基于計算思維的大學計算機課程改革與實踐

蹇柯 胡良蘭 王芳芳 尚新萍

摘 要：為適應計算機科學與技術發展，解決近年地方高校大學計算機課程教學存在的問題，提出以本科專業人才培養方案為綱，構建面向計算思維的“寬、專、融”課程體系;以課程教學大綱為目，重構教學內容，改革教學方法，形成一套整體課程教學改革模式。改革實踐表明，學生自主學習能力增強，應用能力提升，多人次獲國家級省級競賽獎項;近3年計算機等級考試合格率分別達到86.5%、93.8%、88.9%。結合學校具體情況實行以計算思維為核心的大學計算機課程教學改革是一種行之有效的方法，可供其它高校參考。

關鍵詞：計算思維;大學計算機課程;教學改革;地方高校

DOI：10. 11907/rjdk. 201828

中圖分類號：TP434文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0280-05

Abstract： In order to adapt to the development of computer science and technology， and solve the problems existing in the teaching of computer course in local colleges in recent years， this paper proposes to take the undergraduate professional talent training program as the outline， and constructs a suitable “broad， special， and integrated” curriculum system for computing thinking in City College of Dongguan University of Technology. Taking the curriculum syllabus as the target， the teaching content is reconstructed， the teaching method is reformed， and a set of overall curriculum teaching reform models is formed. Practice shows that students independent learning ability has been enhanced; their application ability has been improved， and many students have won national or provincial competition awards. In recent three years， the pass rate of College Computer Test is high， which is 86.5%， 93.8% and 88.9% respectively. It is an effective method to carry out the teaching reform of computer course with computational thinking as the core according to the specific situation of the university， which can be referred by other universities.

Key Words： computational thinking; college computer course; education reform; local colleges and universities

0 引言

隨著計算機科學與信息技術的不斷發展，大學計算機基礎教學需要隨之作相應改革，以適應時代和社會對人才培養需求。大學計算機基礎教學歷經20世紀70年代末的創始、20世紀90年代的普及和21世紀至今的深化提高3個主要進程，課程體系從“文化基礎—技術基礎—應用基礎”3個層次到“能力體系—知識體系—課程體系”3個體系深化，教學深度和廣度有了顯著提高。在教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會指導下，2006年確立大學計算機課程“4個領域×3個層次”的總體框架，進一步規范教學體系，提升教學內容;2010年確立以計算思維為核心的大學計算機基礎課程教學改革聯合申明[1]。

計算思維[2]概念2006年由周以真教授提出，該觀點受到學界廣泛關注和認可，并對計算機思維的內涵和外延進行深入探究[3–5]，計算思維已從1.0發展到2.0[6]。計算思維2.0提出一個非常重要的觀點，即計算思維的教育與普及，其目的不是讓學生了解計算機科學家做了什么，而是讓學生學會如何用新的思維解決本領域存在的問題。為此，大學計算機課程改革必須圍繞這一中心思想，力求提高學生計算思維能力和解決實際問題的應用能力。

目前地方高校大學計算機課程教學改革研究多從課程體系[7-9]、課程內容[10]、教學方法[11]等不同側面進行分析，較少將這些方面綜合探討，尚未形成一套完整的教學改革實施方案，對計算思維的落地缺乏整體規劃。為此，筆者結合所在高校實際情況，探討地方高校面向計算思維的完整教學改革方案體系。

1 存在的問題

筆者學校大學計算機課程一直是非計算機專業學生必修的通識教育課程，10多年來歷經省質量工程、省精品資源共享課、省本科高校高等教育教學研究重大改革項目等，其教學內容已經過4次重大修改，不斷滿足計算機技術發展和時代需求，雖已取得一些改革成效，但仍然存在一些問題。

