以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系研究

李桂芝 周長(zhǎng)勝

摘要：培養(yǎng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維能力是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的根本任務(wù)。分析了當(dāng)前高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系存在的問題，以及基于計(jì)算思維重構(gòu)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系的必要性，提出了以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的面向?qū)I(yè)應(yīng)用的分類分層次的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系，并探討了課程體系實(shí)施方案。該課程體系充分體現(xiàn)了計(jì)算思維能力與專業(yè)技術(shù)的融合，有利于提高學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)過程中的作用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)；課程體系；計(jì)算思維；實(shí)施方案

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）18-0173-03

一、引言

隨著信息技術(shù)在社會(huì)各行各業(yè)的快速發(fā)展，熟練運(yùn)用信息技術(shù)和手段解決專業(yè)領(lǐng)域問題已成為大學(xué)生必須具備的基本素質(zhì)。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的目的是使非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)的基本知識(shí)、方法和技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，提高學(xué)生的信息素養(yǎng)，以達(dá)到信息社會(huì)對(duì)大學(xué)生能力素質(zhì)的要求。因此計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在本科教育中有著極其重要的地位。目前的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系設(shè)置在體現(xiàn)支撐計(jì)算思維能力培養(yǎng)、專業(yè)應(yīng)用和社會(huì)應(yīng)用方面還存在很多不足，所以就計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系設(shè)置如何在先進(jìn)性和實(shí)用性方面為專業(yè)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)、如何體現(xiàn)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，建立符合不同專業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育要求的分類分層次的課程體系，仍需要不斷探索和研究。

目前，計(jì)算思維的培養(yǎng)成為國際和國內(nèi)計(jì)算機(jī)教育界關(guān)注的熱點(diǎn)，計(jì)算思維能力不僅是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具備的能力，也是所有大學(xué)生應(yīng)該具備的能力。因此，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系的設(shè)置要強(qiáng)調(diào)和深化計(jì)算思維的培養(yǎng)，注重培養(yǎng)學(xué)生的思維方式和創(chuàng)新能力，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

二、計(jì)算思維

（一）計(jì)算思維概念的提出

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授首次提出并定義了計(jì)算思維（Computational Thinking）。她認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[1]。計(jì)算思維是一種本質(zhì)的、所有人都必須具備的思維方式，就像閱讀、寫字、做算術(shù)一樣，成為人們最基礎(chǔ)、最普遍、最適用和不可缺少的思維方式。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象（Abstraction）和自動(dòng)化（Automation），即如何按照計(jì)算機(jī)求解問題的基本方法去考慮問題的求解，以便構(gòu)建出相應(yīng)的算法和基本程序。

（二）計(jì)算思維培養(yǎng)與計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系設(shè)置

計(jì)算思維是建立在計(jì)算機(jī)理論知識(shí)之上的一種思維方式，引導(dǎo)人們運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)去解決專業(yè)領(lǐng)域問題，是所有專業(yè)學(xué)生都應(yīng)具備的一種能力。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)面向的對(duì)象是非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生，目的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)解決本專業(yè)領(lǐng)域問題的意識(shí)和能力，而實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的關(guān)鍵就是在課程體系設(shè)置以及課程知識(shí)體系方面體現(xiàn)以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心。如何基于計(jì)算思維構(gòu)建課程體系是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的首要任務(wù)，要把有關(guān)計(jì)算思維的相關(guān)思維特征和方法分解到課程體系所包含的具體的課程中，使各專業(yè)的學(xué)生廣泛接受計(jì)算思維方法的訓(xùn)練，提高大學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和解決實(shí)際問題的能力。另外，各個(gè)不同專業(yè)對(duì)學(xué)生的計(jì)算思維能力需求是有差異的，因此課程體系設(shè)置要兼顧計(jì)算思維培養(yǎng)和專業(yè)應(yīng)用需求。

三、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系存在的問題

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)涉及的內(nèi)容廣泛，學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)水平參差不齊。另外，各個(gè)非計(jì)算機(jī)專業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)與計(jì)算思維能力要求是有差異的。而目前在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)中，我校采用同一標(biāo)準(zhǔn)、同一要求的課程設(shè)置（《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》+《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（C、VB）》），在知識(shí)分層、體現(xiàn)專業(yè)應(yīng)用需求和計(jì)算思維能力培養(yǎng)方面還缺乏明確的導(dǎo)向，使得計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課只注重基本知識(shí)和操作技能的培養(yǎng)，沒有關(guān)注基于計(jì)算技術(shù)進(jìn)行問題求解的思路和方法的培養(yǎng)，學(xué)生缺乏在專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)研究和創(chuàng)新的能力。另外，課程不能與學(xué)生專業(yè)很好地結(jié)合，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，造成教學(xué)效果不理想。再者，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，一些新概念和新技術(shù)如移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等不斷涌現(xiàn)，但在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)中還沒有引入這些新概念和新技術(shù)，造成計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課的教學(xué)內(nèi)容與社會(huì)應(yīng)用需求脫軌，這必然會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。因此，有必要改革計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的課程體系、知識(shí)體系以及實(shí)踐體系，探索以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的面向?qū)I(yè)應(yīng)用的分層次的教學(xué)體系，重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)解決專業(yè)問題的基本思維和方法方面的培養(yǎng)，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)中的作用。

