面向計算思維培養的大學計算機基礎教學

詹濤　鄧磊　廖志剛

摘要：針對大學計算機課程的教學特點，探討以計算思維為核心內容的大學計算機基礎課程的教學改革，提出“分類培養、專業融合”的理論教學方法和“兩個階段培養”的實驗教學方法，指出該教學改革能有效提高計算機基礎教學效果、使學生在獲得專業知識與技能過程中，訓練和培養計算思維能力，

關鍵詞：計算思維；大學計算機基礎；教學改革

1.計算思維是改變大學計算機基礎課程現狀的核心推力

計算思維（Computational Thinking）是美國卡內基梅隆大學計算機系周以真教授提出的概念，其定義為“運用計算機科學的基本概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為，包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動”。計算思維反映了計算機技術本質特征和解決問題的核心方法，能夠提升非計算機專業學生的計算素養，培養學生用計算機處理和解決領域問題時的思維方法和表達形式，對學生有深遠影響。2010年陳國良院士提出將“計算思維能力培養”作為計算機基礎課程教學改革切入點的倡議，2012年7月，教指委在西安舉辦了“第一屆計算思維與大學計算機課程教學改革研討會”。2013年7月“第二屆計算思維與大學計算機課程教學改革研討會”在成都召開。這些都表明，增強計算思維能力的培養已成為非計算機專業計算機課程教學改革的重要方向。

大學計算機基礎是大學本科的公共基礎課程，通常作為大學第一學期的課程。當前，在該課程教學過程中存在一些問題，已經引起廣泛關注：首先，多數教學內容是計算機專業知識的濃縮，缺乏主線，顯得多而雜；其次，實踐環節側重軟件工具使用，由于不少學生在高中階段已經掌握這些工具的使用，導致其失去對該課程的學習興趣。不少專業教師和教育管理者已經針對課程教學中存在的問題進行了有益探索與實踐，例如，面向多類專業不同計算機基礎的學生，組織了分類教學，收到一定效果，但沒有從根本上改變課程現狀。而以計算思維教育與訓練為核心實施大學計算機基礎的改革與創新，能從根本上改變該課程的現狀，并有效提升教學質量與效果。

2.大學計算機基礎課程教學過程體現計算思維培養

2.1亟待解決的問題

課程的改革目標是讓學生在學習計算機核心知識和掌握應用工具的基礎上學習運用高效的思維去思考，將無意識的計算思維教學理念提升到有意識、系統性的計算思維教學。力求從根本上扭轉目前大學計算機基礎課程所面臨的教學困境。針對以上目標，需要以計算思維為核心重構教學內容，并通過合適的教學實踐手段和方法使得這些重構的內容能夠被學生接受和理解。通過分析，提煉出要解決的具體問題如下：

1）在有限課時內需要培養學生哪些具體計算思維要素。

我們的目標是傳授給學生基本的計算機核心知識，但是計算機科學作為一門學科包含了復雜的知識體系，并在不斷地發展和創新，需要確定哪些知識點能夠被定義為該課程教授的核心內容。

2）如何在學生尚未掌握任何一門編程語言的情況下實踐所學計算思維內容。

大學計算機基礎課程所面臨的是大學一年級學生，除個別學生在入校之前有過編程經驗，學生普遍沒有編程基礎。如何在缺乏編程實踐的前提下讓學生掌握計算思維是決定最終教學效果的關鍵問題。

3）面向不同基礎和專業的學生如何體現不同的計算思維的教育和訓練內容。

2.2分類教學、專業融合的教學內容設計

西北工業大學是一所以發展航空、航天、航海工程教育和科學研究為特色，以工、理為主，管、文、經、法協調發展的研究型、多學科性和開放式大學。不同專業對學生的計算機知識的要求不同，存在較大差異。相同專業學生之間的計算機知識也有較大差距，在這種情況下采用分類教學是必要的。例如在程序設計課程中按照文、理科進行分類實踐教學，取得了良好的成效，積累了經驗，但是在大學計算機基礎課程中尚未實施。此次以計算思維培養為核心的大學計算機基礎課程教學改革在教學內容設計上除按照文、理分類外，還考慮到特殊方向和專業學生群體的較高計算機教育的需求，將教學內容分為4個方向：（1）面向理工類專業學生；（2）面向文管類專業學生；（3）面向國際班學生全英文計算機教學；（4）面向教育實驗學院卓越班。