（1）學生基礎參差不齊。學校生源來自全國17個不同省市，入學時計算機基礎水平相差很大。既有考過微軟辦公軟件國際認證（Microsoft Office Specialist，MOS）證書、參加過全國青少年信息學奧林匹克競賽（National Olympiad in Informatics，NOI）、計算機基礎較扎實的學生，也有從未接觸過計算機，計算機零基礎的學生。如何保證基礎好的學生能深入學習，使基礎普通的學生達到教學目標，教學有一定難度。

（2）課程學時減少。大學計算機課程學時從最初64學時降到56學時，再到如今的48學時，課程學時逐次減少，這在地方高校是一種普遍現象。一方面，由于學生計算機基礎水平逐年提高，很多知識已下沉到中小學信息課教育階段;另一方面，由于各地方高校本科專業人才培養方案突出專業課程而弱化基礎課程。

（3）課程內容更新慢。近年來云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能、虛擬現實技術等計算機技術迅猛發展，已深刻影響人們生活，而課程內容的更新卻沒有緊跟時代步伐，大多還局限在狹隘的工具應用水平，如Windows 7的基礎設置、Office 2010的基本使用、Flash動畫制作等，落后時代的授課內容已很難吸引學生的學習興趣。

（4）對思維能力培養不夠。課程教學目標大多以技能培養為主，而對思維能力的培養不深入細致，沒有合適的量化標準。學生容易滿足低層次的技能獲得感，較少訓練學生采用計算思維的思想解決專業中的問題，缺乏對計算機進行深入思考的引導。

2 改革思路

本科專業人才培養方案是地方高校組織和實施教學工作的重要依據，是人才培養的質量標準，體現高水平、高層次的目標和規格要求，體現專業特點、能力導向。大學計算機課程體系是本科專業人才培養方案的重要組成部分，核心目標在于培養學生的思維能力、資訊獲取能力和應用能力等。要求大學計算機課程不僅包含計算機基礎和技術，而且要結合專業進行深度融合，構建以計算思維為核心的“寬、專、融”課程體系結構。由于地方高校的差異性，“寬、專、融”課程體系結構應結合各校實際情況進行改革，夯實基礎、注重專業支撐，突出融會貫通能力培養。地方高?？刹捎谩?+1+X”課程體系模式[7]，也可采用“3+2”課程體系模式[8]，或者采用“1+X”課程體系模式[9]，符合地方高校的實際情況即可。

筆者所在學校在課程體系上采用了3個層次的“寬、專、融”模式?！皩挕?、融”課程體系由通識教育必修課程、通識教育選修課程、學科基礎必修課程、專業必修課程、專業拓展選修課程和實踐教學課程等構成。每門課程根據本科專業類教學質量國家標準設置不同的課程教學大綱。教學大綱對課程的性質和教學目標、教學內容、重點和難點、各教學環節要求、學時分配、教材及參考書等提供詳細的標準和要求。其中，課程教學目標是課程教學預期達到的效果，是課程教學最為關鍵的準則。實現教學目標，其落腳點在課程教學內容、重點和難點設置上。課程教學內容體現教學目標的難易性、新穎性和有效性。因此，構建適合學生實際情況的課程教學內容，是課程教學改革成敗的關鍵因素之一。以筆者所在高校為例，大學計算機課程教學大綱課程目標為“使學生養成較好的計算思維素質，使其掌握應用計算機技術分析解決問題的方法，培養正確獲取、評價與使用信息的素養，以及基于信息技術手段的交流和持續學習能力”。在此目標下將課程內容劃為基礎篇、思維篇、應用篇和前沿篇4個模塊，既體現計算機基礎和計算思維能力的培養，又體現應用信息素養要求和計算機技術發展前沿技術，在實踐教學中還可根據不同專業學生的具體需求有所側重，以達到課程教學目標的要求。

課程教學方法是提高教學效果、達成教學目標的重要手段。合適的教學方法可以吸引學生的學習興趣，增強學生學習的主動性，讓“教”和“學”都事半功倍。依據教學內容的不同特點，教學方法可以多種多樣，如任務驅動式、案例導入式、SPOC+翻轉課堂、傳遞—接受式、自學—輔導式、探究式、巴特勒學習式、拋錨式等?？沙浞掷镁€上線下各種資源，將思維能力訓練細化到各個教學環節，達到授人以漁目的。

