《計算文化與計算思維基礎》課程建設的研究與實踐

申艷光，劉群，倪健

（河北工程大學 信息與電氣工程學院，河北 邯鄲 056038）

《計算文化與計算思維基礎》課程建設的研究與實踐

申艷光，劉群，倪健

（河北工程大學 信息與電氣工程學院，河北 邯鄲 056038）

對大學計算機基礎課程教育的現狀進行了分析，在新的CDIO教學模式下提出了相應的改革方案，以使培養的人才更好適應未來社會信息技術發展的需要。課程建設是教學改革的中心環節,大學計算機基礎課程的教學改革的中心是以構建個人可持續發展的計算機應用能力為理論基礎的計算思維能力的培養。以本土化、特色化為宗旨，以計算思維為切入點，以信息素養的培養為導向，對第一門計算機課程《計算文化與計算思維基礎》進行了建設性的改進和完善。

計算思維；課程建設；CDIO;大學計算機基礎

一、引言

2008年11月，河北工程大學被教育部確定為我國第一批18所CDIO（Conceiving — Design —Implement — Operate，構思—設計—實施—操作/運營）試點高校之一，積極進行CDIO教育模式本土化、特色化的探索。計算機公共基礎課成為CDIO試點課程，在全校范圍內嘗試采用CDIO模式進行教學。

CDIO教學大綱的第二部分為個人能力、職業能力和態度，包括：工程推理和解決問題的能力(大綱2.1)——工程思維、實驗和發現知識的能力(大綱2.2)——科學思維和系統思維(大綱2.3)[1]。其中科學思維包括實證思維、邏輯思維和以抽象化和自動化為特征的計算思維。因此，計算思維的培養將大大利于提高工程師的科學思維能力，符合CDIO理念的要求。

教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會在計算思維教學改革宣言中指出：以計算思維為導向的計算機教學改革，將在很大程度上提升中國大學生的思維水平和認識境界，并以此提高整個社會對于現代技術的認知和理解[2]。近幾年，在我國非計算機專業計算機課程教育領域開展了頗具聲勢的研究與實踐，國內一些知名學者的研究成果，為我們的課程建設提供了寶貴的指導。以計算思維為切入點進行大學計算機基礎教育和課程改革，拉開了新一輪大學計算機教育教學改革的序幕。

信息素養的培養要求學生能夠對于獲取的各種信息通過自己的思維進行深層次的加工和處理，從而產生新的信息。大學計算機基礎課程的教學改革的中心是以構建個人可持續發展的計算機應用能力為理論基礎的計算機思維能力的培養。因此，在非計算機專業第一門計算機課程中引入計算思維能力的培養，是提高大學生信息素養和工程能力的有效途徑。

二、《計算文化與計算思維基礎》課程建設

河北工程大學是河北省重點骨干大學，有工學、理學、管理學、農學、醫學、文學、經濟學、法學、藝術學等9大學科門類，每年招生的7000多名學生中，60%以上為本科二批。我們以本土化、特色化為宗旨，結合本校人才培養目標、生源特征和課程自身特點，將原來的《計算機文化基礎》課程更新為《計算文化與計算思維基礎》課程，主要從以下幾個方面進行了課程建設。

（一）科學規劃課程教學內容體系，針對計算思維的培養進行教學內容的設計和教材建設

如何潛移默化地將計算思維的思想融入到教學的各個環節中是擬解決的關鍵問題之一。建設《計算文化與計算思維基礎》課程的目標是培養學生的計算思維與信息素養能力，所以課程既要強調基礎性和系統性，又要力圖以通俗易懂的語言和豐富的應用案例系統地深入淺出地介紹由計算思維及其牽引的相關知識和基本信息素養。

我們認為思維能力的培養應該更多地體現在教學實施過程、教學方法，把科學思維的要素、方法融入案例、項目中。通過設計具體案例，分析計算思維在案例中的應用，建立思維方式；通過項目或任務實踐，體驗計算思維的應用，建立思維方式。

我們以教育部高等教育司和教育部大學計算機基礎課程教學指導委員會《關于新一輪大學計算機課程改革的意見》和《高等學校計算機基礎教學發展戰略研究報告暨計算機基礎課程教學基本要求》（白皮書）提出的課程基本知識體系和實驗體系為依據，有針對性地進行了教學任務設計，特別是對于涉及計算思維運用的教學內容的設計，使課程體系和教學內容更加合理和科學。主要有以下特點：

1.教材采用以案例和項目實例為導向的教學模式，力爭知識隨著思維的講解而介紹，能力隨著思維的理解而提高。

2.通過較小的問題求解案例來展現復雜的思維；重視問題的討論，力求強化如何將現實問題抽象為一個數學建模問題或者一個形式化問題；比如，通過一個現實的擺渡問題的例子，來闡述現實問題通過人類的思維活動將其形式化、程序化和機械化后，就可以交給計算機輕松地完成。通過逐步地提出問題，引導學生從一個較淺的理解層次逐步過渡到較深的理解層次，通過不同視角和遞階的討論，引導學生如何確定思考的方向，進而建立起科學的研究習慣。

圖1 教學方法與手段

考慮到本校的學生實際情況，主教材減少和簡化了辦公自動化軟件的操作內容的講述，適當增加了計算機素質教育和計算思維能力培養的內容，主教材內容包括計算機與計算思維、計算理論與計算模型、操作系統基礎、計算機硬件基礎、問題求解、數據的組織與管理、計算機網絡與網絡思維以及知識產權與信息倫理、辦公自動化軟件等內容。

