計算思維與農林院校“大學計算機基礎”教學改革

晁曉菲+楊沛+陳勇+孫健敏

摘要：本文提出了農林院校基于計算思維的“大學計算機基礎”課程教學改革方案，并從計算機文化氛圍的創建、課程教學方案設計、教學實踐環節改革三個方面進行了深入的探討。該方案能夠很好地銜接能力培養和計算思維培養的關系，增強學生運用計算思維的能力，為培養高素質復合型創新人才奠定基礎。

關鍵詞：計算思維；大學計算機基礎；教學改革；農業院校

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：B 文章編號：1674-9324（2015）16-0115-03

一、引言

“大學計算機基礎”是大學第一門計算機基礎課程，陳國良院士指出該課程是計算思維培養的關鍵[1]。計算思維能力是培養大學生綜合素質和創新能力不可或缺的重要環節，是培養復合型創新人才的重要組成部分。2010年7月教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會（以下簡稱“教指委”）發布了《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》，討論了如何在新形勢下提高計算機基礎教學的質量，增強大學生計算思維能力的培養，旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務[2]。計算思維在“大學計算機基礎”教學中培養的教學改革迫在眉睫。

二、計算思維及其在農林院校的應用現狀

計算思維是當前國際上一個頗受關注的涉及計算機科學本質問題和未來走向的基礎性概念。2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授提出計算思維的概念并給出了詳細的定義[3]，計算思維提出了面向問題解決的系列觀點和方法，這些觀點和方法有助于人們更加深刻地理解計算的本質和計算機求解問題的核心思想。“大學計算機基礎”是計算思維培養的關鍵。教指委對“大學計算機基礎”教學能力培養目標[4]中最主要的兩個學科專業能力是對計算機的認識能力和應用計算機解決問題的能力，這兩個方面的能力恰好反映了計算思維的兩個核心要素：計算環境和問題求解。由此可見，作為農林院校學生第一門計算機基礎性課程，“大學計算機基礎”教學的核心任務是培養學生計算思維，培養運用計算機科學解決問題時應具備的一種科學的思維方式，并具備將這種思維運用到解決專業問題的實踐中，為學生創新能力的培養奠定基礎。農林院校“大學計算機基礎”教學中對計算思維的培養存在以下幾個問題。

1.計算思維培養沒有統一標準。大部分農林院校的“大學計算機基礎”課程中對學生計算思維的培養是各任課教師潛移默化進行的，沒有統一的標準，對學生思維能力的培養效果也不太理想。

2.注重技術與應用的教學，忽視了“思想的教學”。教師錯誤地認為講思維等同于講理論，理論不實用還不如講操作，操作才實用。教學中缺乏計算思維先進理念的指導，容易讓學生對課程產生“狹義工具論”的認識，學生學習“大學計算機基礎”課程滿足于掌握計算機的基本操作、基本軟件的使用等，教學效果不夠理想。

3.沒有從戰略高度認識到計算思維培養對高素質人才培養的重要性。由于之前對計算思維認識的不夠，人們經常將計算思維和計算機應用能力相混淆，沒有意識到計算思維已經和理論思維、實驗思維一起構成了三大科學思維；沒有認識到計算思維能力培養對學生綜合素質及創新能力培養的重要性；沒有認識到計算思維對其他學科發展所帶來的巨大推動力。

因此“大學計算機基礎”中進行計算思維的教學需要從教學理念上做改變，也急需形成一套標準的執行方案。

三、農林院校計算思維教學方案與實施

教指委《關于申報大學計算機課程改革項目的通知》中對“大學計算機基礎”教學的總體目標要求是“普及計算機文化，培養專業應用能力，訓練計算思維能力”。構建基于計算思維的“大學計算機基礎”課程教學改革要從教學理念轉變，并從以下三個方面著手。