3 改革實踐

（1）根據校情實際，構建“寬、專、融”課程體系。根據學校本科專業人才培養方案要求，課程體系既要體現專業特點，又要突出能力培養，符合高層次應用型人才培養目標，為此構建以計算思維為核心的“寬、專、融”3個層次課程體系，如圖1所示。

寬：面向學校非計算機專業，定位于通識教育必修課，主要課程為大學計算機，要求掌握用計算機求解問題的基本方法和分析解決問題的能力，掌握正確獲取、評價與使用信息的基本素養，達到培養學生思維能力、應用能力和創新能力目的。

專：對有需求的專業定位于學科基礎必修課和專業必修課。主要課程有數據庫原理與應用、高級語言程序設計、網頁設計與制作、電子商務、數據通信與計算機網絡等。為適應不同類型的專業需求培養學生應用計算機技術分析解決問題的核心能力。

融：對有需求的專業定位于專業必修課和專業拓展選修課。主要課程有Python程序設計、新媒體數據分析與應用、網站優化技術、商務智能、多媒體技術及應用、Java程序設計、網頁策劃與編輯等，直接面向專業應用培養學生的思維能力和創新能力。

該課程體系將學校所有專業分為文科Ⅰ類（經濟學、管理學）、文科Ⅱ類（文學、法學）、文科Ⅲ類（藝術學）和理工類共4大類，不同專業開設課程不同，既體現厚基礎、寬專業特點，又體現專業支撐與融合特點，創建較為完整適合校情的“寬、專、融”課程體系。

（2）面向計算思維，重構大學計算機課程內容。根據“寬、專、融”課程體系中大學計算機課程教學目標，以計算思維為導向，從狹義工具應用向提升計算思維能力轉變，結合學校學情，構建新的大學計算機課程內容模塊，如圖2所示。

課程內容分為基礎篇、思維篇、應用篇和前沿篇4個模塊。①基礎篇：計算基礎、操作系統、計算機網絡;②思維篇：0和1思維、算法思維、程序思維;③應用篇：文檔編輯軟件、表格處理軟件、演示文稿軟件、多媒體應用;④前沿篇：大數據、物聯網、人工智能、云計算。

課程內容體現運用計算機科學的基礎概念（基礎篇）進行問題求解、系統設計（思維篇），也體現培養學生的基本信息素養（應用篇）和計算機技術發展（前沿篇）。在有限學時內，不同專業課程內容可以有所側重和取舍，既體現專業特點，又留給學生自主學習空間，將重點放在思維能力和應用能力培養上，實現課程教學目標。

（3）對標國家精品課程，搭建SPOC+翻轉課堂。以中國大學大規模網絡開放課程（Massive Open Online Courses，MOOC）上的國家精品課程哈爾濱工業大學《大學計算機——計算思維導論》[12]作為本課程標桿，保證課程的水平和質量，拓展學生學習的深度和廣度。在此基礎上，選取與學校課程內容相關的部分作為特色層次的線上教學，建立大學計算機課程同步小規模限制性在線課程（Small Private Online Course，SPOC），如圖3所示。課程內容與SPOC同步的部分講解結合，幫助學生深刻理解計算機基本原理，開拓學生思路，訓練思維能力。

根據課程教學目標，將SPOC教學與傳統課堂教學整合，構建一種線上線下的混合教學模式，實現翻轉課堂教學。

理論教學分為課前、課中、課后3個階段。課前導學，提出問題，教師根據本次教學任務課前將教學資料和教學目標等發送給學生，引導學生查閱資料，觀看教學視頻，完成相應任務，并記錄重點與難點;課中研學，解決問題，教師根據教學內容匯總學生課前導學疑問，采用師生互動、生生互動等翻轉課堂形式，逐一解答重難點。引導學生拓展知識點的廣度與深度，啟發學生思維能力;課后練學，鞏固提升，教師布置習題和測試，讓學生及時鞏固所學知識，并給出下節課需要預習的內容。

