計算思維導向下的農科院校計算機基礎教學模式探索

曹 然 趙 潔 蘇中濱

(東北農業大學，黑龍江哈爾濱 150030)

2010年Jan Cuny和周以真教授較為明確地給出了計算思維的定義，計算思維是與制定問題及其解決方案相關的一個思維過程，其解決問題的表示形式應該有效地被信息處理代理執行。

近幾年，我國各大高校從事計算機基礎教學的教師一直致力于研究在計算機基礎教學過程中培養和訓練學生的計算思維能力，使學生學會用計算思維去思考問題和解決問題。2011年在杭州召開的“第七屆大學計算機課程報告論壇”中，大連理工大學、西安交通大學、上海同濟大學、北京交通大學等高校的專家各自論述了對計算思維這一概念的理解以及如何將計算思維應用于本科計算機基礎教學內容。各大高校的做法不盡相同，各具特點，但多數處于摸索和嘗試階段。

那么，如何在計算機基礎課程中體現計算思維能力培養，如何培養學生計算思維的意識與能力，如何使非計算機專業的學生掌握計算思維解決問題的一般步驟和方法呢?這是一個非常值得深入研究和探討的問題。

一、教學方法改革

計算機基礎課程能夠采用的教學方法靈活多樣。在教學過程中，教學方法因教學導向的不同而具有多種可能性，是一個非常靈活的因素，不是每種方法都適用于以計算思維為導向的計算機基礎課程教學模式。

1.改變知識講述的方法

在大學計算機基礎課程中提倡采用提煉、歸納、分析，以問題驅動、探究式教學來增加計算思維和基本功訓練。教學方法由“提出概念—解釋概念—舉例說明”的傳統方法轉變為“提出問題—解決問題—歸納分析”。在每次傳授新知識時可采用“教師提問題，學生思考、回答”的啟發式思維方法講述課程內容，積極引導學生動腦思考。例如，在計算機概述一章講對計算機發展有突出貢獻的幾位歷史人物時，可先提出一個同學比較感興趣的問題:開發時下最熱銷手機iphone系列的蘋果公司，它們一直沿用蘋果標志，蘋果標志的蘋果為什么會缺一口?有的學生可能會說蘋果上的缺口代表事物沒有完美的，有的同學又說是為了紀念圖靈等。由這個小問題不僅帶出了偉大的人工智能領域的先驅者圖靈、蘋果公司CEO史蒂夫·喬布斯，而且在不斷提出問題、分析問題、解決問題的過程中，引發學生主動思考，帶動了學生學習計算機基礎課程的積極性，有效地培養了學生的思維能力。

2.項目分類教學法

在程序設計課程中建議使用項目分類教學法。從事計算機基礎研究與應用的教師團隊應建立若干項目，請教不同專業的教師，吸收由不同專業背景，根據不同專業的特點對確立的項目進行分類，在教學過程中對不同專業的學生引入不同類別的項目。教師充當指導者，將一個相對獨立的、與學生專業密切相關的項目交由學生自己處理。信息的搜集，方案的設計，項目的實施及最終評價，都由學生自己負責。學生在動手實踐體驗、思考內化吸收、綜合探索創新中，獲得較為完整而具體的知識。在學生項目實施的過程中，不僅可以培養學生的自學能力、思維能力，也可以培養學生之間的協作能力、溝通能力等。項目是以學生專業背景建立的，因此學生在做項目的過程中有一種學以致用的感覺，這樣，學生學習的主動性和能動性被就能充分地調動起來。考核方式也要相應改變，可采取平時學習態度和表現占20%，平時作業占20%，項目測評占20%，期末考試占40%的比例進行。該考核方式注重過程考核，是以提高思維能力和應用能力為主的綜合考核評價體系。

3.漸變式教學法

從2006年計算思維這一概念的提出至今為止只有短短的五年時間，雖然全國已有部分高校初步開展以計算思維為導向的計算機基礎課程，但都還處于探索和嘗試階段，沒有形成一個統一模式。另外，各高校學生素質和培養目標各異，在以計算思維為導向的計算機基礎課程教學模式中，應實行先小班試點，再根據學生的實際情況逐步推廣漸變式教學方法。

二、教學內容改革

傳統計算機基礎教學內容主要注重計算機基本技能的應用，而以計算思維為導向的計算機基礎教學模式則著重培養學生利用計算思維解決問題的能力。因此，將計算機思維引入計算機基礎課程勢必要改變原有的課程內容，下面以多數高校開設的計算機基礎課程，即大學計算機基礎和程序設計兩門課程來進行具體論述。

