面向計算思維培養的“大學計算機基礎”課程建設研究

廖龍龍，路 紅，葉 強，3，喻欣楠

(1.南京體育學院 信息科學與技術教研室，江蘇 南京 210014；2.中國科學技術大學 信息科學與技術學院，安徽 合肥 230027； 3.南京理工大學 紫金學院，江蘇 南京 210046)

“大學計算機基礎”是非計算機專業學生學習計算機技術和計算思維的入門課程，注重大學生適應未來學習、工作和生活的計算思維的培養[1].目前，大部分教師和學生將“大學計算機基礎”課程定位于計算機系統的管理和維護、各類應用軟件工具的使用、通過計算機一級或二級等級考試等教學目標.然而，新的計算機技術與硬件系統、應用軟件工具層出不窮，不僅教師無法在有限的授課學時內講授各種計算機技術和應用軟件的使用，而且學生已掌握的計算機操作技能也很快因計算機技術的發展和軟件系統的更新升級而無法適應新的計算機系統環境，導致非計算機專業學生質疑“大學計算機基礎”課程存在的必要性及其核心價值[2-3].因此，如何在有限的課程教學時間內培養非計算機專業學生的計算思維和利用計算機技術進行學科專業知識實踐與創新的意識，成為當前高校非計算機專業計算機基礎課程教學的重要問題.

1 課程教學目標分析

1.1 課程教學總目標

計算思維是運用計算機科學的思想和方法求解問題、設計系統和理解人類的行為，涉及形式化描述、抽象思維和邏輯思維等一系列計算機科學思維活動，其任務是闡述如何采用抽象和分解的方法將一個復雜的問題重新闡釋為一個可以解決的問題，并設計解決相關問題的復雜系統，包含計算思維意識、計算思維方法和計算思維能力三個方面[4-6].“大學計算機基礎”課程教學的總目標是培養非計算機專業學生的計算思維，提高其利用計算思維和計算機技術解決學習和研究相關專業問題的能力，尋求計算機科學與其他專業領域的有效結合[7].

1.2 課程教學子目標

目標規劃法(Goal Programming Approaches)可用于分析預期目標相關子目標的層次以及各子目標之間的相互關系，而且可依據這些子目標的層次關系結構實現子目標的優先排序[8].為實現非計算機專業學生計算思維能力和計算機技術應用能力的培養，依據目標規劃法將“大學計算機基礎”課程的教學總目標分為以下幾個相互關聯的子目標[9]：

①準確理解課程的定位與核心價值，明確課程學習目標;②掌握計算機信息的表示方法及其處理流程;③了解計算機系統的組成、工作原理、安全使用技巧與管理維護方法;④能夠熟練應用MS Office進行各類文檔、電子表格、演示文稿的編輯與處理;⑤掌握數字媒體內容編輯與制作方法;⑥掌握數字通信的基本原理及常見網絡服務的應用;⑦了解數據管理與安全存儲技術及其服務系統;⑧熟悉計算機應用程序設計的一般流程與經典算法;⑨掌握利用計算機技術高效解決實際問題的思維方法和能力.

2 面向計算思維培養的課程教學內容設計

智能手機、平板電腦、移動通信技術的快速發展和普及，促使移動終端設備和計算機的差別越來越小，為適應當前計算機相關硬件和軟件技術發展的趨勢，本研究也將各類移動終端設備和移動通信技術納入課程教學內容的范疇.依據“大學計算機基礎”的課程教學目標，以計算思維和計算機技術應用能力培養為指導，將課程教學內容分為以下八章[10-11]：

2.1 課程概述

首先，讓學生意識到本課程對于自己專業學習和職業發展的重要性，激發學生學習本課程的興趣，引導學生改變以往將本課程定位于計算機系統管理與維護、各類軟件工具的使用、計算機程序開發等技能型學習目標的狀況，使學生明確認識到本課程的核心價值——培養計算機思維和運用計算機技術解決學習和實踐中的相關實際問題的能力.其次，計算機等級考試是許多非計算機專業學生所關心的重要問題，作為計算機基礎教學的入門課程，有必要對面向非計算機專業的計算機等級考試進行簡單介紹，如全國計算機等級考試開設的科目、考試內容、報考方法與報考時間等，同時告知學生通過本課程的學習將可達到一級 MS Office和二級MS Office高級等計算機水平考試的要求.

