基于計算思維的計算機導論課程教學改革

盧桂馥

(1.安徽工程大學 計算機與信息學院，安徽 蕪湖　241000；　2.東南大學 信息科學與工程學院，江蘇 南京　210096)

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基于計算思維的計算機導論課程教學改革

盧桂馥1，2

(1.安徽工程大學 計算機與信息學院，安徽 蕪湖241000；2.東南大學 信息科學與工程學院，江蘇 南京210096)

計算思維的概念在當前國內外計算機學界受到廣泛的關注，同時計算思維能力也已成為現代高素質人才所必須的一種基本能力。為了培養學生的計算思維能力，對計算機導論課程進行了全面改革，設計了一種切實可行的培養學生計算思維能力的計算機導論課程的改革方案。

計算思維；計算機導論；教學改革

在很多高校，計算機導論這門課都是計算機科學與技術相關專業學生進入大學后的第一門專業基礎課，[1-3]筆者所在學校——安徽工程大學——也不例外。計算機導論這門課程內容極其豐富，涉及了計算機科學與技術一級學科幾乎所有的內容，且有一定的深度。另外，由于計算機導論是學生進入大學后所學習的第一門專業基礎課，而學生又幾乎沒有計算機科學與技術專業的相關專業知識背景。因此，雖然這只是一門導論性質的課程，學生在學習的過程中還是會感到有一定的難度。學生對于許多知識的掌握還不夠透徹，往往只是停留在表面。

另外，雖然很多高校的計算機科學與技術專業的相關學生都會開設計算機導論這門專業基礎課，但是這門課到底要講授些什么內容，還一直存在著爭議。總的來說，國內不同高校的計算機導論課程的教學內容可以分為兩大類：一類是主要介紹計算機基礎知識以及辦公軟件的使用，如Windows，Word字處理軟件，Excel的操作等；另一類則從方法論的角度出發，力圖通過對計算機這個學科進行科學化的描述，從而讓學生了解整個計算機學科的發展歷史，思維模式以及根本問題。[4]

經過多年的教學實踐，筆者認為，計算機導論這門課程的主要作用應體現在：使學生認知計算機學科的核心知識和基本原理，了解計算機學科的本質和思維方式，在授課的過程中，應以訓練學生的計算思維為主，從而為學生搭建起計算機學科的整體框架，為學生后續的計算機專業課程的學習打下堅實的基礎。

一　計算思維

計算思維的概念最早由美國卡內基梅隆大學的周以真教授提出，[5]此概念一經提出就在國內外計算機界引起了重大的反響，從而使得如何培養學生的計算思維能力成為當前計算機教育的一個重要研究內容。梅以真教授把計算思維定義為：運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類行為。[5]此外，梅以真教授認為：除閱讀、寫作和算術能力以外，計算思維能力也是每個孩子所應必須掌握的能力。[6]計算思維中包含了許多在計算機學科中被廣泛使用的思維方法：即通過抽象分層，構造，約簡，形式化等方法，把一個復雜的問題分解為可以求解的簡單問題的思維方法。

具體而言，計算思維包含6種思維方式：1.計算思維是這樣一種思維，即通過約簡，嵌入，變換或模擬等方法，把一個復雜的問題變換為一個我們可以解決的問題；2.計算思維是一種并行處理和遞歸思維，且是一種能把代碼解釋為數據或把數據解釋為代碼的思維；3.計算思維是一種利用抽象和分解來處理一個龐大復雜的任務或設計一個復雜的系統的思維；4.計算思維是一種通過預防、保護和在最壞情況下通過冗余、容錯、糾錯來進行系統恢復的一種思維方法；5.計算思維是一種利用啟發式推理來尋找解決方案的思維方法；6.計算思維是一種利用海量數據來加快計算，在時間和空間之間，在處理能力和存儲容量之間進行權衡的思維方式。

二　基于計算思維的計算機導論教學內容的改革

在2008年美國計算機協會(ACM)公布的CC2001(CS2001)中期檢查報告(草案)中，明確指出需將“計算思維”和“計算機導論”課程聯系在一起，且指出計算機導論課程應主要向學生講授計算思維的本質。因此，在計算機導論的教學中，應以計算思維的培養為根本目的，讓學生在學習的過程中逐漸習慣以計算機科學家的方式進行思維。

1.基于計算思維的計算機導論的課程內容。

近年來，筆者逐步完善了計算機導論課程的結構、內容和形式，將教學重點放在培養學生的計算思維能力上，并在教學實踐的過程中逐步完善了場景問題教學法，同時筆者從應用的角度出發來講授計算機學科的各個不同領域，通過實際問題和應用需求來引起學生的聽課興趣，從而將學生引入計算機學科的各個領域之中。本課程的知識體系結構如圖1所示。

