基于計算思維的大學計算機基礎課程定位及課程體系的構建

王文軍+王靜+張葉娥

（1.大同大學 數學與計算機科學學院，山西 大同 037009）（2.大同大學 教育科學與技術學院，山西 大同 037009）

摘 要：高校計算機基礎課程擔負著教導非計算機專業學生學習計算機知識以及普及與推廣計算手段的重任。面對知識膨脹與學時數壓縮的困境以及對基礎課程核心價值的質疑，提出基于計算思維的計算機基礎課程核心價值的定位策略，在此基礎上結合通用計算手段，面向專業計算手段躍遷的現實需求，構建“寬專融”的計算機基礎課程體系。

關鍵詞：計算思維；核心價值；基礎課程定位；“寬專融”課程體系

1 背 景

偉大的革命導師恩格斯說過，任何一門科學的真正完善在于數學工具的廣泛應用，即一門學科若不能充分利用數學手段就不能稱之為科學。那么，可以演繹說一門學科若沒有充分利用計算機手段不能稱之為現代科學[1]。計算機基礎作為大學非計算機專業學生的第一門計算機課程，其重要性毋庸置疑。一方面，由于長期以來大部分高校對于計算機基礎課程的定位更多地停留在軟件工具的操作培訓層面，加上計算機操作技能培養在中小學信息技術課程教學中的普及，致使出現計算機基礎課程“狹義工具論”的論斷以及高校對其大肆裁課的狀況；另一方面，隨著社會信息產業的飛速發展，社會整體對非計算機專業學生使用計算機的能力提出了更迫切的要求，如具備支持各學科研究創新的新型計算手段以及應用這些手段進行各學科的研究與創新。面對兩方面的壓力，作為高校計算機基礎課程實施的教研人員，如何構造出一套既能在頂層思維統籌又行之有效的解決策略，值得探索研究。

周以真教授計算思維[2]概念的提出使得各高校基礎教研人員眼前一亮，于是全國各高校先后掀起了一輪基于計算思維的基礎教學改革。我們試圖通過以計算思維為導向，探索思維層面引導與內容層面提煉的雙向互動式計算機基礎課程教學改革策略。這樣一則力促有一條隱性思維鏈指導學生有規律地學習，以減少學習時間，提升學習效率；二則思維規律猶如一條條通向自己專業領域的橋梁，使非計算機專業的學生們能夠迅速應用、研究和創新各學科的新型計算手段。

2 存在的問題

2.1 大學計算機基礎課程的定位及核心價值不明確

此前，計算機基礎教學注重其所具有的工具屬性，這種教學模式在特定時期內有效地滿足了學生技能培養的需求，但目前仍有相當一部分高校的基礎教學部門出于慣性，對于計算機基礎課程的定位仍然更多地側重于軟件工具的操作培訓，尤其是在計算機操作技能的普及程度逐步下放到中小學信息技術教學中的背景下，以軟件工具操作為主要教學內容的計算機基礎課程遭受到來自高校和社會的普遍質疑。不難發現，這些質疑的本質是現有各高校在知識/技能性傳授層面培養的通用計算手段與現實社會對各學科學生專業計算手段的需求之間存在巨大的鴻溝，如圖1所示。那么，大學計算機基礎作為非計算機專業學生的第一門計算機課程，存在的必要性及核心價值是什么呢？

2.2 大學計算機基礎課程的內容穩定性有待提高

置身于當今信息產業飛速發展的大背景下，計算機基礎作為多數高校大學計算機基礎教學的第一門課程，其教學內容體系如何構建備受關注，總不至于緊跟計算機各種工具更新的步伐以延續以工具分類的課程教學內容體系，而且在有限的教學時間內不可能窮盡所有的工具實施教學。我們認為應該在該課程中講授一些如計算學科中不變的東西、利用計算機解決各學科問題的一般方法等內容，因此需要綜合考慮思維能力培養、學科知識傳授和應用技能訓練三者之間的關系，合理解決第一門課的多樣和統一、變與不變的關系，兼顧課程內容的適用性和穩定性，是當前計算機基礎課程教學改革的緊迫任務。

3 問題的解決思路與探索

在當前的信息化社會，計算機基礎課程所依賴的計算機科學、工程技術等發展極為迅速，知識更新周期越來越短；該課程作為非計算機專業學生的第一門計算機通識類課程，不僅要考慮知識膨脹與學時數壓縮之間的矛盾，還要考慮如何讓學生們在有限的學時內實現通用計算手段向專業計算手段的有效轉化躍遷，使其有能力適應日新月異的專業領域環境。現實的困境急切地呼喚著一種思維方式統籌上的教學模式變革。

