以培養計算思維為主線的《計算機導論》課程改革實踐

摘 要：計算思維能力是計算機類專業學生必須掌握的能力，是進入計算機類專業大門的鑰匙。《計算機導論》是高校計算機類專業新生入學后的第一門專業導引性課程，也是培養計算思維能力的前沿陣地。目前的導論課程內容龐雜，并且學時有限，如何有效利用這門課培養同學們的計算思維能力，為后續的專業課學習做好準備，是《計算機導論》課程的重中之重，本文闡述了結合線上線下混合式教學模式和有效的思維訓練工具Raptor對導論課程進行改革實踐的研究，旨在培養學生分析和解決問題的能力。

關鍵詞：計算思維;混合式教學;Raptor;思維導圖

中圖分類號： G642 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.03.052

本文著錄格式：于娟.以培養計算思維為主線的《計算機導論》課程改革實踐[J].軟件，2021，42（03）：180-183

Reform and Practice of Foundations of Computer Science with the Main Purpose of Cultivating Computational Thinking

YU Juan

（College of Engineering Technology， Yang-En University， Quanzhou? Fujian? 362014）

【Abstract】：The ability of computational thinking is very important for the students of computer major， its the key to enter the door of computer science. 《Foundations of Computer Science》 is the first professional guiding course for the freshmen of computer major in Colleges and universities， and also the front position of cultivating the ability of computational thinking. This course is very complex and has limited class hours under the current situation. How to utilize effectively this course to train students' Computational Thinking Ability and prepare for the follow-up professional courses is the top priority of this course. This paper expounds the research on the reform and practice of the 《Foundations of Computer Science》combining the online and offline blended teaching pattern and the effective thinking training tool Raptor， the purpose is to develop students' ability to analyze and solve problems.

【Key words】：computational thinking;blended teaching;Raptor;mind mapping

0引言

“計算思維”被譽為21世紀的核心能力，是人人都應該掌握的生存能力。美國卡內基·梅隆大學周以真教授認為[1]：計算思維是運用計算機科學的基本概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為。作為計算機類專業的同學，更是應該先人一步，通過一定的訓練，完成由高中的數理思維向大學計算思維的轉變。簡單來說，計算思維可以理解為：將由“人”解決問題轉變為由“機器”解決問題，那么利用機器解決問題的思維方式就是計算思維，是對問題進行分析、重構、建模，是數理思維能力的升華。

計算思維是解決問題的思維方式，將一個問題分解細化，抽象成一定的結構并構造算法，從而求解問題。在這個過程中，計算思維和算法對于大一新生來說都是新內容，需要循序漸進的學習和實踐[2]。

1 計算機導論課程的任務

計算機導論課程面向計算機科學與技術和網絡工程等相關專業開設，在信息化的今天成長起來的大多數孩子，對于計算機的基本操作相對比較熟悉，但是也有來自邊遠地區的同學對計算機缺乏認識，為了掃除專業學習的障礙，計算機導論課程的開設非常必要。作為應用型高校，結合本校的學生特點，制定了導論課程的基本任務。簡單來說，導論課程的基本任務是“掃盲”，就是使同學們對計算機這個學科有個淺顯而廣泛的認識，并且能培養興趣，為今后的專業課程學習奠定基礎。其次，要培養學生的計算思維，理解計算機解決問題的基本策略和方法，為今后的程序類課程打基礎。再次，導論課程中需要培養學生的應用能力，能利用計算機解決生活和學習中的相關問題。

2 導論課程的改革

作為民辦高校，結合大一新生的自身情況，我們制定了“3+1”的教學模式，并利用線上線下混合式教學，有效的延伸了課堂教學時長，通過自主學習自主考測，提高學生的認知水平，現分為以下幾個層面一一介紹。

2.1 “3+1”的教學模式

“3+1”的教學模式簡單來說就是將《計算機導論》教學內容分為3大部分，分別是：數據基礎、硬件基礎和軟件基礎?！?1”是指在三大基礎之上增加應用能力的培養和引導。

數據基礎旨在培養學生的多進制思維，學習計算機中的數據存儲方法和數據運算規則，并能結合一定的生活實際理解原理。數據存儲通過引入漢字的存儲方式、聲音視頻等多媒體的存儲方式進行講解。數據運算包括邏輯運算、移位運算和算數運算，其中對計算機中的多種編碼進行詳細介紹。

硬件基礎從“馮·諾依曼”結構開始說起，結合案例使同學們理解計算機各部件協調配合的工作方式，以及每個部件起到的主要作用。通過實例介紹ALU和CU的工作原理，學習指令執行的基本過程，并能結合案例復盤該過程。硬件基礎也包含網絡基礎知識，從Internet引入，過渡到IP、域名、HTTP、WWW等常見概念，進一步擴展到7層OSI模型的認知。