圖1　基于計算思維的計算機導論的課程體系結構

從圖1可以看出，本課程的內容可以分為3個模塊。第一個模塊的主要內容是認知和導學，首先帶領學生從計算機科學與技術專業的角度來認識計算機，然后了解計算機系統的工作原理，再進一步正確認識計算機學科，并能夠理解計算機學科的根本問題和計算機學科的科學問題，最后介紹應如何來學習計算機學科；第二個模塊的主要內容是領域的基本知識和核心思想，即通過講授計算機學科各個領域的應用需求，基本技術和發展歷史，從而使學生了解計算機學科的核心思想，為將來學習各門專業(基礎)課打下堅實的基礎；第三個模塊的主要內容是計算機學科相關的職業和職業道德，即通過一些典型案例以及法律法規等使學生了解計算機學科的行為規范，為學生將來走向工作崗位作準備。

2.計算思維驅動的計算機導論課程的教學方法。

在授課的過程中，為了達到培養學生計算思維能力的目的，并使學生在學完計算機導論這門課程后能夠熱愛和尊重計算機科學與技術專業，并進一步地明確大學四年的學習目標和方向，筆者采取了如下的方法來對計算機導論這門課程進行授課。

(1)理清計算機導論這門課程的教學主線，并依此來設計相應的課程結構。

俗話說，綱舉才能目張，只有牢牢把握教學主線，才能設計出合理的課程結構。具體而言，計算機導論這門課程包括一根明線，這根明線指的是計算機導論這門課程的內容章節，這也是這門課程的“骨架”所在，并且反映了本課程內容之間的邏輯關系；還包括多條暗線，這里暗線指的是計算機導論這門課程的各個章節之間的內在聯系，這反映了授課內容之間的隱含關系；也還包括縱橫虛線，縱橫虛線指的是計算機導論這門課程所涉及到的各類相關學科知識，這體現了計算機導論這門課程的深度和廣度。

(2)注重教學組織和教學設計。

計算機導論這門課程是計算機科學與技術相關專業學生在大學期間接觸的第一門專業基礎課，在整個計算機科學與技術相關專業的課程體系結構中處于入門引導地位。雖然對課程中出現的大部分專業術語和概念對學生的要求只是定位在“了解”層次，但在授課時不能只是簡單地堆砌計算機學科的基礎知識。具體而言，筆者在教學過程中采用如下教學方法。

①情景問題教學法 。

從生活中學生比較熟悉的計算機技術的應用案例出發，采用情景問題教學法，激發學生從計算機科學與技術專業的角度來思考技術問題。此外，在介紹具體的計算機知識時不做詳細的展開和介紹，從而避免引入過多的學生不太容易理解的專業術語。例如：在介紹計算機硬件系統時，從學生實際購買計算機系統開講，然后從專業的角度來介紹計算機硬件系統；在介紹計算機操作系統時，通過介紹計算機病毒的相關知識，來引起學生對操作系統存在的漏洞的思考。

②圖解教學法 。

為了讓學生加深對計算機學科一些核心問題的理解，筆者在教學的時候根據教學內容，設計了許多對比式圖片，讓學生能夠比較容易地掌計算機學科根本問題的本質所在。例如：在介紹旅行商(TSP)問題、漢諾塔問題、哲學家共餐問題時，通過引入對比式圖片，深入淺出地講解了計算機學科的內在科學規律和本質。

③抽象分層教學法 。

抽象思維是計算思維的主要特征之一，也是計算機技術的典型特征之一。筆者在介紹每個計算機學科的專題知識時，往往從頂層或底層開始介紹，然后逐層介紹相關技術的原理和基本思想。例如，在介紹計算機編程語言時，從最底層的機器語言第一代程序設計語言——機器語言開始介紹，然后介紹第二代程序設計語言——匯編語言和第三代程序設計語言——高級語言，最后介紹第四代程序設計語言——非過程式語言和第五代程序設計語言——知識型語言；在介紹計算機的硬件系統時，從最底層的邏輯電路開始介紹，然后介紹集成電路和存儲器，最后介紹處理器(CPU)和I/O設備(輸入/輸出設備)；在介紹程序設計時，則從最頂層的問題開始介紹，到求解問題的思路和想法，然后介紹相關的數據結構和算法，最后介紹如何用編程語言來具體實現。