（一）構建計算機文化氛圍

構建計算機文化教學平臺從以下三個方面進行：一是計算機硬件發展展廳，包括計算機硬件發展的歷史，硬件設備的認知，計算機硬件發展歷史的電子資料，從圖靈機的到現代馮·諾依曼計算機發展過程的認知；二是計算機實驗環境的搭建，從工具類軟件的使用到計算機網絡知識環境的搭建，全方位體現課程教學內容；三是構建豐富的課程資源，提供豐富課外學習資料、學習素材、電子學習資源、應用拓展案例、操作教學視頻等教學資源，供實驗教學和學生課外學習。利用計算機文化教學平臺讓學生充分感受計算科學對社會歷史發展所帶來的巨大推動力，使學生對大學計算機課程的學習產生濃厚的興趣。

（二）轉變教學理念，實施計算思維為導向的課程教學方案設計

要轉變教學理念，將計算思維培養提高到戰略高度，將其作為課程培養的核心目標寫入培養方案中；把教師對學生計算思維能力的培養從無意識的、潛移默化的變為積極的、主動的、有意識的。要從確立核心的教學內容體系、融入計算思維的教學案例設計及教學方法與手段等方面的改革做起，為大量培養掌握計算機科學思維方法的高素質復合型創新人才服務。

1.構建以計算思維為導向的新課程內容。根據本科專業培養目標和任務，構建滿足新形勢下以計算思維為導向的“大學計算機基礎”課程內容，以“技能—能力—思維”的三層培養目標為核心，進一步深化改革理論和實驗教學的方法和手段，圍繞創新人才培養設計教學內容及案例。“大學計算機基礎”課程建設新方案如表一所示，理論部分主要分為三部分：計算思維基礎知識、計算機基礎知識以及計算機應用技術，理論教學部分計劃課時24學時（其中，利用2個學時左右的時間進行計算思維基礎知識的簡單介紹，此部分為在原有教學內容之上新增加的；作為培養學生基本計算機操作技能的部分，利用4個課時進行計算機基礎知識部分的講解；利用18個課時講解計算機應用技術部分）；教學實踐部分側重學生的計算機基本技能的訓練和綜合應用能力的培養，相應的案例設計幫助學生體悟計算思維，教學實踐計劃課時24學時。

教學過程中需以計算思維為主線重新審視和定位各部分教學內容，首先，保證基礎技能與能力的培養，根據學生基礎和計算機應用能力培養的要求對基礎部分的內容進行適當的裁剪和增刪；其次，在能力培養的基礎之上進行思維能力的培養，這部分的教學內容圍繞知識點所體現的計算思維來進行講解；最后，通過設置綜合實例幫助學生體悟計算思維。endprint

2.合理設計教學案例及課后作業。設計教學案例時以應用能力培養為基礎，根據內容特點融入計算思維。例如在講解信息的表示與存儲時通過“數據的數字化方法—數字編碼（譯碼）—數據的處理—數據的傳輸—數據的顯示輸出”這樣的思維方式詳細介紹數據處理所運用的知識點，重點體現抽象、轉化、冗余的概念，以便學生舉一反三，以同樣的思維方式去處理其他類型的數據；講解數據的組織與管理時，對各種常見的數據結構重點強調抽象與轉化的概念；而講解程序設計與算法部分時重點體現轉化、抽象、遞歸、算法、折中、約簡、嵌入、簡化、仿真等方法，把一個看起來困難的問題重新闡釋成一個我們知道怎樣解決的問題，問題到算法即抽象的過程，算法到程序就是一個轉化的過程也是一個細化的過程，是抽象的反過程。

合理的課程作業設計可以讓學生對所學課程產生興趣，提高學生課后學習積極性，對所學知識進行升華，體會計算思維帶來的愉悅。課后布置小作業及大作業，小作業可以培養學生運用所學知識獨立分析并解決問題的能力，而大作業則以小組合作的方式，培養學生團隊合作及基本的科研素養，培養學生發明和創新的能力及利用計算機解決專業領域問題及復雜、大型問題時應有的思維方式、表達形式和行為習慣。