人類通過思考自身的計算方式，研究能否由外部機器模擬來代替人類實現計算的過程，從而誕生了現代電子計算機的計算工具。早在1972年，圖靈獎得主Edsger Dijkstra就曾說“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也深刻地影響著我們的思維能力”[3]。計算思維被定義為進行問題求解、系統設計、人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。既然是一種思維，難免有抽象和空洞的特征，要由其統籌全局，首先須考慮的問題應該是計算思維包含哪些核心概念；然后圍繞核心概念解決計算思維的“落地”問題，即結合思維和知識層面的雙向聯動，從而解決計算機基礎課程的內容穩定性問題；最后考慮得出計算機基礎課程的核心價值。

3.1 計算思維的核心概念

源于ACM主席Denning教授對計算的原理分析，我們更具體地對計算思維的分類及核心概念進行梳理總結，見表1。

3.2 計算思維的“落地”

如何由知識傳授轉為基于知識的思維傳授？思維性教學已被提倡了很久，為什么沒有很好地落實下去？那是因為體現計算思維范疇的各核心概念與計算機基礎知識點沒有得到恰當地落實及滲透，導致計算思維核心概念體現在教材層面的因教材而異、講授層面教師的隨心所欲和理解層面學生的千差萬別。表2是我們結合多年教學研究及實踐經驗整理的計算機基礎3個領域內容與計算思維知識點融合的內容體系布局。

3.3 計算思維的培養及計算機基礎課程的核心價值定位

綜合分析課程面臨的危機以及受其培養學生具備的通用計算手段與社會急切期盼學生掌握的專業計算手段之間的巨大鴻溝，我們認為計算機基礎課程改革的探索點必須是強化思維性教學，強調計算思維特別是可實現思維的頓悟與培養，以思維引導輻射一系列的相關知識技能塊。我們以0、1思維和遞歸思維的例子說明思維與知識的雙向流程。

3.3.1 0、1思維

以計算機中的二進制編碼為例，如果單純從知識的角度，這些內容可講可不講，但從0和1思維角度考慮，這是計算機及其自動化基本思維的任督二脈，將此二脈打通對于學生們此后掌握與信息相關的通用及專業方面各知識點有醍醐灌頂之效。例如，按如下順序為學生講授二進制的現實表示與存儲時，現實世界可以表示為0和1→用0和1可進行邏輯與算術運算→0和1可以用電子技術實現→用二、三極管等實現基本門電路→組合邏輯電路實現→芯片（層次化復雜組合邏輯電路）。一路沿線均涉及大量的相關學科知識和應用領域，對學生今后的專業知識研究與拓展有提綱挈領功效。0和1思維可以相關到描述現實世界的“陰爻”和“陽爻”易經知識；用0和1進行邏輯與算術運算涉及布爾代數、電工電子等學科領域知識；用晶體管實現基本門電路涉及模擬、數字電路、信號與系統學科領域知識；用0和1思維構造層次化復雜組合邏輯電路，涉及芯片組、人工智能等應用領域學科知識；而計算機之間的聯結，形成網絡上信息的互通，構成了我們依賴程度越來越深的網絡世界，這是用0和1思維將人類生存的模擬世界轉換為數字世界，形成實體與虛擬兩個世界交互纏結的新景觀，如圖2所示。

3.3.2 遞歸思維

遞歸顧名思義分為遞（反復、遞減）和歸（歸路、出口），在自然界，我們遇到一個不會解的問題，都會盡量想辦法把這個問題拆解分治，這就是“遞”的思維，當然遞的次數有可能出現無窮，“遞”的目的是找到“歸”出口，即解決問題的歸宿。對于人類來說，反復的“遞”實在太枯燥和低效，就像那個著名的笑話“從前有座山……”但是計算機的計算能力相當強，而且會快速不厭其煩地反復“遞”下去，直到“歸”出現，求得最終的解，因此遞歸就是一種典型的計算思維。遞歸思維涉及的學科知識與應用領域多到令人贊嘆，如圖3所示，涉及視覺美學的德羅斯特效應（Droste effect）、傳媒及心理學領域電影——盜夢空間（Inception）、計算機中文件夾的復制、掃雷游戲的設計、圖的搜索、回溯、《禮記·大學》的“古之欲明明德于天下者，先治其國……”修身齊家治國平天下名篇、漢諾塔問題（Tower of Hanoi）、斐波那契數列（Fibonacci Sequence）以及由這個數列構成的與植物學中關系極為密切的級數，如所有花朵的花瓣數、菠蘿表皮方塊形鱗苞形成兩組旋向相反的螺線、向日葵花盤等[4-5]。