西北工業大學作為理工科重點院校，大多數學生都歸類于方向（1），以2013年數據為例，方向（1）約占62%，方向（2）約占17%，方向（3）約占4%，方向（4）約占17%。在確定每個方向學生教學內容時，遵循“兩個融合”的原則，將計算機基礎教育與計算思維培養融合，構建以計算思維能力培養為主線的非計算機專業通識教育；將計算機基礎知識與學生的專業技術融合，在進行計算機思維培養教學內容選擇時，注重計算機基礎知識與學生專業方向的融合度。“兩個融合”的具體內容包括：

（1）計算思維培養融合，是指將計算機科學中最具有基礎性和長期性的計算思想教授給學生，側重使非計算機專業學生能夠領略計算的核心方法，學會如何把問題轉化成能夠用計算機解決的形式，培養學生從本質和全局來建立解決問題的思路，為其今后的專業學習和應用計算技術打下堅實基礎。

（2）專業技術融合，是指根據學生專業特點和需求，在計算思維培養融合的基礎上，動態選擇課程內容，形成可定制教學模塊，實施分類分層教學。

“兩個融合”原則體現了具有鮮明特色的非計算機專業大學計算機教學方案，形成了縱向分類、橫向分層的教學內容。每個方向內容由基本理論知識層、計算思維融合層、專業融合層組成。以面向理工類專業學生的方向（1）為例說明各層的含義，如圖1所示。

1）基本理論知識層。

該層屬于計算機基本知識內容，包括基本概念和基本計算思維模塊，在介紹計算機軟、硬件的歷史和未來發展趨勢過程中貫徹計算機基本知識，包括二進制、馮·諾依曼計算機、圖靈機、計算復雜性等計算機重要基礎概念等。這部分內容比較近似于之前課程中計算機基本知識部分，但我們在教學改革中對其內容重新組織，從計算機重要的“分層”和“抽象”概念出發引導學生學習這部分知識，力圖讓學生領略到這些技術背后的基本計算思維內涵。通過學習計算機發展歷史，讓學生對整個計算科學發展有全局了解。endprint

2）計算思維層。

包括問題求解方法和算法模塊，學生在學習了計算機重要基礎知識后，開始深入學習計算系統底層具體思維和運行機制。這部分從系統和算法角度讓學生學習計算機解決問題的方法，包括求解框架、典型案例的計算算法、具體思維過程和實現方法等，讓學生在計算思維較高層次討論計算機學科的根本問題和思維方式，深入了解計算機的工作和運行機理。這一部分內容體現了本課程的計算思維培養目標。

3）專業融合層。

最高層的專業融合層完成融合專業知識、提升學生在專業學習中應用計算思維的能力的任務。該部分從數據處理和網絡計算角度，讓學生領略到計算機目前最廣泛的應用模式，從而在自己的專業領域加以運用。這部分模塊屬于變化較大的模塊，目前仍然需要開發和擴充大量與其他專業更為緊密相關的案例和應用模式。

按照圖1所示，不同類別學生在基本理論知識層內容是相同的，在第2層上，教育實驗學院學生所學的算法和系統內容更為深化和多樣，實現了差異化教學。在專業融合層，為理工類和文管類不同專業特色的學生設計了不同模塊內容。理工類學生學習數據處理和計算網絡知識，而文管類學生側重學習用計算機處理數據和利用計算知識研究社會關系等。

