計算機基礎與計算思維相結合的“計算機導論”課程知識體系構建研究

馬思根 劉文江

摘? 要： “計算機導論”作為計算機類學生的第一門專業基礎課程，構建好這門課程的教學知識體系，為后續課程打好專業基礎，并培養學生的計算思維和創新能力，激發學生的專業學習興趣，顯得尤為重要。文章從分析國內高校“計算機導論”課程教學的狀況出發，結合我校在該課程近幾年教學范式改革中探索出的經驗，提出了計算機基礎與計算思維相結合的課程教學改革方案以及課程的教學知識體系。希望能為承擔該課程教學的同行提供借鑒。

關鍵詞： 計算機基礎; 計算思維; 計算機導論; 課程知識體系

中圖分類號：TP311.1-4;G642.0? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）05-87-04

Abstract： "Introduction to Computer" as the first professional basic course for computer majored student， it is particularly important to construct the knowledge system of the course for teaching， in order to lay a good professional foundation for the follow-up courses， cultivate students' abilities of computational thinking and innovation， and stimulate students' interest in professional learning. Based on the analysis of the current teaching situation of "Introduction to Computer" course in domestic universities， and combined with the experience of teaching paradigm reform in our university， this paper puts forward the teaching reform direction of combining computer foundation with computational thinking， and the knowledge system of the course for teaching， hoping to provide reference for colleagues who undertake the same course teaching.

Key words： computer foundation; computational thinking; introduction to computer; knowledge system of the course

0 引言

計算機導論是計算機類專業大學一年級新生的第一門專業基礎課，該課程肩負著引領學生進入計算機學科大門，系統地向學生介紹計算機學科基礎知識，構建學科專業知識體系框架，并提高計算機實踐應用能力的基本教學任務。同時，課程還必須跟蹤計算機學科的發展趨勢及最新進展，開展探索性學習，培養學生的計算思維能力和專業素養，強化學生的創新能力和創新意識，激發學生探索計算機科學的興趣等教學職責。

近年來，我國高校為了提高教學質量，各種教學改革在不斷推陳出新。在大學計算機教學中有目的地引入計算思維，并且加以適當的訓練，有利于提高學生對計算機科學的理解和認識，有利于訓練學生的科學思維[1-5]。可見，計算思維能力的培養已成為國內外計算機教育的重點研究課題[6]。因此，計算機導論課程教學要在介紹計算機基礎知識、訓練計算機基本應用操作技能和指導專業學習方法的基礎上，還要著重培養學生具有計算機學科的思維能力，使學生領會從事本學科工作的價值所在和計算機學科的力量[7-8]。課程的知識體系構建不僅針對課程教學本身，還要從計算機類專業學生整個大學的計算學科思維能力構建出發，只有站在這樣的高度去構建課程教學知識體系才更科學。

1 計算思維及其特征

計算思維（Computational Thinking）被認為是繼實證思維（以物理等學科為基礎）和邏輯思維（以數學為基礎）之后第三種最重要的思維模式。計算思維就是運用計算機科學的基本概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等，它涵蓋了計算機科學廣度的一系列思維活動[9-28]。這是周以真教授給計算思維的定義，同時她還給出了計算思維更詳細的七種描述和六大特征，其核心是計算思維強調思維方法，思維方法是人的，不是計算機的。也就是說，雖然計算思維是用計算機學科中的算法與策略來分析和解決問題，但是跟一般思維技能類似，是一種計算機可以執行的解決問題方法，在這種方法或運算邏輯規范下，不同的輸入數據會得出與其對應的相對獨立的輸出結果。因此，從計算機科學的視角出發，計算思維嚴格來說只是算法思維邏輯，是用系統的方法描述解決問題的策略或思路，與具體計算機硬件和軟件本身無關，可以針對某個算法思維邏輯，開發出可運行于其他不同硬件及操作系統平臺上的程序或應用軟件系統。計算思維適用于學習和從事各種專業的人們，而不僅限于計算機類專業人才。

2 以往課程教學內容及其存在的不足

計算機文化基礎課程教學在我國高校已有三十多年的發展歷史，現在已經發展成為類似英語、高等數學、政治理論、法律基礎等課程一樣普及和重要的基礎課程。三十多年來，計算機基礎課程始終跟隨社會經濟發展的需要不斷進行改革，調整課程教學內容和方式、方法，以不斷適應人才培養的需求。

一直以來該課程無法形成普遍共識的課程教學知識體系，沒有像高等數學、大學英語那樣在全國普遍認可的統一教材及課程教學內容和實施方案，但是大體上離不開以下幾種情況：①有些高校把面向非計算機專業學生開設的計算機文化基礎課程與專門為計算機類專業學生開設的計算機導論課程的內容雷同;②有些高校把專門為計算機類專業學生開設的計算機導論課程與面向非計算機專業學生開設的計算機文化基礎課程完全割裂開來，兩門課程的內容幾乎完全不一樣;③有些高校對計算機導論與計算機文化基礎課程進行了教學內容上的區分，但前者主要強調計算機理論基礎，即計算機原理，后者主要強調計算機應用，即Office辦公軟件操作，兩門課程均未適當引入計算思維的教學內容。不管是哪種情況，均不能體現計算機技術學科發展，沒有提升學生處理問題，特別是利用計算機知識和計算思維解決各種專業問題的能力，也沒有很好的適應社會經濟發展對人才培養的需要。