2.2 計算機技術與典型應用

本部分的教學內容包括計算機信息表示、計算機發展歷史與趨勢、計算機技術的典型應用三個方面.其中，計算機信息表示部分主要闡述計算機中的信息表示方法、數值轉換、字符編碼標準等，讓學生認識到自己平時所見的信息和計算機表示信息的區別；計算機發展歷史與趨勢部分在講解計算機發展歷史的基礎上，重點介紹近年來高性能計算機系統、新型計算機和高新計算機技術的發展，激發學生對計算機領域相關知識的求知欲；計算機技術的應用則緊密結合授課學生的實際情況，選取一些典型的計算機應用案例進行分析，讓學生直觀地認識到計算機科學與實際學習生活的密切關系，體會到本課程學習的必要性和重要性.

2.3 計算機系統的組成與工作原理

首先，介紹構成計算機系統的硬件和軟件，使學生對計算機系統有一個整體的認識.其次，分別講解構成計算機的硬件設備，使學生掌握計算機常用的輸入輸出設備和計算機核心部件的主要功能及基本工作原理.然后，講解計算機操作系統的工作原理、常用的計算機操作系統和移動操作系統，并以實驗項目的方式幫助學生掌握操作系統的安裝與配置方法、常用操作技巧等.最后，以病毒查殺軟件、MS Office等常用應用軟件的安裝為例，講述應用軟件的下載、安裝、配置及其應注意的問題.通過本章的學習，學生不僅要能夠根據自己的實際需求選配性價比較高的計算機系統或移動終端設備，而且要掌握計算機系統的使用、安全管理與維護策略，從而具備利用計算思維和計算機技術解決專業復雜問題的基礎.

2.4 MS Office應用

結合日常學習科研和辦公文檔處理需求、全國計算機一級 MS Office和二級MS Office高級考試的要求，重點講解MS Office系列辦公軟件的功能、操作方法、常用快捷鍵等，并結合實例讓學生熟練掌握這些常用辦公軟件的使用，為文檔編輯與處理、演示文稿設計與制作、簡單數據處理與分析等奠定基礎.

2.5 數字媒體內容編輯與制作

在介紹數字媒體、多媒體、計算機圖形、數字圖像、數字視頻、計算機動畫等基本概念的基礎上，從數字圖像處理、數字音頻錄制與編輯、數字視頻編輯與制作三個方面進行教學內容的組織.首先，通過講解數字圖像的計算機表示方法、常見圖像文件格式、Photoshop等圖像編輯工具的使用，讓學生掌握計算機呈現數字圖像的基本原理、使用常用圖像編輯工具進行數字圖像處理的方法.其次，以Glodwave為例講解數字音頻的錄制和編輯，使學生能夠根據實際需要制作相應的音頻素材.最后，講解如何使用Premiere、繪聲繪影、iebook等工具圍繞某個主題設計和制作視頻短片、電子相冊、動態電子書等.此外，讓學生了解二維動畫片、3D動畫、3D數字電影、虛擬游戲等數字內容產品的制作方法和開發工具，鼓勵有興趣的學生進行更深入的探究和實踐.

2.6 數字通信與網絡應用服務

電子郵件、FTP、社交媒體工具、電子商務平臺、在線支付系統等網絡應用服務已成為目前大學生日常使用的重要工具，學習如何利用這些網絡服務提高專業學習效果、方便日常生活與交流等是計算思維培養的重要途徑之一.在講解通信系統構成與工作原理的基礎上，重點分析計算機網絡的拓撲結構、分類、工作原理、通信設備、傳輸介質、網絡通信協議、無線通信技術和移動通信技術的標準和工作原理等，使學生了解常用計算機網絡的設計與構建方法，能夠利用無線路由器構建無線個域網和局域網，熟悉相關網絡設備的設置和安全配置策略.

2.7 數據管理與安全存儲

如何對海量數據進行安全可靠的存儲與管理成為當前各個專業領域亟待解決的重要問題：一方面，以數據庫系統的構成、基本原理、主要功能、應用方法為核心，講述數據庫管理系統的管理維護、數據庫設計與創建、SQL語法等，使學生深入了解如何采用數據庫管理系統進行數據的存儲和管理，并能夠根據實際需要設計和開發相應的數據管理系統.另一方面，隨著云計算技術和虛擬化存儲技術的不斷成熟，許多網絡服務商推出了新浪微盤、百度云網盤、騰訊微云、為知筆記等云存儲服務，因此應增加如何使用這些云存儲服務進行數據的網絡共享與安全管理等知識的講授，強化學生的數據交流與安全保護意識.對于一些重點院校的本科生，為培養學生利用計算機技術進行科學研究的能力，可介紹一些常用的文獻檢索與管理工具的使用技巧、學術論文撰寫與投稿技巧等.這樣，不僅可使學生掌握數據存儲與管理技術、數據網絡存儲與共享工具的使用，而且可使學生熟悉利用計算機進行學術文獻檢索、管理和分析的基本方法與常用工具.