課中研學主要采用線下學習，而課前導學和課后練學主要依據MOOC+SPOC、思科網絡技術學院、網絡學習云平臺等資源線上學習。課程內容中的基礎篇和思維篇主要以哈爾濱工業大學“大學計算機——計算思維導論”課程輔助;前沿篇主要以思科網絡技術學院的信息技術基礎（IT Essentials，ITE）、物聯網簡介（Introduction to Internet of Things，IOT）、網絡安全簡介（Introduction to Cybersecurity， IOC）、走進互聯網（Get Connected）等課程輔助。

（4）突出前沿技術，進行課程內容融合。2017年9月筆者學校成為思科網絡技術學院理事單位，計算機基礎教研室所有教師經培訓考核合格后在思科網絡技術學院開設多門課程，根據學校不同專業選取多門課程部分章節如ITE、IOT、IOC、Get Connected等進行課程內容融合，如圖4所示。

課程內容前沿篇，文科I類和Ⅱ類專業融合ITE第1章和第2章，IOT第3章和第11章;文科Ⅲ類專業融合ITE第1章和第2章，Get Connected第3章和第4章;理工類專業融合ITE第1章和第2章，IOC第2章和第3章，既拓展課程深度，又體現計算機新技術發展，滿足學生進一步學習需求。

思科網絡技術學院供學校開設的課程有39門，如大數據、Linux、思科認證網絡工程師（Cisco Certified Network Associate，CCNA）、Python等，其中16門課程語言含有中文（簡體），可根據學生需求選擇不同的課程內容進行融合。

（5）引入虛擬實驗，推動虛擬仿真實驗教學。實驗教學是SPOC+翻轉課堂容易缺失的教學環節，利用en_ITEPC_VA_Desktop_v40、虛擬實驗工場、Multisim、GBCode、PCtoLCD、Raptor、Python等平臺和軟件進行虛擬仿真實驗，實現大學計算機課程基本理論的難點解析、重點驗證、微觀可視和宏觀可見，從而完成現實實驗不具備或難以實現的教學內容，達到良好的教學效果。

2017年引入北京理工大學大學計算機課程仿真實驗軟件和配套素材庫，選用部分實驗項目教學效果顯著。以一條指令的執行過程實驗為例，將CPU內部的取指令、指令譯碼、取數據、指令運算等過程可視化演示，幫助學生深刻理解CPU的工作原理與過程，如圖5所示。

（6）強化應用技能，部署網絡學習云平臺。2014年9月，學校在圖書館機房服務器上搭建網絡學習云平臺。課程內容應用篇主要利用網絡學習云平臺中“計算機應用（2016）”課程進行應用能力訓練，包含教學進度、課程學習、測試中心、課程考試、優秀作品、課程資源、教學資源、學習筆記、學習統計、學習小組、討論專區等模塊，可實時反饋學生成績得分，方便訓練學生的計算機應用能力，并提供排行榜功能，顯示前10名學生的分數，激發學習積極性和主動性，如圖6所示。

省考試中心網絡學習云平臺提供Web前端技術、Access數據庫（2010）、PhotoShop、Office高級應用、網頁制作基礎、Java程序設計、計算機應用（2016）等多門課程供學生進一步學習。

（7）響應學生反饋，及時更新課程資源。隨著計算技術的不斷發展，學生對計算機技術的需求也越來也大，大學計算機課程應積極拓展，及時更新各種課程資源。如用en_ITEPC_VA_Desktop_v40進行計算機虛擬拆裝實驗，用https：//mydiy.pconline.com.cn進行在線DIY自助裝機實驗，利用虛擬機安裝并了解Ubuntu，用Multisim進行半加器和全加器仿真實驗，用GBCode實現漢字輸入碼到機內碼的編碼轉換，利用PCtoLCD實現漢字字形碼顯示與表示，利用Raptor實現漢諾塔的動畫演示，利用Python實現圖像濾鏡技術等。