④講座與討論 。

在授課的過程中，也邀請本學院不同研究方向的教師開展講座，讓學生能夠了解計算機學科的前沿發展方向，例如，邀請大數據和機器學習研究方向的教師介紹機器學習在當今大數據時代的應用；此外，也邀請高年級優秀的學生來介紹學習心得和體會，比如，邀請在各類競賽中獲獎的學生介紹比賽的經驗和體會，從而激發學生的學習興趣以及樹立起今后的學習目標。

(3)強調系統觀念和整體概念。

在教學實踐中向學生灌輸計算機系統是一個整體這樣的概念，同時也強調不同專業(基礎)課程存在著密切的聯系。讓學生明白，在大學學習階段和高中學習階段存在的差異，在大學的課堂上，不僅要學習專業知識，更重要的是要掌握學習的方法；讓學生知道對于計算機科學與技術專業而言，不僅要把理論知識吃透，更重要的是要在“做中學”(Learning By Doing)。

3.改革考核方式，對整個教學過程進行監控。

計算思維能力的培養不會是一蹴而就的，而是一個長期的過程。學習和思維兩者之間并不是獨立的，而是密切地聯系在一起的。因此，為了強化學生計算思維能力的培養，必須對整個教學過程進行有效的監督，對每個學生在教學過程中的表現進行正確評價，這樣才能最大限度地培養學生的計算思維能力。

具體的，在講解新的知識點時，筆者要求學生事先收集相關資料并加以了解，然后在課堂上通過提問的方式來掌握學生課前的準備情況，并給出相應的分數；在布置作業時，不是布置一些常識性的題目，而是布置一些開放性的題目，從而不僅可以有效地避免學生作業相互抄襲的問題，也能讓學生主動思考，培養學生的計算思維能力，此外，教師在批改作業的過程中可以及時了解學生思維能力的變化，從而合理調整后續的授課內容；在學期結束時，不是采用常見的閉卷考試來考核學生的成績，而是給學生布置一些具有挑戰性和合作性的題目，讓學生根據自己的興趣來組成多個研究小組，最終通過學生提交的論文(或研究報告)以及PPT答辯的形式給出學生這門課程的成績。

結束語

計算機技術不僅為人類所面臨的各種問題提供了有效的解決方法和手段，更重要的是提供了一種全新的思維方式。因此，在計算機導論課程的教學過程中，筆者始終把培養學生的計算思維能力放在第一位，采用多種教學方式，激發學生學習的興趣和主動性，為學生后續專業(基礎)課程的學習打下扎實的基礎。當然，計算思維能力的培養是一個長期的過程，也將是一個“活到老學到老”的過程。每位教師在教學的過程中應“授人以漁”而不是“授人以魚”。

[1]趙霞, 李鳳霞, 蔡強, 李海生, 張珣.計算機導論課程的教學改革探索 [J].計算機教育,2015 (17)：13-16.

[2]譚紅葉, 王文劍, 李茹.計算思維和MOOC理念下的計算機導論課程 [J].計算機教育,2015 (13)：46-49.

[3]毛嘉莉, 李明東, 賴曉風, 董文.基于計算思維的《計算機導論》課程改革實踐 [J]. 西華師范大學學報(自然科學版),2014，35 (1) ：87-90.

[4]胡明, 王紅梅.計算機學科概論[M].2版. 北京：清華大學出版社, 2011.

[5]Wing, J.M., Computational thinking [J]. Communications of the ACM, 2006，49 (3) ：33-35.

[6]牟琴, 譚良.計算思維的研究及其進展[J].計算機科學, 2011，38 (3)：10-16.

Class No.:G642.0Document Mark：A

(責任編輯：宋瑞斌)

Teaching Reform of Introduction to Computer Science Based on Computational Thinking

Lu Guifu1,2

(1.School of Computer and Information, AnHui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China；2.School of Information Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096，China)

The concept of computational thinking has received wide attention in the field of computer science at home and abroad, which has become a basic ability for high quality talents. In order to develop students' ability of computational thinking, an overall teaching reform of introduction to computer science has been conducted. The reform scheme cultivated the ability of students' computational thinking, has been designed.

computational thinking; introduction to computer science; teaching reform

盧桂馥，博士，副教授，安徽工程大學計算機與信息學院；博士后，東南大學信息科學與工程學院。研究方向：計算機視覺、模式識別。

國家自然科學基金(No. 61572033 , 71371012)；安徽省教育廳高等學校省級質量工程項目(No:2015jxtd018)；安徽工程大學本科教學質量提升計劃項目(No:2014xquz02)。

1672-6758(2016)09-0022-3

G642.0

A