基于“計算思維”的計算機公共課程教學模式研究與實踐
——以西安航空學院計算機公共課程為例

任 靜

(西安航空學院 計算機學院，西安 710077)

0 引言

近年來，隨著電腦的普及，人們的計算機應用能力有所提高。但一些高校在計算機公共課程作用的認識方面存在著偏差，認為多數學生對計算機知識已有一定的掌握，在教學中偏重于計算機理論知識或者計算機實際操作的講授，忽視了對學生 “計算思維”能力的培養。

2010年7月 ，北京大學、清華大學、浙江大學、復旦大學、上海交通大學、南京大學、中國科技大學、哈爾濱工業大學、西安交通大學組成了“九校聯盟”，在西安交通大學召開了第一屆“九校聯盟計算機基礎課程研討會”，并發表了“計算機基礎教學發展戰略聯合聲明”，聲明指出：“培養復合型創新人才的一個重要內容就是要潛移默化地使他們養成一種新的思維方式，運用計算機科學的基礎概念對問題進行求解、系統設計和行為理解，即建立計算思維。九校聯盟(C9)旗幟鮮明地把培養具有國際競爭力的高級人才的計算思維能力作為計算機基礎教學的一項重要的、長期的、復雜的核心任務，為國內高校的計算機公共課程的教學引領了方向，樹立了標桿。”[1]

由此可見，計算機公共基礎課程教學中“計算思維”能力的培養對提升大學生的創新能力，提高大學生的整體素質有著非常重要的作用。

1 我校計算機公共課程的研究現狀

我校計算機公共課程主要包括“計算機文化基礎”、“程序設計基礎”兩門課程，這兩門課程都是有利于培養學生計算思維的重要課程。

新形勢下，對計算機公共課程的改革非常必要。要通過教育教學理念的轉變，教學內容的改革，教學方法和手段的創新，不斷提升大學生計算機文化素養。

對于我校開設的計算機公共課程，課程組通過在新生中開展問卷調查、編寫基于“計算思維”任務驅動式教學模式的教材、編寫基于問題求解教學模式的教材、編制試題庫、修訂完善考核方法、進行MOOC建設等五個學期一系列的教學改革實踐，取得了一定的成績。

2 我校計算機公共課程的研究與實踐內容

2.1 研究內容

(1)基于“計算思維”的教學模式在計算機公共課程教學中的應用實踐。我校選取了 “程序設計基礎”和“計算機文化基礎”兩門計算機公共課程，并通過這兩門課程的教學進行基于“計算思維”的教學模式應用實踐，同時驗證計算思維在計算機教育教學中起到的積極作用。

(2)建設“計算機文化基礎”MOOC和“程序設計基礎”課程學習網站。在“計算機文化基礎”和“程序設計基礎”課程教學過程中充分融入“計算思維”的核心思想，設定“以學生為中心，以任務為導向”的教學模式，將任務逐步分解為知識點。知識點的拆分遵循“小而精”的原則，圍繞知識點提供微課視頻、在線測試、習題作業、在線討論等多方位教學模塊資源，循序漸進地提高學生的學習效率，培養學生的計算思維。運用網絡學習平臺實現隨時隨地教與學，對學習平臺的教學內容進行不斷的完善與改進，使計算思維在網絡自主學習模式中得到進一步的體現。

2.2 采用的方法

2.2.1 任務驅動式教學模式

任務驅動式教學屬于一種基于“計算思維”的教學模式，在這種教學模式中，教師主要負責提出任務、演示任務操作過程、輔導學生完成實驗、對內容和問題進行總結歸納、布置課后作業。學生在教師的指導下，通過查閱資料、相互討論，利用計算機科學的思維和方法分析和解決問題。我校計算機驅動式教學模式的實驗任務，主要選自于學生進入工作崗位承擔的“經理助理”在一年中不同階段的工作任務，如制作“員工之家”期刊、制作產品銷售年報、制作公司產品宣傳演示文稿等，通過這些工作任務促進學生的求知欲望。學生在教師的指導下，通過自主學習和小組相互合作，在思考和動手實踐中逐漸培養計算思維的能力。

2.2.2 基于問題求解的教學模式

2006年，周以真教授首次提出“計算思維”的概念，其中就包含“問題求解”的思維活動。教師通過對計算機領域一些經典問題的分析，求解過程的詳細講授，培養學生的計算思維能力。經典問題有：梵天塔問題、博弈問題、背包問題、判斷誰在說謊問題、哲學家共餐問題，等等。將案例所蘊含的計算思維與方法滲透其中，以此來培養學生的計算思維能力[2]。

2.2.3 構建基于“計算思維”的網絡自主學習模式

基于“計算思維”的網絡自主學習模式主要是將教師的教學指導行為和學生的自主學習行為結合起來，達到合理利用網絡資源的目的，釆用先進科學思維方法獲取知識，學會自我思維，自我獲取有效信息，掌握解決問題的思維方式[3]。我校基于“計算思維”的網絡自主學習模式主要體現在構建了“計算機文化基礎”MOOC和“程序設計基礎”課程學習網站。

3 研究過程

3.1 研究準備階段

在研究的準備階段，主要通過收集目前有關計算思維方面的各種材料，包括理論資料和實踐材料等，開展對當前高等教育計算機公共課程教學現狀的調查和研究。采用調查問卷、查閱等方法，對計算機公共基礎課程教學中“計算思維”方法的運用情況進行有計劃、有系統的研究，并對“計算思維”相關學科的資料進行分析、比較、歸納，為整個研究的完成打好基礎。

