程，也是培養(yǎng)計算思維能力的前沿陣地。目前的導(dǎo)論課程內(nèi)容龐雜，并且學(xué)時有限，如何有效利用這門課培養(yǎng)同學(xué)們的計算思維能力，為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備，是《計算機(jī)導(dǎo)論》課程的重中之重，本文闡述了結(jié)合線上線下混合式教學(xué)模式和有效的思維訓(xùn)練工具Raptor對導(dǎo)論課程進(jìn)行改革實(shí)踐的研究，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：計算思維;混合式教學(xué);Raptor;思維導(dǎo)圖

中圖分類號： G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.03.052

本文著錄格式：于娟.以培養(yǎng)計算思維為主線的《計算機(jī)導(dǎo)論》課程改革實(shí)踐[J].軟件，2021，42（03）：180-183

Reform and Practice of Foundations of Computer Science with the Main Purpose of Cultivating Computational Thinking

YU Juan

（College of Engineering Technology， Yang-En University， Quanzhou? Fujian? 362014）

【Abstract】：The ability of computational thinking is very important for the students of computer major， its the key to enter the door of computer science. 《Foundations of Computer Science》 is the first professional guiding course for the freshmen of computer major in Colleges and universities， and also the front position of cultivating the ability of computational thinking. This course is very complex and has limited class hours under the current situation. How to utilize effectively this course to train students' Computational Thinking Ability and prepare for the follow-up professional courses is the top priority of this course. This paper expounds the research on the reform and practice of the 《Foundations of Computer Science》combining the online and offline blended teaching pattern and the effective thinking training tool Raptor， the purpose is to develop students' ability to analyze and solve problems.

【Key words】：computational thinking;blended teaching;Raptor;mind mapping

0引言

“計算思維”被譽(yù)為21世紀(jì)的核心能力，是人人都應(yīng)該掌握的生存能力。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授認(rèn)為[1]：計算思維是運(yùn)用計算機(jī)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。作為計算機(jī)類專業(yè)的同學(xué)，更是應(yīng)該先人一步，通過一定的訓(xùn)練，完成由高中的數(shù)理思維向大學(xué)計算思維的轉(zhuǎn)變。簡單來說，計算思維可以理解為：將由“人”解決問題轉(zhuǎn)變?yōu)橛伞皺C(jī)器”解決問題，那么利用機(jī)器解決問題的思維方式就是計算思維，是對問題進(jìn)行分析、重構(gòu)、建模，是數(shù)理思維能力的升華。

計算思維是解決問題的思維方式，將一個問題分解細(xì)化，抽象成一定的結(jié)構(gòu)并構(gòu)造算法，從而求解問題。在這個過程中，計算思維和算法對于大一新生來說都是新內(nèi)容，需要循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐[2]。

1 計算機(jī)導(dǎo)論課程的任務(wù)

計算機(jī)導(dǎo)論課程面向計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)工程等相關(guān)專業(yè)開設(shè)，在信息化的今天成長起來的大多數(shù)孩子，對于計算機(jī)的基本操作相對比較熟悉，但是也有來自邊遠(yuǎn)地區(qū)的同學(xué)對計算機(jī)缺乏認(rèn)識，為了掃除專業(yè)學(xué)習(xí)的障礙，計算機(jī)導(dǎo)論課程的開設(shè)非常必要。作為應(yīng)用型高校，結(jié)合本校的學(xué)生特點(diǎn)，制定了導(dǎo)論課程的基本任務(wù)。簡單來說，導(dǎo)論課程的基本任務(wù)是“掃盲”，就是使同學(xué)們對計算機(jī)這個學(xué)科有個淺顯而廣泛的認(rèn)識，并且能培養(yǎng)興趣，為今后的專業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。其次，要培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，理解計算機(jī)解決問題的基本策略和方法，為今后的程序類課程打基礎(chǔ)。再次，導(dǎo)論課程中需要培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，能利用計算機(jī)解決生活和學(xué)習(xí)中的相關(guān)問題。

2 導(dǎo)論課程的改革

作為民辦高校，結(jié)合大一新生的自身情況，我們制定了“3+1”的教學(xué)模式，并利用線上線下混合式教學(xué)，有效的延伸了課堂教學(xué)時長，通過自主學(xué)習(xí)自主考測，提高學(xué)生的認(rèn)知水平，現(xiàn)分為以下幾個層面一一介紹。