四、以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系設(shè)計(jì)

（一）課程體系設(shè)置方案

既然對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力和解決問題能力，就要在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系中融入計(jì)算思維的思想和方法，以提高學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)知識(shí)抽象問題、形式化描述問題和進(jìn)行問題求解的能力。計(jì)算思維包含的內(nèi)容不是一門課程所能承擔(dān)的。在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中，培養(yǎng)計(jì)算思維能力需要有一系列的計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程作支撐和拓展[2]。在我校的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系改革中，根據(jù)學(xué)生的計(jì)算機(jī)能力以及專業(yè)特點(diǎn)等構(gòu)建了面向?qū)I(yè)、分層次的課程體系，以適應(yīng)不同專業(yè)的計(jì)算思維能力的培養(yǎng)要求。首先將專業(yè)分為理工科非計(jì)算機(jī)類和文科類（包括經(jīng)管類）兩大專業(yè)類別，對(duì)不同類別專業(yè)分別開設(shè)不同層次的體現(xiàn)計(jì)算思維的必修課和選修課程；然后根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識(shí)領(lǐng)域?qū)⒂?jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系劃分為三個(gè)層次：基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課群、專業(yè)應(yīng)用課群，如表1所示[3-4]。

1.基礎(chǔ)課群。包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（C、VB）兩門課，是必修課，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)思維（0和1、程序和遞歸的思維等），這些思維可以幫助學(xué)生養(yǎng)成應(yīng)用自動(dòng)化手段求解問題的思維模式[5-6]。其中計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、算法基礎(chǔ)、操作系統(tǒng)基本知識(shí)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、辦公軟件操作等方面的內(nèi)容，重點(diǎn)放在學(xué)生的基本思維如信息及其表示、編碼與解碼等，以及計(jì)算機(jī)基本操作能力的培養(yǎng)；程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程依據(jù)專業(yè)不同分別開始C和VB兩個(gè)語言課程，重點(diǎn)講授算法設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)方法，盡量從計(jì)算思維培養(yǎng)的角度按照問題抽象化描述、問題表示、模型建立、算法設(shè)計(jì)、機(jī)器實(shí)現(xiàn)等步驟進(jìn)行講解，側(cè)重學(xué)習(xí)用計(jì)算機(jī)分析和解決問題的基本過程和方法，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

2.專業(yè)基礎(chǔ)課群。屬于技術(shù)型課程，為計(jì)算機(jī)技術(shù)在專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。根據(jù)不同專業(yè)對(duì)不同計(jì)算機(jī)技術(shù)的需求來開設(shè)課程，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用特定計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問題的能力和方法。該層次課程按理工和文科類專業(yè)分別開設(shè)多個(gè)課程供學(xué)生選擇。該層次課程是通用計(jì)算思維培養(yǎng)過程，如“數(shù)據(jù)化”、“網(wǎng)絡(luò)化”有助于學(xué)生形成數(shù)據(jù)聚集與分析、網(wǎng)絡(luò)化獲取數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)的新型思維模式，為將通用計(jì)算思維與專業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來，形成各專業(yè)的創(chuàng)造性思維以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

3.專業(yè)應(yīng)用課群。專業(yè)應(yīng)用課群包括一些與專業(yè)結(jié)合比較密切的課程，從專業(yè)需求角度開展面向?qū)I(yè)的計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，將計(jì)算思維與專業(yè)進(jìn)行融合。有些專業(yè)特征非常明顯的課程，如統(tǒng)計(jì)分析軟件Spss的使用、電子商務(wù)技術(shù)基礎(chǔ)等，一般可以由計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教師和相關(guān)專業(yè)教師共同承擔(dān)教學(xué)任務(wù)，結(jié)合專業(yè)領(lǐng)域?qū)嵗攸c(diǎn)介紹運(yùn)用計(jì)算思維解決專業(yè)領(lǐng)域問題的方法和思想，充分體現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)在專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。該層次的課程是學(xué)生根據(jù)自己學(xué)習(xí)的專業(yè)進(jìn)行選修，通過該層次的課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有解決本專業(yè)領(lǐng)域中問題的能力。