3.2 理論探究階段

在理論探究階段，主要在理論層面上摸索探討“計算機文化基礎”、“程序設計基礎”課程教學中的“計算思維”的思維原理、思維方法的運用以及思維能力的培養，包括計算思維的發展歷史，在教學中如何應用計算思維方法，在教學中如何培養計算思維能力，如何發揮計算思維在教學中的作用以及計算思維在整個教學過程中的地位等，并采用了描述性法及多種思維方法。

(1)描述性法。對“計算思維”在最初定義的基礎之上，將前人在計算思維方面取得的研究成果通過自己的理解驗證、加工改進，賦予其新的定義和解釋，并得到計算機科學界以及教育界學者們的認可，接受采納并融入“計算思維”的計算機公共課程教學模式中。

(2)思維方法。計算思維是一種思維，是一種解決問題的方式，教學中可使用歸納演繹、類比推理、綜合分析等方法。這種思維將問題分解成大小不同的部分，并且利用所掌握的計算知識找出解決問題的辦法。計算思維能增強學生解決模糊的、復雜的或開放性問題的自信心，因此，任何學科背景或年齡段的學生都應該學習培養個人的計算機思維能力，這是一種讓人受益的技能。

3.3 教學實踐階段

本階段主要是承接上述部分的理論探究，在教學實踐中構建以“計算思維”為導向的課程內容，運用計算思維方法進行課堂教學。

首先設計了“計算機文化基礎”、“程序設計基礎”課程，設計了任務驅動式的教學模式和基于問題求解教學模式的教學方案，圍繞計算思維方法和計算思維能力的培養，構建基于“計算思維”的任務驅動式教學模式，并將其應用到“計算機文化基礎”、“程序設計基礎”兩門課程的教學當中。通過對教學內容進行深入的了解和分析，培養大學生的創新能力。

在“計算機文化基礎”課程教學中，教師將知識點巧妙地融入教學任務，圍繞實際“任務”展開教學。老師引導學生帶著真實的“任務”進入學習情境，給學生親切感，激發學生的學習熱情[4]。在“程序設計基礎”教學過程中，老師要適當的引導學生進行計算機程序的設計，重視教學課程的整體結構，利用一些案例進行課程內容的講解，激發學生們的學習興趣，教學中要以培養學生的能力為主導[5]。

另外，為滿足新形勢下以“計算思維”為導向，突出重基礎、強能力的基礎教學，構建了“計算機文化基礎”MOOC和基于“計算思維”的“程序設計基礎”課程教學網站，進一步補充了課外教學內容。

3.4 總結評析階段

這個階段主要是針對整個基于“計算思維”的計算機公共課程教學模式的研究與實踐效果，包括“計算機文化基礎”MOOC的教學效果，“程序設計基礎”網站的使用效果等，從網絡平臺使用、學生成績、學生問卷調查等多個方面進行分析、評價與總結。

4 研究成果與不足

4.1 成果的主要內容

為了培養學生的計算思維能力，使計算思維更好地應用于“計算機文化基礎”和“程序設計基礎”等計算機公共基礎課的教學中，我校進行了基于“計算思維”教學模式的研究，取得了以下主要成果。

(1)建立了“計算機文化基礎”MOOC，并將“計算思維”教學模式中的任務驅動式教學模式融入到MOOC教學中。

(2)對于“程序設計基礎”課程，完成基于問題求解的教學模式的實施方案并將其整理編寫成自編教材。

(3)建立了“程序設計基礎”教學網站。

(4)發表了《應用型本科大學計算機基礎課程改革與實踐》學術論文。

我校基于“計算思維”教學模式研究成果的內容豐富，包括了兩門課程的實施方案，“計算機文化基礎”MOOC資源建設(視頻錄制、講義、題庫制作等)，“程序設計基礎”課程網站資源建設(動畫演示、視頻、教案、基于問題求解例題等)及相關教學改革論文。在“程序設計基礎”課程網站中包含有動畫演示，能夠更好地展現編程思路，有利于學生對編程方法的掌握。

4.2 不足之處

“計算機文化基礎”和“程序設計基礎”兩門課程在建設中還存在很多不完善的方面，需要在教學實踐過程中不斷的修改和完善。

“計算思維”教學模式中任務驅動式教學模式已融入到MOOC教學視頻中，2018年秋季將利用MOOC進行線上、線下混合式教學實踐。 基于問題求解的程序設計自編講義將進一步修訂，期待能夠更好地運用于教學中。

5 結語

本文通過在計算機教學中存在著偏重于計算機理論知識或實際操作的講授，忽視了對學生“計算思維”能力培養的問題，提出了以培養學生計算思維能力作為計算機教學的核心任務。選取了西安航空學院“程序設計基礎”和“計算機文化基礎”兩門計算機公共課程，采用了任務驅動式、基于問題求解、構建“計算思維”的網絡自主學習模式等方法，在教學實踐中構建以“計算思維”為導向的課程內容，運用計算思維方法進行課堂教學，提升了學生計算機知識自主學習的能力。通過基于“計算思維”的計算機公共課程教學模式的研究與實踐，對促進計算機教學方式的變革，促進教育資源共享，推動信息技術與高等教育深度融合有著一定的現實意義。