（二）實施面向計算思維和問題求解能力培養的教學方法，注重可持續發展的計算機應用能力培養

面向計算思維和問題求解能力培養的教學方法和手段如圖1所示。

1.問題啟發式教學法

在傳授計算機科學技術知識的同時，將概念和知識升華為思維要素，通過問題、實驗實訓等方式啟發學生進行思考和聯想，逐步建立思維方式。

2.案例教學法

通過設計具體案例，分析計算思維在案例中的應用，潛移默化地將計算思維的思想融入其中。通過教與學的互動過程，通過學生的自我學習和領悟，使其最終能沉淀于學生的腦海里，內化為一種思維能力。

3.項目驅動式教學法

以培養面向社會需求的計算機應用人才為目標，設計以培養計算思維為核心的面向學科交叉及應用、面向專業、面向社會應用的計算機綜合實訓項目，力求計算機基礎教學與學科專業應用相結合，并與工程實際應用相結合，解決大學教育和社會需求脫節的問題。以學生為本,使學生在項目學習中自主進行知識建構,積極探索知識應用，達到更好地培養學生自主學習、創新能力、技能提升、團隊合作精神的目標。

實驗實訓以基本技能訓練、系統設計能力訓練、工程應用能力訓練為載體，以必修、自主選修等多種形式，根據學生的不同層次制定不同的難度的實訓項目。在制定實訓項目時，與學生的專業相結合，滿足學生專業的實際需要，構建旨在加強大學生能力培養的實踐教學課程體系。

項目實踐活動采用成立學生興趣俱樂部的方式，結合大學生各類計算機設計大賽，采取師生雙向選擇的方法，給本課程有濃厚興趣的學生提供機會，以此提高學生的創新能力，并積極吸引優秀大學生參加到教師的科研團隊中。在教育部中國大學生（文科）計算機設計大賽、Google第二屆和第三屆Android應用開發中國大學生挑戰賽等比賽中學生均獲得了優異的成績。

（三）建立了面向計算思維能力培養的考核形式

很多學生缺乏用知識去解決問題的意識，尤其是缺乏如何充分利用計算機的良好特性解決實際生活和工作中的問題的意識和能力,因此，我們采用傳統和非傳統方式相結合的方式進行考核，比如對基礎知識，采用試卷或口頭測驗進行考核；針對計算思維能力的評價，增加了項目報告、學習記錄、展示作品、設計評估等考核形式，采用自評、學生評、互評、學校評、總評等方式進行，力求客觀、公正和公平。從而激發學生積極思考、積極創新考慮，對學生在考試中所體現出的獨立思考和創意給予高度重視， 為學生發揮主觀能動性和內在潛力提供自由空間。同時學習評價的結果反饋也能進一步為調整課程設置和教學方法改革提供幫助。

對于問題求解能力的考核，針對不同專業學生，有針對性地建立了能力測試試題庫。題目分為兩類：一類是考查學生是否能夠較好地使用計算思維方式去處理專業領域問題的題目，比如對于交通工程專業學生，給出交通規劃中的具體實際問題，讓學生根據給定的材料制定出利用計算機進行問題求解的簡單方案；二類是考查和評價學生的終身學習能力的題目，比如，隨機抽出一個學生生疏的工具軟件，通過測試學生使用新軟件完成簡單任務的時間，測試學生學習新軟件的能力等等。讓學生能夠更多地對工程實踐中的問題進行思考,如何充分利用計算機的良好特性解決問題,使計算思維成為他們日常生活工作的一個組成部分。

三、結語

課程組將課程中的核心內容開設了精品視頻公開課《心連“芯”的思維之旅》，并順利通過教育部與高等教育出版社的嚴格審核，2013年在中國大學視頻公開課官方網站“愛課程”網正式上線，同時在“網易”同步向社會公眾免費公開展示。《心連“芯”的思維之旅》課程分為計算思維、問題求解、算法類問題中的思維五講，取得了一定的社會效益。

[1][美]克勞雷，等.著，顧佩華等譯.重新認識工程教育——國際CDIO培養模式與方法[M].北京:高等教育出版社，2 009:237-239.

[2]教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會.計算思維教學改革宣言[J].中國大學教學，2013(7):8-10,17.

[責任編輯 王云江]

Exploration and practice of course construction of computational culture and computational thinking foundation

SHEN Yan-guang, LIU Qun, NI Jian
(School of Information & Electrical Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China)

This paper analyzes the current situation of basic computer courses taught in college education, and the corresponding reform program carried out in the new teaching mode of CDIO is to make the students adapt better to the needs of the technological information development in the future. Course construction is the key for teaching reform. The key for teaching reform of the basic computer course is to nurture their computational thinking ability, whose theoretical basis is to build the computer application ability for the individual’s sustainable development. The first undergraduate computer science course----Computational Culture and Computational Thinking Foundation is elaborated carefully, which is aimed for localization and characterization, based on computational thinking as a focal point and oriented with nurturing students' information consciousness.

computational thinking; course construction; CDIO; basic college computer course

10.3969/j.issn.1673-9477.2014.03.028

G642

A

1673-9477(2014)03-098-03

[投稿日期]2014-05-16

教育部本科教學工程地方高校第一批本科專業綜合改革試點項目（編號：ZG0051）；河北省高等教育教學改革項目(編號：103029)

申艷光（1970-），女，河北邯鄲人，教授，研究方向：數據挖掘、高教研究。