同時，積極借鑒其它高校的優質課程資源，如北方工業大學“新編大學計算機基礎”課程中的畢業論文排版、圖像處理基礎與技巧等內容，相互印證，充實大學計算機課程資源。

（8）調整成績占比，建立過程化考核標準。在建立過程化考核標準上，對總評成績占比和構成進行大幅度調整。從傳統的平時成績30%+期末考試70%，調整為平時成績50%+期末考試50%。其中平時成績50%覆蓋了學習過程的各個環節。除傳統的課后作業外，還將網絡學習平臺的知識點測試、MOOC平臺的作業、思科網絡技術學院的章節測試、專題作品設計等納入考查范圍。為兼顧各教學班專業區別和教師教學特點，平時成績分為統一規定部分和自主規定部分，教師在滿足統一規定部分基礎上可靈活設置自主規定部分的成績構成。

另一方面對期末考試的考核方式和內容進行較大幅度的改革。期末考試考核方式采用省考試中心的計算機等級考試平臺，閉卷機試，實行教考分離?？荚噧热莅ㄓ嬎銠C基礎知識、Office技能、計算思維、多媒體，互聯網+等基礎知識，不僅較好覆蓋教學內容，而且體現信息時代的思維方式以及計算機應用技術的發展變化。使用全自動考試系統完善的試題庫，保證期末考試成績的客觀性。

4 改革成效

自2017年開展面向計算思維的大學計算機課程教學改革以來，經過不斷探索、修正，培養學生利用計算機基本概念、思想解決專業學習中的問題，取得一些經驗。

（1）學生興趣提高，自主學習能力增強。一方面，新的課程內容不再以狹隘的工具應用為重心，而是轉向啟發學生思考、訓練學生思維能力為主。平時作業既有一定的完成難度，又能夠通過課后學習完成要求;另一方面，充分利用MOOC、云平臺等信息資源，學生利用碎片化時間隨時隨地進行學習，提高了學習效率，為實現“寬、專、融”課程體系教學目標打下良好基礎。

（2）學生應用能力提升，競賽成果豐富。2017年，學校100多名學生首次參加第七屆全國大學生計算機應用能力與信息素養大賽，多人獲得全國一、二、三等獎，并獲得Office商務應用能力賽項本科組團體一等獎。2018年，學校300多名學生參加第八屆全國大學生計算機應用能力與信息素養大賽，獲得計算機基礎賽項本科組團體一等獎。此外在2018年、2019年、2020年連續三年獲得廣東省大學生計算機設計大賽一、二、三等獎多項，參加校園PPT設計大賽成績不菲，說明教學改革能激發學生的學習興趣，訓練學生的思維能力和應用能力。

（3）學生計算機等級考試合格率高。2017年開始進行大學計算機課程內容改革后，增加基礎篇和思維篇授課學時，減少應用篇學時，不再以Office技能訓練為主，更多地讓學生通過網絡學習云平臺自主學習，自主測試。近5年計算機等級考試合格率如表1所示。和教改前[13]相比，學生計算機等級考試合格率雖然每年有小幅波動，但都保持一個較高水平，從而可安排更多課時用于培養學生解決實際問題能力，提高信息素養，說明課程內容改革是成功的。

5 結語

隨著計算機技術的發展，大學計算機課程教學改革迫在眉睫。以計算思維為核心，結合學校具體情況實施課程改革是一種行之有效的方法。本文從課程體系、課程內容、教學方法、考核方式等進行探索，提高了學生的學習興趣、思維能力和信息素養，取得了一定成績。

隨著學校專業人才培養方案的更新，課程體系應隨之調整。目前，課程學時減少與內容增多如何協調，如何提高學生線上學習的自覺性，如何防止學生兩極分化等問題都亟待解決，地方高校大學計算機課程教學改革還需深入進行。

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（責任編輯：杜能鋼）