軟件基礎包括操作系統、算法和程序設計基礎認知三部分。其中操作系統是每天在用的軟件，也是最接近硬件的軟件，教學要求上有概括認識即可。算法基礎介紹順序、選擇和循環三種結構，并學習利用Raptor軟件繪制相應流程圖，并能寫出偽代碼。程序設計基礎主要介紹程序設計語言的演化過程，語言的翻譯方法，相關概念和標識符，并以C語言和Java語言舉例說明。

“+1”則主要包括常見應用軟件的使用，如文檔處理，演示文稿制作，圖片處理和數據報表的制作。這部分利用實驗課以任務驅動的方式學習。

2.2 主要教學手段

該課程作為計算機專業導引課程，重點培養學生的邏輯思維和計算思維，強化相關的基本計算和操作能力，為后續的專業課奠定基礎。但因大一年級開學較晚，學時不足，課程任務相對較重，為此我們采用線上線下的混合式教學，補足課時短板，建立有效的師生聯絡途徑。以超星學習通為教學工具，以思維導圖知識點梳理和習題自測為主，答疑解惑為輔。如圖1所示為課程首頁，圖2展示的是章節框架，圖3所示為“本章內容”，主要為同學們展示章節知識點和重難點，引導同學們有的放矢地學習。

課堂上通過超星學習通投屏操作進行智慧教學，教學中利用選人，彈幕，投票等形式活躍課堂氣氛，并能針對教學效果及時收到反饋。課下通過學習通的通知、討論、群聊和私信與同學們建立聯絡，讓同學們遇到任何學習問題都能隨時隨地聯絡到同學和老師，形成學習氛圍，并且根據每章知識點設計針對性的考測，及時反饋，及時調整教學步調[3]。

在算法和程序設計環節引入Raptor工具，Raptor（the Rapid Algorithmic Prototyping Tool for Ordered Reasoning）是用于有序推理的快速算法原型工具，是一種可視化的程序設計環境，為程序和算法設計的基礎課程教學提供實驗環境。通過該工具，實現將教材的UML圖可視化可運行，在同學們繪制流程圖的過程當中，能切身的體會到程序的執行過程[4]。圖4為教材第8章中描述選擇排序算法的流程圖，教材通過示例對一組數23、78、45、8、32、56進行排序，通過講授，同學們能夠基本理解排序的思路，但是對排序的過程無法從感官上進行更加深入的理解，于是我們通過引入Raptor模擬該示例的排序過程，形成直觀感受，對同學們理解該算法有極大幫助，具體算法可見圖5和圖6。

對于學有余力的同學可以適當布置算法任務請他們完成，對于訓練計算思維和解決問題的能力有較大的幫助，也為今后學習程序設計打下基礎。

2.3 考核說明

在《計算機導論》課的考核方式上進行了以下嘗試：

（1）階段考核代替“末考定輸贏”。

（2）計算能力優先，理論實踐結合。

（3）線上線下數據相結合。

整體來說，就是側重計算思維能力、兼顧學科認知水平、提升應用素養三個要素。

階段考核的形式既能及時為教學情況提供反饋，也能避免學生期末臨陣磨槍。根據教學內容“3+1”，我們設計了3次考試和1次課程設計，利用過程化考核，立體化全方位的督促學生學習。同時，為了平衡同學們的學習壓力采用了開卷閉卷相結合的模式。

計算能力是重中之重，這部分內容采用閉卷考試。計算機硬件知識內容龐雜，不是一朝一夕就能理解的，盡量避免死記硬背，故利用學習通App設計線上開卷試卷。算法部分采用上機實操的模式，主要考核流程圖和偽代碼的應用能力，給定實際問題寫出解題偽代碼，再利用Raptor繪制流程圖并運行?！?1”部分則主要考核學生的自學能力，選擇合適的軟件制作個人簡歷。課程總評成績則由3次考試、1次課程設計和線上的學習數據三部分構成。

3 教學改革的效果

2018年教育部印發《教育部關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》，對振興本科教育做出明確規定，適當為大學生“增負”是時代需要。剛剛經歷高考的大一新同學，精力旺盛，學習能力強，但是有不少同學在學習上有所懈怠，隨著高考結束一并失去了學習目標?！队嬎銠C導論》課程積極改革，對學生的學習要求絕不放松，多措施并舉，共同推進導論課程的教學效果，力求學生們能學有所獲，為日后的專業課學習打下堅實基礎，更好地將同學們交到專業課老師的手中。

4 總結

讓同學們在最好的年紀學習文化知識，武裝頭腦，四年后能夠從容的進入社會是國家的愿望，家長的期盼，也是每一位老師的殷切希望。計算機學習理論和實踐缺一不可，學習任重道遠，希望通過導論課程的引領，帶同學們進入專業學習的大門。

參考文獻

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

[2] 戰德臣，聶蘭順.計算思維與大學計算機課程改革的基本思路[J].中國大學教學，2013（2）：56-60.

[3] 王林.基于超星學習通平臺的移動教學模式研究[J].安徽電子信息職業技術學院學報，2019，18（3）：39-41.

[4] 酈麗，沈應兄.基于RAPTOR和計算思維的計算機科學導論課堂教學研究[J].電子商務，2019（1）：91-92.