基于計算思維的大學計算機基礎課程改革研究與實踐

王梅娟，李 輝，韓敬利，鄭長友，蔣園園

（陸軍工程大學 指揮控制工程學院，江蘇 南京 210001）

0 引 言

現代教育對學生的培養強調“知行合一”的能力，以學生為主體的教學模式最終是思維能力的培養和實踐能力的培養。計算思維被提出后，逐漸被各學科吸收并不斷深入本科生能力培養模式中。

在新的人才培養方案下，軍隊院校大學計算機基礎課程是面向全校本科層次各專業開設的一門科學文化基礎核心課程，隨著社會高科技的發展和全國信息化教育的普及，課程建設經歷了信息理論—技能操作—計算思維理論的不斷變革，本科教育階段加強學生計算思維能力培養的必要性和意義已經得到認可。同時，計算機工具最終將面向學科交叉趨勢，依據計算機應用能力基礎，遵循學員“以計算思維方式分析解決問題能力培養”的理念，計算思維能力訓練導向在新大綱中尤為凸顯。

1 計算思維概述

1.1 計算思維起源

計算思維的概念形成很早，主要有算法思維和程序思維兩大分支[1]。

最初計算機采用“計算”這一概念的時候，就出現過“計算思維”這一常用名詞，同時也被稱為“算法思維”，指將問題轉換為從輸入到輸出的轉換過程，此時，計算機作為工具更多應用在數值計算中。

另一角度，隨著編程的普及和幼齡化，Papert 在使用LOGO 編程語言教授學生數學概念時發現，計算機編程可以影響學生的思維，于是很早將計算思維定義為“程序思維”[2]，強調解決問題時像“計算機一樣思考”，主張從兒童時期就應該開始接觸學習編程，從而將程序思維作為思維技能的基本組成部分，之后他又進一步基于程序思維界定了計算思維[3]，這一觀點得到了計算機科學領域部分學者的認可。

更廣泛被接納熟知的術語“計算思維（Computational Thinking）”是美國卡內基·梅隆大學周以真教授在2006 年提出的，“計算思維是一種使用計算機科學的基礎概念解決問題、設計系統和理解人類行為等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動”[4]，而她本人給出進一步的解釋，“計算思維是一種分析思維，在問題解決的不同階段會用到數學思維，在設計和評價復雜系統時會用到工程思維，在理解概念時會用到科學思維”[5]。這一定義比Papert 的“程序思維”更廣義，也得到更多學者的認可，因此，計算思維可以認為是解決問題的心智工具集[6]，是一系列思維技能[7]。

1.2 教學中的計算思維發展

在計算思維還未被教育學術界廣泛關注的時候，傳統教學中常見的思維訓練包括理論思維和實驗思維[8]。

理論思維是以推理和演繹為特征的“邏輯思維”，用假設/預言—推理—證明等理論手段研究社會/自然現象及規律；而實驗思維是以設計和構造為特征的“構造思維”，以計算手段研究社會/自然現象及規律。

然而，隨著社會/自然探索內容的廣度化和深度化，“傳統理論+實驗的手段”受到限制，實驗產生大量數據的一般規律很難通過人為分析觀察獲取，不可避免地需要計算手段實現理論與實驗的協同創新，而計算機的出現和發展自然而然地孕育了“計算思維”的誕生，計算逐漸成為現代化知識學習、科學研究的必要手段和必備能力，這也是在大學入學階段就開始培養學員計算思維能力的重要性。何欽銘等人在教指委《高等學校計算機基礎教學發展戰略研究報告暨計算機基礎課程教學基本要求》[9]的解讀中直接指明，大學計算機課程的教學目標應包括初步了解抽象級的問題求解方法，掌握語言及問題的求解技術，并根據專業的應用特征了解或掌握系統級或計算機系統級的問題求解方法[10]。