（二）課程體系實(shí)施方案

1.選課方案。學(xué)生在課程的選擇上采用“2+X+Y”方案（其中X為專業(yè)基礎(chǔ)課程，Y為專業(yè)應(yīng)用課程）。2是指基礎(chǔ)課群的必選課程（大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)），是全校各專業(yè)的必修課程，程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)按照專業(yè)分別開設(shè)C語言和VB語言，所有專業(yè)的學(xué)生必選其一；X是指限制選擇專業(yè)基礎(chǔ)課群中的至少一門課程，其余的課程根據(jù)學(xué)生的個(gè)人興趣自由選擇；Y是指專業(yè)應(yīng)用課群的任選課程，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好和所學(xué)專業(yè)自由選擇多門課程學(xué)習(xí)。該選課方案兼顧學(xué)生的專業(yè)要求和興趣愛好，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。通過系列課程的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

2.課程的知識(shí)體系和實(shí)驗(yàn)體系。課程的知識(shí)體系和實(shí)驗(yàn)也應(yīng)該和相關(guān)專業(yè)融合，以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心。同一門課對(duì)不同的專業(yè)學(xué)生講授時(shí)，在內(nèi)容的組織和選取、講授深度上應(yīng)該有不同的授課標(biāo)準(zhǔn)，更多地關(guān)注運(yùn)用計(jì)算思維及計(jì)算機(jī)技術(shù)解決各種專業(yè)問題，在教學(xué)內(nèi)容上融合一些既能反映計(jì)算思維思想又能體現(xiàn)專業(yè)應(yīng)用的相關(guān)案例，培養(yǎng)學(xué)生逐步地建立起運(yùn)用計(jì)算思維解決問題的意識(shí)。

課程的實(shí)驗(yàn)體系是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用計(jì)算思維解決實(shí)際問題能力的重要手段。針對(duì)以計(jì)算思維為導(dǎo)向的多層次課程體系結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)體系的設(shè)計(jì)也要體現(xiàn)計(jì)算思維能力培養(yǎng)的特征，建立多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，可以劃分為“基礎(chǔ)與驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)”、“設(shè)計(jì)與開發(fā)型實(shí)驗(yàn)”和“研究與創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)”三個(gè)層次。在基礎(chǔ)與驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)中增加有關(guān)計(jì)算思維的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)會(huì)計(jì)算思維的基本思想；在設(shè)計(jì)與開發(fā)型實(shí)驗(yàn)中有意識(shí)地培養(yǎng)運(yùn)用計(jì)算思維處理問題的基本過程（問題抽象化描述、問題表示、模型建立、算法設(shè)計(jì)、機(jī)器實(shí)現(xiàn)）；研究與創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是最高層次的實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)是鍛煉學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維解決專業(yè)領(lǐng)域問題的能力，提升創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

3.課程體系實(shí)施過程。該課程體系分四個(gè)階段實(shí)施，第一學(xué)期開設(shè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課群的課程，即計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)兩門課，主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的基本理解，具備基本的計(jì)算思維方法，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生基本的計(jì)算機(jī)操作技能，為后續(xù)課群的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)；第二學(xué)期開設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)課群中的課程，使得學(xué)生在進(jìn)入專業(yè)課程學(xué)習(xí)之前修完專業(yè)應(yīng)用中的基礎(chǔ)課程，具備解決專業(yè)問題的計(jì)算思維能力和方法體系，這兩個(gè)層次的課程對(duì)專業(yè)領(lǐng)域課程的學(xué)習(xí)起到支撐作用；而專業(yè)應(yīng)用課群中的課程則從第三、四學(xué)期開始開設(shè)，在前兩個(gè)層次課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，逐步在專業(yè)課教學(xué)當(dāng)中引入相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和方法，培養(yǎng)學(xué)生用計(jì)算思維解決本專業(yè)領(lǐng)域中的問題，這個(gè)層次的課程教學(xué)直接面向?qū)I(yè)應(yīng)用能力培養(yǎng)服務(wù)，是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的根本所在。

五、結(jié)論

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，通過計(jì)算思維的培養(yǎng)促進(jìn)學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)新能力的形成。而計(jì)算思維能力的培養(yǎng)不是一門課就能承擔(dān)的，因此，建立了以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的面向?qū)I(yè)應(yīng)用的分類分層次的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系，以系統(tǒng)化的方式逐層向?qū)W生傳遞計(jì)算思維的思想和方法。通過系列課程的學(xué)習(xí)，能夠加強(qiáng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生利用計(jì)算思維解決專業(yè)領(lǐng)域中問題的意識(shí)與能力，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)中的作用。

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