新時期大學計算機教材及實驗內容重構方案

張 龍，李鳳霞，劉 茜

（1. 高等教育出版社，北京 100029；2. 北京理工大學 計算機學院，北京100081）

0 引 言

2010年左右，隨著移動通信、物聯(lián)網、云計算、大數據等新概念和新技術的出現(xiàn)，社會經濟、人文科學、自然科學等許多領域引發(fā)了一系列革命性的突破。美國卡內基·梅隆大學周以真教授（Jeannette M. Wing）提出并詳細闡述了計算思維概念[1]，陳國良院士進一步結合中國大學計算機教育解釋了計算思維并提出“以計算思維為導向”的改革總目標[2]，國內9所高校提出“以計算思維為核心的大學計算機基礎課程教學改革”的聯(lián)合聲明，標志著我國大學計算機基礎教學進入了以計算思維為導向的大學計算機課程改革新階段。

1 大學計算機課程改革的必要性

各行各業(yè)對計算機技術的需求不斷變化，中小學信息技術教育的快速普及，都成為大學計算機課程面臨的挑戰(zhàn)。如何在大學計算機課程中體現(xiàn)類似大學數學、大學物理等基礎性學科的核心教學理念和穩(wěn)定的課程內容，是近年來計算機基礎教育工作者關注的焦點問題。

1.1 需求牽引下的計算機科學軟、硬件系統(tǒng)新變化

CPU從單核、多核到眾核，網絡從傳統(tǒng)網絡到通信網絡，存儲從原來的簡單存儲到現(xiàn)在的存儲和計算融合，體系結構從馮·諾伊曼模型到量子計算機，應用從單機應用到網絡應用，計算機技術日新月異。計算機技術與社會經濟、人文科學、社會科學等各個領域全方位融合，向著智能化方向快速發(fā)展。高校各學科的發(fā)展都離不開計算機技術的支持；同時，計算機技術融入其他學科的發(fā)展，更好地體現(xiàn)出魅力和價值。因此，學科的發(fā)展迫切要求大學計算機課程內容與時俱進。

1.2 信息技術基礎教育發(fā)展推動下的課程標準新變化

2017年國家頒布的《普通高中信息技術課程標準》明確指出：“信息技術學科核心素養(yǎng)由信息意識、計算思維、數字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任4個核心要素組成。”高中信息技術必修課程包括數據與計算和信息系統(tǒng)與社會兩個模塊。高中信息技術選修Ⅰ包括數據與數據結構、網絡基礎、數據管理與分析、移動應用設計、三維設計與創(chuàng)意、開源硬件項目設計6個模塊。高中信息技術選修Ⅱ課程包括算法初步、智能系統(tǒng)初步以及各高中自行開設的信息技術校本課程。高中階段信息技術課程教學內容的提升，也在倒逼大學計算機課程改革。

1.3 計算思維內涵建設常態(tài)化背景下師生狀態(tài)的新變化

信息技術與網絡技術日新月異，需要高校教師不斷更新知識結構、拓展技術視野，才能與時代同行，講授學科前沿及本質的教學內容。另一方面，有的學生已經成為互聯(lián)網時代的原住民，但有的學生還沒有接觸到計算機，學生信息技術水平差距巨大。這些都是擺在教師面前的難題。大學計算機課程的改革不僅要從課程內容上深入研究，更要從教學方法、教學手段、教學資源建設方面尋求改革的突破口。

教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會推動了以計算思維為導向的大學計算機課程教學改革進程。2011年以教育部高等教育司“大學計算機課程改革項目”研究為契機，教指委組織北京理工大學、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校圍繞若干重要問題展開深入研究，形成了重要共識：大學計算機課程作為通識教育的重要組成部分，應該講授“計算學科中不變的東西”和“利用計算機解決各學科問題的一般方法”，將教學內容由“基于知識的技能傳授”向“基于應用的思維能力培養(yǎng)”的轉變。學生不僅要了解計算機是什么，計算機能夠做什么、如何做，而且還要知道計算機學科解決問題的基本方法與特點，即學習計算機學科領域解決問題的基本思維方法。

從教學實施的角度，亟需基于以上共識建設一大批教學案例和教材，為高校教師提供具體的教學資源和支撐條件。

2 大學計算機課程的教材內容重構方案

教材的內容組織應當反映新的教學理念，只有從全新的視角規(guī)劃教學內容，以計算機問題求解為主線，突出計算理論與計算機科學方法，并在教學內容中滲透計算思維的基本概念，才能夠適應新形勢下的人才培養(yǎng)需求。重構方案見表1。

這個方案在內容結構上進行了大幅調整，由軟件工具教學置換為面向計算機科學和計算問題的理論基礎、技術和方法。開篇第1章直接討論問題抽象與建模方法，引出計算機科學的知識領域，試圖告訴學生計算機科學家在思考什么，基于計算機能做什么。第2章從計算機中的“數”與“碼”兩個方面闡述計算機信息表示和處理的基本概念和數字化方法，以展示計算機科學的思維方式——形式化。隨后在第3—5章介紹了計算機應用的三大平臺，強調了計算機的自動化控制原理、資源管理機制和基于系統(tǒng)平臺的網絡計算服務，充分體現(xiàn)了“用計算機科學的基礎概念進行問題求解和系統(tǒng)設計”的技術路線。最后用兩章的篇幅討論計算、算法與程序設計問題，闡述計算的本質和計算機應用的理論問題，幫助其他專業(yè)的讀者從計算機科學中找到對計算需求的支持。