2.1 “3+1”的教學(xué)模式

“3+1”的教學(xué)模式簡單來說就是將《計算機(jī)導(dǎo)論》教學(xué)內(nèi)容分為3大部分，分別是：數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、硬件基礎(chǔ)和軟件基礎(chǔ)?！?1”是指在三大基礎(chǔ)之上增加應(yīng)用能力的培養(yǎng)和引導(dǎo)。

數(shù)據(jù)基礎(chǔ)旨在培養(yǎng)學(xué)生的多進(jìn)制思維，學(xué)習(xí)計算機(jī)中的數(shù)據(jù)存儲方法和數(shù)據(jù)運(yùn)算規(guī)則，并能結(jié)合一定的生活實(shí)際理解原理。數(shù)據(jù)存儲通過引入漢字的存儲方式、聲音視頻等多媒體的存儲方式進(jìn)行講解。數(shù)據(jù)運(yùn)算包括邏輯運(yùn)算、移位運(yùn)算和算數(shù)運(yùn)算，其中對計算機(jī)中的多種編碼進(jìn)行詳細(xì)介紹。

硬件基礎(chǔ)從“馮·諾依曼”結(jié)構(gòu)開始說起，結(jié)合案例使同學(xué)們理解計算機(jī)各部件協(xié)調(diào)配合的工作方式，以及每個部件起到的主要作用。通過實(shí)例介紹ALU和CU的工作原理，學(xué)習(xí)指令執(zhí)行的基本過程，并能結(jié)合案例復(fù)盤該過程。硬件基礎(chǔ)也包含網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識，從Internet引入，過渡到IP、域名、HTTP、WWW等常見概念，進(jìn)一步擴(kuò)展到7層OSI模型的認(rèn)知。

軟件基礎(chǔ)包括操作系統(tǒng)、算法和程序設(shè)計基礎(chǔ)認(rèn)知三部分。其中操作系統(tǒng)是每天在用的軟件，也是最接近硬件的軟件，教學(xué)要求上有概括認(rèn)識即可。算法基礎(chǔ)介紹順序、選擇和循環(huán)三種結(jié)構(gòu)，并學(xué)習(xí)利用Raptor軟件繪制相應(yīng)流程圖，并能寫出偽代碼。程序設(shè)計基礎(chǔ)主要介紹程序設(shè)計語言的演化過程，語言的翻譯方法，相關(guān)概念和標(biāo)識符，并以C語言和Java語言舉例說明。

“+1”則主要包括常見應(yīng)用軟件的使用，如文檔處理，演示文稿制作，圖片處理和數(shù)據(jù)報表的制作。這部分利用實(shí)驗(yàn)課以任務(wù)驅(qū)動的方式學(xué)習(xí)。

2.2 主要教學(xué)手段

該課程作為計算機(jī)專業(yè)導(dǎo)引課程，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和計算思維，強(qiáng)化相關(guān)的基本計算和操作能力，為后續(xù)的專業(yè)課奠定基礎(chǔ)。但因大一年級開學(xué)較晚，學(xué)時不足，課程任務(wù)相對較重，為此我們采用線上線下的混合式教學(xué)，補(bǔ)足課時短板，建立有效的師生聯(lián)絡(luò)途徑。以超星學(xué)習(xí)通為教學(xué)工具，以思維導(dǎo)圖知識點(diǎn)梳理和習(xí)題自測為主，答疑解惑為輔。如圖1所示為課程首頁，圖2展示的是章節(jié)框架，圖3所示為“本章內(nèi)容”，主要為同學(xué)們展示章節(jié)知識點(diǎn)和重難點(diǎn)，引導(dǎo)同學(xué)們有的放矢地學(xué)習(xí)。

課堂上通過超星學(xué)習(xí)通投屏操作進(jìn)行智慧教學(xué)，教學(xué)中利用選人，彈幕，投票等形式活躍課堂氣氛，并能針對教學(xué)效果及時收到反饋。課下通過學(xué)習(xí)通的通知、討論、群聊和私信與同學(xué)們建立聯(lián)絡(luò)，讓同學(xué)們遇到任何學(xué)習(xí)問題都能隨時隨地聯(lián)絡(luò)到同學(xué)和老師，形成學(xué)習(xí)氛圍，并且根據(jù)每章知識點(diǎn)設(shè)計針對性的考測，及時反饋，及時調(diào)整教學(xué)步調(diào)[3]。