2 基于計算思維的課程分析

2.1 課程新大綱

根據中央軍委訓練管理部2018 年6 月頒布的軍隊院校教學大綱，大學計算機基礎是軍隊院校生長軍官本科教育各專業學員通用基礎課程中的一門科學文化課程，同時也是一門公共工具課程[11]。課程參考學時48 學時，一般安排在第1 或第2 學期。學員通過本課程的學習，應獲得計算機發展、軟硬件系統、算法、信息安全等方面的基本知識，掌握信息處理基本方法和多媒體技術，初步具備運用計算工具解決實際問題的能力，培養信息素養和計算思維。

新大綱知識導圖如圖1 所示。

圖1 大學計算機基礎課程新大綱知識導圖

在新的課程教學大綱要求下，在有限的課時范圍內，如果單一地以如此分散的理論知識點為貫穿組織教學，必然存在學時不夠的問題和課程實施枯燥乏味的難題，因此，大學計算機基礎課程應突破過去以計算機操作為主的教學模式，取而代之的是更多地教授計算機系統知識，強調課程的基礎性，突出體現對學員計算思維能力的培養，以解決問題為目標，貫穿知識點。

2.2 課程教學理念

BLOOM 認知模型是布魯姆等人在1956 年提出的關于認知學習領域教學目標的6 個層次，從低級到高級依次為知識/識記（Knowledge）、理解（Comprehension）、應用（Application）、分析（Analysis）、綜合（Synthesis）、評價（Evaluation），如圖2 所示。

圖2 基于BLOOM 認知模型的教學理念

高中以前學習的知識更多是前3 個層次的重復訓練，知道怎么做得到怎樣的結果，而大學培養的是學生后3 個層次的認知能力。

大學計算機基礎課程要本著借助計算機工具培養學員通過計算思維解決實際問題的理念，課程設計打破狹義工具論和計算機專業論，強調“問題”和問題的解決討論，引導學員學會從淺層面了解“怎么做”過渡到深層次理解“應該怎么做（分析）”“具體怎么做（綜合）”“還能怎么做（評估）”，幫助學員建立科學的研究習慣和思維邏輯，提高結合計算方法分析解決問題的綜合能力和評估能力。

2.3 學源學情分析

隨著全社會信息化水平的提升，大學入學新生的計算機操作技能更加成熟。根據近兩年問卷調查統計，學源學情見表1。

表1 近兩年學源學情調查

從數據結果可以很明顯地認識到，大學計算機課程基本操作訓練的必要性逐漸減弱；而計算思維對學科研究和任職崗位培養的重要性不斷增加。面對不同專業、不同類型的學員，他們將來的任職崗位或學科科學研究對學員計算機能力的需求在發生變化，不僅僅是會用計算機，還要會用計算機解決實際相關問題。

同時，學源組成復雜。學員來自全國各地，分布廣泛，而各地教育水平和對信息課程的重視程度差異非常大。面對同一教學班可能出現嚴重兩極分化的情況，分層教學、因材施教是必須考慮的課堂實施，而如何分層，最根本的解決方法是從思維訓練入手，授人以魚不如授人以漁。

3 大學計算機基礎課程改革與實踐

3.1 課程教學內容

結合新大綱要求和實際學情分析，大學計算機基礎課程內容在教學大綱的基礎上，充分考慮我校各專業的特點和要求，內容涵蓋大綱要求的九大主題，既包括計算模型原理，又包括計算實現功能，為學員提高抽象、應用能力提供了基礎。內容及課時分配見表2。

表2 大學計算機基礎課程內容組織及課時分配

3.1.1 理論教學知識體系

理論教學內容的目的是使學生在對計算系統及環境有所了解的同時，初步體會計算機問題求解的基本方式。

理論教學內容按其知識體系劃分為4 個知識領域，如圖3 所示。

圖3 理論知識體系

其中，系統平臺與計算環境知識是計算思維所依賴的計算環境基礎；算法基礎與程序設計知識涉及語言級的問題求解；數據管理與信息處理知識是系統級問題求解的基礎，也往往成為語言級問題求解的目標；系統開發與行業應用知識則直接涉及面向應用的系統級問題求解技術與方法。