由高等教育出版社出版、北京理工大學教師編寫的《大學計算機》[3]是根據教指委制定的《高等學校大學計算機基礎課程教學基本要求》出版的新型教材，展現(xiàn)了重構大學計算機課程教學內容的一種方案。

教材體現(xiàn)的重構方案體現(xiàn)了幾個鮮明的特色。

（1）“以計算思維為導向”的基本思路。對工具軟件主導的傳統(tǒng)內容進行了顛覆性革新，強調面向問題的計算思維。在內容上安排了體現(xiàn)“問題求解、系統(tǒng)構建”的計算機科學體系，有助于學生形成計算機思維理念的培養(yǎng)，也嵌入了新技術、新思路和新應用的有關介紹。

（2）“以問題導入主題”的框架結構。結構設計上在每章開頭都采用了“問題導入”形式，在敘述中插入了多個“情景問題”，構成了具有鮮明特色的問題導向框架。這個框架實質上是一個科學問題鏈，需要讀者在分析問題的過程中深入思考，領會計算思維的“問題求解”方法。

（3）“以新技術新方法為牽引”的基本方法。以新技術新方法為起點，展開各學科需要的計算問題的內容，諸如計算、算法、高性能、大數據以及諸多學科問題等，前瞻性和基礎性并舉，引導學生從構建系統(tǒng)層面分析問題，從技術支持角度思考問題，從面向應用出發(fā)解決問題，拓寬視野，體會計算機文化的精髓和價值。

3 大學計算機課程的實驗體系創(chuàng)建

以計算思維為核心的大學計算機課程教學內容的組織，強調對計算系統(tǒng)和環(huán)境的理解，突出計算機技術與專業(yè)技術領域的深度融合。那么，與之對應的大學計算機課程實驗內容也必然發(fā)生變化。為此，教材作者團隊對大學計算機課程實驗內容也進行了重構，梳理了大學計算機課程的技能點，并針對計算機科學的基本理論和系統(tǒng)概貌專門設計演示驗證性實驗。實驗內容重構方案見表2。

表1　教材內容重構方案

表2　實驗內容重構方案

同時，北京理工大學國家仿真虛擬實驗團隊依據實驗內容，專門開發(fā)了“虛擬實驗軟件”，采用了虛擬現(xiàn)實、圖形圖像、可視化、人機交互等多種技術，將所有實驗以虛擬軟件方式呈現(xiàn)[4]。虛擬實驗軟件具有顯著的特點。

（1）虛擬實驗具有直觀性，讓流動的信息可見，有助于教師更好地講授復雜的計算機概念，降低課程教學難度，例如“字符編碼與信息交換”“一條指令的執(zhí)行過程”。這些看不見摸不著的概念，既無法通過操作系統(tǒng)直接展示，又很難講解字符的編碼過程和指令的執(zhí)行過程，通過虛擬實驗讓該教學難題迎刃而解。

（2）虛擬實驗具有交互性，讓微觀的結構可及，有利于讀者直觀地理解計算機的內部結構及原理，同時降低教學設備投入成本。例如“圖靈機模型與計算機硬件系統(tǒng)虛擬拆裝”，在計算機硬件設備有限的情況下，可以組織學生在虛擬試驗中反復試驗，明白計算機中每一個硬件的位置、作用及運行原理，然后再實際操作，提高實驗效率。

（3）虛擬實驗可以完成在實際環(huán)境中無法完成（或者代價較大）的操作，例如“文件管理與磁盤恢復”“云計算與虛擬服務”。通過這些實驗可以使學生最大限度地掌握實際系統(tǒng)的操作方法，強化理論與實踐的鏈接，使學生更容易理解和接受整個教學過程。

4 結 語

虛擬實驗軟件目前已經在北京理工大學、合肥工業(yè)大學、北京工商大學等20余所院校中應用，通過北京理工大學創(chuàng)建的虛擬實驗工場，向各高校提供大學計算機虛擬實驗課程內容，以便各高校學生在其中完成實驗練習。目前北京理工大學、北華航天工業(yè)學院、北方工業(yè)大學、華北理工大學、齊齊哈爾大學等高校各自有近2 000學生進行虛擬實驗練習。實踐證明，用虛擬仿真方法促進實驗教學改革，為推動計算思維能力培養(yǎng)的大學計算機課程改革具體落實提供了一個可行的實施方案。

參考文獻：

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

[2]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): 7-11.

[3]李鳳霞, 陳宇峰, 史樹敏, 等. 大學計算機[M]. 北京: 高等教育出版社, 2014.

[4]李鳳霞, 陳宇峰, 李仲君, 等. 大學計算機實驗[M]. 北京: 高等教育出版社, 2013.