2.3兩階段培養、可視化計算思維實踐的實驗環節

一直以來，實驗教學通常是理論教學的輔助，和理論教學在章節內容上是對應的。但在我們的教學改革中將實驗課程和理論課程定位為“互補關系”，實驗課程具有相對獨立性，在內容中體現“兩階段培養”的實驗教學理念。第一階段實驗為計算機基礎知識實踐，包括Windows的使用、常用工具軟件的使用、常見網絡應用等。此階段目標是培養學生對計算機基本操作技能和常用工具軟件的掌握；第二階段實驗是關于計算思維的實驗。這部分內容要求學生依據具體應用問題設計程序，實現典型算法。兩階段培養中的第一階段目標就是要學生熟練掌握工作和學習中常用的工具類軟件，為以后的學習和科研打下基礎。

針對在本文2.1節中提出的第2個問題，即此階段的學生尚未具備程序設計的基本知識和經驗，我們認為，采用可視化編程工具是解決這一問題的有效方法。可視化編程工具支持可視化（Visual）程序設計，主要是讓程序設計人員利用軟件本身所提供的控件，構造應用程序的各種界面，可視化編程技術已經成為當今軟件開發的重要工具和手段。

為此，我們在課程實驗改革中引入可視化編程工具Raptor，使得尚未具備編程基礎的大一學生能夠實施算法實踐和驗證。Raptor是一種可視化的程序設計環境，其將程序設計中的要素以圖形符號的方式展現，使得學生在不具備編程知識的基礎上可以實踐計算機中算法類問題。目前，它已經在卡內基·梅隆大學等世界22個以上的國家和地區的高等院校中使用。

在實驗課程中設計了4個學時講解Raptor工具并要求每個學生至少課堂完成8個基本算法實驗任務。在實驗課之外，要求學生用Raptor完成算法類大作業并撰寫實驗報告，以綜合訓練學生解決算法類問題的能力。教學過程和最后的調查結果表明，引入算法類可視化工具有助于實驗教學取得良好效果。

3.改革實踐和總結

在2013-2014學年，我們將改革后的教學內容對部分理工類班級開展了試點教學，試點專業涉及材料、自動化、電子信息專業等，在課程末期分別針對任課教師和學生做了教學效果調查，調查結果表明教學效果基本達到預期教學目標。

教師普遍感受為所帶課程的難度和以往課程內容相比備課較難，但課堂氛圍較好，內容受到學生關注，尤其實驗環節引入了Raptor可視化程序設計工具，課堂氛圍活躍，學生的學習興趣和積極性較以往有大幅提高。

部分學生調查結果如圖2和圖3所示。圖2是學生對計算思維認識的調查結果，顯示出大多數學生（達到60%以上）理解了計算思維的概念，認識到計算思維和計算機基礎課程的重要性，不僅僅只是學習工具應用，而是對今后理解和掌握計算機應用技術奠定基礎，從無意識地應用計算機解決問題到有意識地培養自己的計算思維思想。圖3為調查學生認為教學內容中哪部分收獲最大，19%的學生認為計算思維有最大收獲，居第二位置，說明這部分的學習為培養優秀學生的創新能力打下了良好的基礎。

4.結語

通過教學改革，對比教師和學生的調查結果以及結合其他調查結果分析，我們總結了經驗與不足。首先，計算思維是培養學生創新能力的重要方面，這在大學生全面素質教育和能力培養中承擔著重要職責，教學過程和調查反饋顯示出課程改革的必要性和方向是正確的，受到了大多數教師和學生的認可；其次，該課程改革具有適應和完善過程，從事該課程教學的教師需要不斷地深化對計算思維的理解以及對典型案例的合理選擇，并且要解決在課時少的情況下，如何有效組織教學內容，科學兼顧內容的廣度和深度；最后，本次教改中出現的不足之處表明，今后的工作還需要繼續推動基于計算思維的大學計算機基礎教材建設，進一步探索計算思維的培養方式。endprint