這樣，我們實施計算機基礎通識教學時，在有限的課時內，抓住一點（0和1思維、遞歸思維）能夠帶動影響一面，一方面，為日后學生們在各自專業領域學習時能夠事半而功倍；另一方面，為學生隨著知識技能的不斷積累，化繁為簡，在各學科、各領域之間尋找規律、提煉共性思維等方面提供借鑒之處。這正是實現思維“落地”與眾多學科交叉的雙向互動教學模式精髓體現的實例，讓青年學生能在雙向互動的教學模式中，形成各知識點間環環相扣、層層推導的思維意識。

計算思維的核心概念還有很多，教師須從學生喜歡并易于接受的案例入手，將各核心思維的概念和思維方法顯現出來，并引導學生將其應用于各自學科研究及現實應用領域中，實現各核心思維的“落地”效果。計算機基礎課程的核心價值就蘊含在計算機學科知識中，建立在可實現基礎上的能夠實現雙向互動的思維教學上。雙向互動的思維性教學理念可概括為知識隨著思維的講解而展開，思維隨著知識的貫通而形成，能力隨著思維的理解和訓練而提高[6-7]。

4 大學計算機基礎“寬專融”的課程體系構建

面對知識膨脹與學時數壓縮的雙向夾逼，計算機基礎課程若采取緊隨技術更新步伐、注重技能不斷提升的教學改革方向，必然導致“狹義工具論”的課程定位以及遭受質疑的危機后果。那么，計算機基礎課程如何定位及其課程體系如何構建，才能在有限的學時內既讓學生掌握通用計算手段，又為其向專業計算手段的躍遷提供有效的途徑？我們提出了基于計算思維的基礎課程核心價值平臺上的“寬專融”大學計算機基礎課程體系，如圖4所示。

“寬”是指通識型課程，“專”是指專業型課程，“融”是指交叉型課程。通識型課程服務于學校公共基礎教學和基本素質培養，以培養學生對計算機系統的基本理解和對計算工具的應用技能，同時在教學過程中注重學生對核心計算思維的提煉意識與演繹。專業型課程根據不同專業類別的需要，圍繞相應的計算機技術來組織課程內容，深入講解若干種具體的計算機應用技術。交叉型課程則是隨著計算技術在各專業領域應用的不斷深入而產生的一類新的課程形式，這些課程不僅在內容上以相應專業為背景并融合計算機技術，同時還可以反映出各學科領域新的發展方向。

對于不同辦學層次的各個高校而言，計算機基礎課程設置不僅要考慮計算機教學的基礎課特性，而且須考慮各專業人才培養時其計算工具的應用特點，各專業分門別類、各成體系，其知識點更似繁星點點。如何打破計算機系統平臺環境使用技能與各專業實踐應用所需的計算技術之間的屏障，即實現計算機基礎通識類課程培養的通用計算手段向各專業計算手段的躍遷，唯有尋找到計算機基礎知識體系中各知識點的規律并提煉共性，沉淀成一個個可實現的核心思維，才能融聚成一個個核心思維的基礎通識類課程，這就如同蒲公英一樣，學生們在基礎課程中掌握的每個核心思維像一顆顆種子，將引導并加快其在各自專業領域計算技術的掌握進程。

5 結 語

在當前的信息化社會，計算機基礎作為非計算機專業學生的第一門計算機通識類課程，如何讓學生有能力適應瞬息萬變的外部環境是學習本門課程的關鍵。我們立足于計算思維培養的理念，提出了基于知識的技能傳授向基于應用的思維能力培養轉換的教學改革思路，定位了計算機基礎課程的核心價值，基于計算機基礎課程核心價值平臺構建了“寬專融”的大學計算機基礎課程體系，充分考慮其如何與各專業教育良好結合，從而為各非計算機專業學生掌握通用計算手段向專業計算手段的躍遷提供了有效途徑。

基金項目：山西省高等學校教學改革項目（J2013072）；山西省軟科學基金資助項目（2013041069-03）；山西大同大學教學改革項目（XJG2014219）；山西大同大學大學生創新創業重點項目（XDC2016116）。

第一作者簡介：王文軍，男，副教授，研究方向為數據庫技術與數據挖掘、圖分析與可視化研究，wwjwajun@126.com。

參考文獻：

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（編輯：宋文婷）