近年來，雖然不少高校明確在計算機基礎教學中把計算思維能力的培養作為核心任務[13]，加強以計算思維能力培養為核心的計算機基礎教學課程體系和教學內容的研究[29-31]。并不斷加強以計算思維能力培養為核心的計算機基礎教學課程體系和教學內容的改革與創新[32]。但是，通過考察這些高校的計算機導論課程教學內容和知識體系不難發現，不少高校在強化計算思維能力培養的同時，卻忽略了計算機基礎知識和專業學習方法的導入，而且在實踐教學部分沒有做到不斷提升運用計算思維來處理問題的綜合能力，造成了學生后續專業課程學習的困惑，沒有為后續課程建立應有的專業基礎。可見，計算機導論課程不僅要給計算機類專業學習打好計算機學科基礎，還需要培養學生具有“計算思維”能力，還更要使學生因具有計算思維而提升其學科創新能力。

3 課程知識體系的構建與實施

計算機導論課程的知識體系構建應以計算機基礎理論、計算思維和實踐能力培養為主線，采用“理論基礎+計算思維+實驗提升”的培養方式，既要為計算機類專業內不同專業、不同層次學生打好計算機專業基礎，又要能提升不同層次學生的自主學習的積極性和探索性。

課程知識體系中的理論基礎部分以理解計算機基本原理和計算思維學科概念及原理為目標，從認識問題、理解問題、組織問題、解決問題為出發點，再到計算思維的理解和建立過程。強調認識和理解計算思維的本質，為通過計算思維程序設計實驗來實現計算思維的基本過程做鋪墊，避免理論知識體系的大跨度跳躍[4]。理論基礎包括計算機系統基礎、數字系統及數據表示、網絡基礎知識、規模數據的有效管理、復雜問題的處理和計算思維基礎等。實驗提升部分是在理解計算機理論知識的基礎上，以培養計算思維能力為目的，從認識、組裝計算機硬件，到軟件系統安裝，強化各個實踐操作環節，培養學生利用計算機解決專業實際問題的能力，包括硬件系統組裝及維護、日常信息管理、操作系統管理、網絡與數據共享應用到計算思維程序設計等環節，課程知識體系如圖1所示。

基礎理論部分主要是通過學生預習、教師課堂講授、課后學生作業鞏固等環節，讓學生對計算機學科的發展，計算機基本概念、原理及組成，計算機類專業的基本知識體系，計算機學科方法和計算機思維等有一個廣而不深的理解。實驗操作環節是課程教學的重要組成部分，更是應用提升部分，在實驗操作的各環節設計時，應堅持“分層指導、分組實驗、互助學習、理論與實踐并重、課內與課外互補、必做實驗與選做實驗相結合”的原則，建立多層次的實驗教學體系。同時，通過網絡媒體資源、QQ和微信等其他靈活的溝通交流方式指導和督促學生自主學習，培養學生們的自主學習習慣。課程實驗采用課內集中、課外分散，按組實驗和自主實驗相結合的方式開展。其中，集中實驗根據課程進度，安排到統一的實驗室;分組實驗可在課內集中實驗時進行，也可由組里成員商定實驗時間，并分工協作完成實驗相關內容;自主實驗的自由度較大，學生可以利用自己的電腦或學校內外公有實驗室完成實驗任務。具體實驗項目分為計算機硬件和軟件系統組裝實驗、Office辦公軟件及基本圖像處理訓練實驗、Windows 10系統管理實驗、網絡基礎應用實驗和計算思維訓練實驗等。在確保實驗質量的基礎上，根據學生的能力和層次適當增加一些綜合性、創新性實驗。整個實驗開展過程采取分層次、循序漸進的模式，由淺入深、由簡單到綜合、再由綜合到創新，課內課外結合[33]，做到不同層次的學生兼顧，并鼓勵基礎好的優秀學生發揮自主創意、獨立或組隊完成水平較高的創新性實驗[34]。

4 結束語

我校在計算機導論課程教學范式改革過程中，對2015級學生開始引入計算思維，將其作為課程教學的重點。平衡好計算機基礎與計算思維的教學內容，包括在實驗操作環節的銜接和提升，這是此課程知識體系構建的核心。通過幾年的課程知識體系構建和教學實施，使計算機導論課在保證原有計算機基礎教學知識內容的基礎上，著重計算思維的培養，其過程貫穿于計算機基礎日常管理、網絡與數據共享、計算思維基礎程序設計，以及綜合創新性實驗等各節。其實，面向計算思維的計算機導論課程知識體系構建與實踐，就是將計算思維通過計算機基礎理論的教學與實驗，并輔助以專門計算思維程序設計實驗，使得計算思維教學滲透到學生的日常學習思維活動中，進而為提升其自身創新思維和創新能力奠定基礎。

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