3.教學方法與教學手段的改革。培養計算思維的“大學計算機基礎”課程改革必須以課程為基礎、知識為載體、結合教學方法和手段的改革，根據農林院校辦學特色、人才質量的要求，突出實踐及創新能力和思維能力的培養。

首先，加強教學方法改革，以學生為中心，強調教學的完整性和對思維的啟發性。“君子不器”：強調計算思維的教學要更加強化學生的主體地位，學生不能像器具一樣，僅僅是一種被動的存在，而應具有個人的主動性、能動性和創造性，教學中遵循學生認知思維的發展規律，以設問法、情境發、激情法、研討法等方法來激發學生思維。“舉一反三”：通過知識的傳授，教會學生思維，發展其智能，鼓勵學生從積極跟著教師走，逐步過渡到自己去主動鉆研、進行獨立研究。例如“案例教學”，引導學生體會知識背后所蘊含的計算思維規律和特點，使其利用計算思維分析問題、解決問題的能力在學習中得到升華和提高。“如切如磋”：采用“專題研討”及“問題驅動式”教學法，創造積極、激烈、競賽式的學習氛圍，培養學生分析問題、勇于開拓的學習能力以及團隊交流的基本能力，同時培養學生基本的科研素養。

其次，利用先進的教學手段提高思維能力培養的效率。利用多媒體教學的靈活、多變、展示性強的特點充分展現所講內容；制作豐富多彩的課程輔助教學資源，把枯燥的知識變活，幫助學生體悟計算思維；充分利用現代信息技術進行教學資源建設、網絡教學平臺建設、實驗教學系統建設，全方位培養學生計算思維同時提高教學效果。

（三）以計算思維為核心，以培養學生創新意識為目標，強化教學實踐環節

要打破傳統教學中將實驗教學看成理論教學的附屬體和驗證工具的錯誤觀念，不能忽視了實驗教學環節具有的探索和研究機制以及在培養學生創新、創造能力方面的職能[5]。因此必須重新審視和加強實驗教學環節在計算思維培養方面的地位。

“大學計算機基礎”實驗環節應確定其相對獨立于理論教學的地位，采用“基礎性實驗保證計算機應用能力的培養，融入跨學科元素的實驗培養高素質復合型創新人才，綜合性試驗體悟計算思維”的實施方案安排實驗教學環節。保留必要的基礎性實驗，主要是對課堂講授內容的驗證和認識類的實驗；作為在基礎性實驗之上的擴展，教師可按照學生所學專業設置融入跨學科元素的相關實驗題目，為學生將來創新地解決專業領域問題打好基礎；綜合性實驗的主要作用是對所學知識的提升，學生利用課堂所學知識并通過查找資料、團隊合作、舉一反三的方式完成這些任務，提煉并展現隱藏在知識背后的計算思維的光芒，引導學生體會計算的愉悅和產生求知欲望，學生體會綜合運用所學知識完成研究性工作的基本流程，培養學生的基本科研素養。

四、總結

計算思維已經和理論思維、實驗思維一起構成了三大科學思維，在學生綜合素質、創新能力培養等方面發揮著重要作用，將計算思維引入課程教學是“大學計算機基礎”課程所面臨的挑戰，更是新的機遇。在課程教學的過程中應當注意銜接好能力培養和計算思維培養的關系，使學生增強運用計算思維的能力，使計算思維成為當代每位大學生都應該具有的基本技能。

參考文獻：

[1]陳國良，董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育[J].中國大學教學，2011，（1）.

[2]何欽銘，陸漢權，馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養[J].中國大學教學，2010，（9）.

[3]Wing，Jeannette M. Computational thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（3）.

[4]馮博琴.對于計算思維能力培養“落地”問題的探討[J].中國大學教學，2012，（9）.

[5]朱勇，張芳，李曉輝.農業院校大學生“計算思維”意識的培養——基于計算機基礎教學的思考[J].高等農業教育，2012，（3）.endprint