在算法和程序設(shè)計環(huán)節(jié)引入Raptor工具，Raptor（the Rapid Algorithmic Prototyping Tool for Ordered Reasoning）是用于有序推理的快速算法原型工具，是一種可視化的程序設(shè)計環(huán)境，為程序和算法設(shè)計的基礎(chǔ)課程教學(xué)提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過該工具，實(shí)現(xiàn)將教材的UML圖可視化可運(yùn)行，在同學(xué)們繪制流程圖的過程當(dāng)中，能切身的體會到程序的執(zhí)行過程[4]。圖4為教材第8章中描述選擇排序算法的流程圖，教材通過示例對一組數(shù)23、78、45、8、32、56進(jìn)行排序，通過講授，同學(xué)們能夠基本理解排序的思路，但是對排序的過程無法從感官上進(jìn)行更加深入的理解，于是我們通過引入Raptor模擬該示例的排序過程，形成直觀感受，對同學(xué)們理解該算法有極大幫助，具體算法可見圖5和圖6。

對于學(xué)有余力的同學(xué)可以適當(dāng)布置算法任務(wù)請他們完成，對于訓(xùn)練計算思維和解決問題的能力有較大的幫助，也為今后學(xué)習(xí)程序設(shè)計打下基礎(chǔ)。

2.3 考核說明

在《計算機(jī)導(dǎo)論》課的考核方式上進(jìn)行了以下嘗試：

（1）階段考核代替“末考定輸贏”。

（2）計算能力優(yōu)先，理論實(shí)踐結(jié)合。

（3）線上線下數(shù)據(jù)相結(jié)合。

整體來說，就是側(cè)重計算思維能力、兼顧學(xué)科認(rèn)知水平、提升應(yīng)用素養(yǎng)三個要素。

階段考核的形式既能及時為教學(xué)情況提供反饋，也能避免學(xué)生期末臨陣磨槍。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容“3+1”，我們設(shè)計了3次考試和1次課程設(shè)計，利用過程化考核，立體化全方位的督促學(xué)生學(xué)習(xí)。同時，為了平衡同學(xué)們的學(xué)習(xí)壓力采用了開卷閉卷相結(jié)合的模式。

計算能力是重中之重，這部分內(nèi)容采用閉卷考試。計算機(jī)硬件知識內(nèi)容龐雜，不是一朝一夕就能理解的，盡量避免死記硬背，故利用學(xué)習(xí)通App設(shè)計線上開卷試卷。算法部分采用上機(jī)實(shí)操的模式，主要考核流程圖和偽代碼的應(yīng)用能力，給定實(shí)際問題寫出解題偽代碼，再利用Raptor繪制流程圖并運(yùn)行?！?1”部分則主要考核學(xué)生的自學(xué)能力，選擇合適的軟件制作個人簡歷。課程總評成績則由3次考試、1次課程設(shè)計和線上的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)三部分構(gòu)成。

3 教學(xué)改革的效果

2018年教育部印發(fā)《教育部關(guān)于狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實(shí)的通知》，對振興本科教育做出明確規(guī)定，適當(dāng)為大學(xué)生“增負(fù)”是時代需要。剛剛經(jīng)歷高考的大一新同學(xué)，精力旺盛，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，但是有不少同學(xué)在學(xué)習(xí)上有所懈怠，隨著高考結(jié)束一并失去了學(xué)習(xí)目標(biāo)?！队嬎銠C(jī)導(dǎo)論》課程積極改革，對學(xué)生的學(xué)習(xí)要求絕不放松，多措施并舉，共同推進(jìn)導(dǎo)論課程的教學(xué)效果，力求學(xué)生們能學(xué)有所獲，為日后的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下堅實(shí)基礎(chǔ)，更好地將同學(xué)們交到專業(yè)課老師的手中。

4 總結(jié)

讓同學(xué)們在最好的年紀(jì)學(xué)習(xí)文化知識，武裝頭腦，四年后能夠從容的進(jìn)入社會是國家的愿望，家長的期盼，也是每一位老師的殷切希望。計算機(jī)學(xué)習(xí)理論和實(shí)踐缺一不可，學(xué)習(xí)任重道遠(yuǎn)，希望通過導(dǎo)論課程的引領(lǐng)，帶同學(xué)們進(jìn)入專業(yè)學(xué)習(xí)的大門。

參考文獻(xiàn)

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