2.8 算法與程序設計

一方面，學生在學習和科研過程中所遇到的實際問題往往并不是采用本課程中所介紹的常用軟件工具便能夠很好地解決的，往往需要相應專業領域的專用軟件系統或根據實際需求設計開發相應的系統；另一方面，“計算機程序設計”是許多大學生必修的第二門計算機類課程，主要是學習利用某一種高級編程語言進行應用系統設計和開發.因此，學習計算機程序設計的一般步驟和方法、經典計算機算法，將有助于學生更容易地學習和使用相關專業領域的軟件系統，利用計算思維進行專業領域實際問題的分析和解決，實現計算思維意識和能力的建構.

3 課程教學實施與評價

完成課程教學目標與課程教學內容的設計之后，如何科學合理地組織和實施課程教學活動、通過完善的課程學習評價體系促進學生的學習，成為整個課程建設的關鍵步驟.

3.1 教學內容的選擇與組織

ISM分析法(Interpretative Structural Modeling Method)是一種將圖論運用于復雜系統各要素結構分析的方法，能以可視化的層級關系圖形式呈現分析結果，常用于專業課程體系結構分析[12]、教學內容結構分析[13]、影響因素間的層次關系分析[14]等.這里采用ISM分析法對“大學計算機基礎”課程的各章教學內容之間的結構關系進行分析，以便為課程教學內容的選擇和組織提供依據.采用ISM分析法可構建如圖1所示的課程各章教學內容的層級關系圖.

圖1 課程各章教學內容的層級關系

若采用Ci(i=1,…,8)表示各章教學內容要素，根據授課學時數、授課學生的專業方向等因素可設計如表1所示的教學內容組織策略，教師可根據具體專業的教學實際需求選擇相應的教學內容組織方法，如對于計算思維水平和計算機應用能力較高的理工類專業學生，若授課學時為72學時則可采用Ci→C2,C3→C5,C7→C4,C3,C8的教學內容組織形式，若僅有36學時則可采用C1→C2→C7→C8的教學內容組織形式.

表1 課程教學內容組織策略

3.2 實施思維性課程教學

改變僅注重知識和技能講解與傳授的教學方法，重點講解各知識點所蘊涵的計算思維方法、各類計算機軟件的設計思想及其操作過程所運用的計算思維，將計算思維的培養與計算機課程教學有效融合，實現由知識傳授型教學向基于知識的計算思維培養的轉變[15].“大學計算機基礎”的課程教學內容包含計算機基礎理論和計算機技術應用實驗兩大部分，在采用思維性教學方法進行課程教學時，教師要樹立基礎理論教學與計算機實驗操作相互協調的教學理念，設計內容豐富且符合學生學習興趣的實驗項目，通過基礎理論知識教學和實驗項目實踐，可培養學生綜合應用計算思維和計算機技術解決實際問題的能力.此外，為提高學生的創新意識和創新實踐能力，解決授課時數有限與課程教學內容龐雜的矛盾，教師應根據計算機技術熱點和授課班級的專業實際情況設計一些具有探索性的綜合實驗項目，有意識地培養學生利用計算思維和計算機技術解決專業問題的意識和能力.

3.3 課程教學評價

首先，有效利用微博平臺對學生進行過程性評價，記錄學生計算思維發展的軌跡并發現其學習過程中所遇到的實際問題，突出學生在課程學習過程中發展計算思維意識、計算思維方法和計算思維能力的重要性.其次，改革課程考試內容和出題形式，在總結性評價中體現學生計算思維的發展情況，如適當減少單選題和填空題，增加多選題、論述題和設計題的比重，拓寬課程考核的知識面.最后，綜合學生的過程性評價結果和總結性評價結果，給出每位學生的課程成績.在完成學生過程性評價和總結性評價之后，教師要對自己的學期課程教學情況進行分析和總結，針對教學內容設計、教學實施策略與方法、教學評價體系等進行反思和探討，及時發現課程教學的優點及其存在的問題，不斷提高課程教學效果.

4 總結與展望

本文在分析課程教學目標、設計課程教學內容的基礎上，探究促進非計算機專業學生計算思維和利用計算機技術解決實際問題的能力培養方案.本文所研究的課程教學內容、課程教學方法與評價機制在我校最近三個學期的“大學計算機基礎”課程教學中得以實施，同時取得了良好的課程教學效果.但由于缺乏針對計算機基礎課程教學專門設計的微博互動教學服務平臺，采用新浪微博、騰訊微博等社會性微博平臺開展課程教學時不僅其功能有限，而且容易導致學生在與課程學習無關的微博內容上浪費時間.為此，針對計算機課程教學的實際需要，研究具有課堂考勤管理、學生端電腦控制、云存儲、題庫管理與自動評測、微博教學等功能的社交型教學互動服務平臺是下一步需研究的重要問題.

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