3.1.2 實驗教學模塊

課程實驗教學具體以Python 實現問題求解為貫穿，如圖4 所示。

圖4 實驗模塊劃分

實驗內容緊扣計算機基本原理與實現（模擬圖靈機）、程序實現與算法優化（水仙花數、最小公倍數、素數、排序等）、操作系統功能與作用（進程管理、內存管理、文件管理、CPU 調度等）、數據庫技術與應用（數據庫管理、結構化查詢操作等）、網絡技術（socket 通信、郵件傳輸、網頁爬蟲）、多媒體技術（聲音數字化、圖像Huffman編碼等），通過計算問題的訓練，培養學員解決社會自然問題乃至各專業問題的計算思維模式。

3.1.3 課程改革建設對比

以計算機網絡技術為例，課程教學目標與內容設置在改革前后對比見表3。

改革后的內容設置從理論和實驗兩方面均加大和突出計算思維訓練有關的知識模塊，由靜態的知識概念向理解過程和應用過程轉變，通過Python 灌輸計算機解決問題的一般方法，形成并不斷提高通過計算思維的方式分析、解決問題的能力，以計算算法為輔助，提高計算機在各專業的應用工具能力。

3.2 課程教學實踐

3.2.1 教學方法

因為課程教學內容由“知識傳授、實踐操作”轉變為“思維引導、自主鍛煉”，加大和突出計算思維訓練有關的知識模塊，所以教學方法由“注入式知識傳授”轉變為“研究式能力培養”，通過Python 實現并體會問題解決的不同方式，引導學員體會知識背后所蘊含的計算思維規律和特點。

表3 計算機網絡技術教學改革對比

理論教學采用問題引導、深入淺出、案例分析、參與式學習、角色扮演等多種教學方式，提高學員對計算機科學的理解和認識，引導學員通過計算思維的方式分析解決問題，充分運用多媒體等教學手段輔助課堂教學，提高課堂教學效率。

實踐教學通過Python 實現了解計算機解決問題的一般方法，形成并不斷提高通過計算思維的方式分析、解決問題的能力，以計算算法為輔助，提高計算機在各專業的應用工具能力。

提供自主學習輔助資料，通過學員自主課外時間練習和實踐，提高學員利用計算思維分析問題的能力，提高利用Python實現問題求解的能力，提高借助計算機解決各專業不同問題的能力。

3.2.2 教學實施

因為教學目標由“偏重于計算機知識與操作培養”轉變為“利用計算思維解決實際問題能力培養”，所以教學實施過程也隨著目標和內容變化相應調整與改變。

1）教學形式由“單一的課堂教學”轉變為“多形式的互動交流”。

建設更加豐富的試題庫，由簡到難、由淺入深，并且作業區分難易度，鼓勵學員不斷升級挑戰；同時，實驗分組交流，相互學習，既能鍛煉學員的合作協調能力，又能緩解60 人以上大班教員的輔導壓力。

除了課堂授課、答疑、交流外，還鼓勵學員接觸建模、仿真等概念，與計算思維結合訓練。另外，在實驗班次引入網絡在線平臺Educoder，以趣味性的方式吸引學員闖關、練級，寓教于樂，充分利用學員課后時間鞏固知識點。

2）考核方式由“傳統單一”轉變為“過程化考核”。

建立以衡量綜合素質為依據的評價標準，采用理論考試、課后作業、課堂表現和上機實驗的多種方式綜合評定課程成績，按比例劃分為平時成績40%（20%實驗+10%作業+10%課堂表現）+考試成績60%。

4 結 語

我校大學計算機基礎課程歷經兩年開展課程教學研討與改革實踐，面對學科交叉趨勢，依據計算機理論與功能基礎，遵循學員“以計算思維方式分析解決問題能力培養”的理念，以Python實現計算相關問題為主線，圍繞知識矩陣，構建新的課程知識體系，同時立足教法創新，激發學員以不同思維解決問題，有效地將以教員為主的課程教學轉化為以學員為主的自主學習，改革效果顯著。

計算思維的教學導入任重道遠，我們還將進一步探索，為培養本科各專業學員的信息素養和工程素養奠定堅實的基礎。