1.大學計算機基礎

大學計算機基礎課程中應將原來的計算機概述部分變為四方面內容:圖靈機的計算思維、馮·諾依曼計算機模型、存儲程序計算機和驗證碼的計算思維。計算機基本組成原理的計算思維主要包括:進制轉換的計算思維和計算機的組成。操作系統基礎中計算思維能力教學主要包括以下內容，從裸機到虛擬機:一個用計算思維思想解決自身問題的典型例子;操作系統分類，如分時操作系統所體現的計算思維是CPU時間片輪轉思想，一種最簡單、最公平的思想，解決了計算機自身的問題;操作系統的功能，如處理機管理所體現的計算思維是CPU宏觀上并行，微觀上串行。計算機網絡中主要在網絡拓撲結構、網絡體系結構、計算機網絡硬件設備(網卡、調制解調器、路由器、交換機等)和網絡的二級尋址、三級尋址幾個方面體現出計算思維的思想，如網絡二級尋址體現的計算思維思想是通過網絡號宏觀上尋找計算機所在網絡，通過主機號進一步微觀尋找聯網計算機所在位置。

2.程序設計

算法設計中的每一種策略作為問題求解方法，可應用于多個領域，具有明顯的計算思維特征。因此，在程序設計課程中應重點講授算法設計(分治法、枚舉法、遞歸法、排序法、回溯法、貪心算法等)，如分治法的基本思想是把一個問題分解為若干與原問題同結構的但規模較小的子問題，然后以遞歸的方式求解這些子問題并通過合并子問題的解得到原問題的解。分治法提供了如下通用的思維方法:在實踐中，我們通常會掌握一些簡單或者規模較小問題的求解方法，或者這些小規模問題的解是直觀的、易知的。這時可以采用分治法重用這些已有的知識，求解復雜的大規模的問題。從計算思維的角度，貪心算法為我們提供了如下方法指導:以當前和局部利益最大化為導向的問題求解策略簡單易行，具有廣泛的適用性。

3.基于學科差異分類教學內容

農科院校學科涵蓋了農、工、理、經、管、文、法等眾多專業，而每門學科對學生應掌握的計算機知識的要求是不完全一樣的。因此，基于對農科院校的學科設置和以計算思維為導向的計算機基礎課程具體教學內容的考慮，將計算機基礎課程的內容分為四類:理工類學習算法和程序設計;文科類學習數據庫設計與應用;商科類學習多媒體設計與應用;農科類學習數字農業。雖然不同學科學生學習的計算機基礎課程內容不同，但殊途同歸，培養的目標一致，即致力于將學生培養為具有計算思維能力、創新能力、綜合應用能力和計算機基本技能的人才。

三、結束語

思維學習的目的是為了創造，思維發展水平是學生成才的關鍵，思維教學對學生現在及將來具有重要影響。教師在教學時，要為學生提供思維的空間和情境。本文主要探索了以計算思維為導向的大學計算機基礎課程的教學方法和教學內容的變革，在計算機基礎課程的講授中，通過采用問題驅動和項目分類的思維訓練方法，學生分析問題和解決問題的能力必然會明顯提高。當然，作為一種教學改革和教學嘗試，該教學模式還需要進一步完善，隨著對“計算思維”理論與實踐認識的深化，將會更好地指導教學實踐，真正培養學生的計算思維和計算素養，提高他們的計算能力。

［1］ 蘇中濱，趙潔，楊宇姝.農科院校大學計算機基礎教育改革與實踐［J］.東北農業大學學報(社會科學版)，2007，5(4):53-54.

［2］ 趙潔，蘇中濱，宋一弘.農科性大學計算機基礎教育課程體系的改革與實踐［J］.東北農業大學學報(社會科學版)，2006，4(4):64-65.

［3］ 沈維政，孫紅敏，張喜海.任務驅動教學模式在計算機專業課教學中的探索與實踐［J］.東北農業大學學報(社會科學版)，2007，5(1):89-90.

［4］ 趙嶺忠，錢俊彥，蔡國永.算法設計策略與計算思維［J］.企業科技與發展，2010，(8):43-45.

［5］ 栗寧.高校計算機基礎教學改革探析［J］.科技信息，2010，9(1):223.