以計算思維培養(yǎng)為目標的大學計算機基礎教學改革與實踐研究

聶茹　李政偉

關鍵詞：大學計算機基礎；計算思維；能力培養(yǎng)；課程改革；過程評價

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）03-0142-03

0 引言

計算思維的概念是2006年由美國計算機科學家Jeannette M.Wing正式提出，當時在教育界和學術(shù)界引起廣泛討論和高度認可，十幾年來逐漸成為備受關注和深入研究的學術(shù)思想。大學計算機基礎課程是我校大一新生所學的第一門計算機類通識必修課，計算思維能力的培養(yǎng)是該課程的重要目標[1]。為了避免“計算思維”概念的空洞化，即如何在教學內(nèi)容和教學實踐中落實計算思維的思想，如何實現(xiàn)計算思維能力培養(yǎng)的目標，目前仍處于探索之中，是教學改革所面臨的重要課題。

1 國內(nèi)外課程研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

經(jīng)過將近二十年的推廣和普及，計算思維的概念在國內(nèi)外教育領域已經(jīng)得到了廣泛的認可和關注。從總體上來說，國際一流的大學已經(jīng)開始重新醞釀計算機基礎和相關課程的設置，并且圍繞著計算思維的概念建立了較為系統(tǒng)和先進的課程體系和教學內(nèi)容，且這些內(nèi)容具有鮮明的學校特色。許多國外高校也對本科階段第一門計算機課程進行了改革，將教學目標從過去泛化地認識計算機到從計算思維的角度理解、運用和評價計算理論和方法，借助于程序設計語言來幫助學習者去理解和實踐計算機理論中的基本原理和基本概念，形成計算思維的雛形[2-4]。

例如，美國斯坦福大學開發(fā)了基于JavaScript的學習實驗平臺，作為介紹計算機科學課程中的基礎知識的媒介。在教授過程中，教師要求學生以編寫和運行簡單代碼的形式來體會計算機的實際作用和自身局限性。另外，麻省理工學院同時設置了計算機科學課程和Python程序設計課程，目的是使得不同層次和不同專業(yè)的學生學會編寫小型程序，并在編程過程中理解計算機在求解實際問題時的原理和作用。美國加州大學伯克利分校借助自主研發(fā)的Snap平臺設置了關注學生創(chuàng)造力和計算實踐能力的計算機課程。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，計算機學科也經(jīng)歷了前所未有的迅猛發(fā)展。傳統(tǒng)的大學計算機基礎課程已經(jīng)無法滿足學生對于前沿信息技術(shù)的需求和社會對學生基本技能的要求。所以，以非計算機專業(yè)學生為教學對象的大學計算機基礎課程體系需要進行全方位和深層次的改革。

首先，從課程內(nèi)容的設置來看，一般包括計算機的基本組成和基本工作原理、計算機基礎上機實踐等比較陳舊的內(nèi)容；而且這些內(nèi)容對于00后的大學生來說比較熟悉，完全可以通過自學等手段掌握，不需要再占用課堂學時。其次，雖然大多數(shù)學校都將計算思維的概念和方法（比如算法和程序設計等）融入了計算機核心理論這部分內(nèi)容中，但是由于教材整體篇幅所限，很難將這些概念講得特別透徹清晰，從而影響了學生的學習效果和學習熱情。因此該課程在課程內(nèi)容和教學方法等方面都有較大的改進空間。

2 計算思維概念在大學計算機基礎課程中的體現(xiàn)

2.1 計算思維的具體概念體系

“抽象”和“自動化”是計算思維中用于解決實際問題的核心思想方法。具體來說，可以分為8個大類，42個核心概念，其本質(zhì)是研究如何運用計算機的方法來解決實際問題。因此，計算思維并不僅僅是抽象的概念，它更是可以用于解決實際問題的思維方法[5-6]。

雖然計算思維是大學計算機基礎課程的主要教學目標，但是不可能在有限的學時內(nèi)將計算思維的概念全部一一講解，而是將相關的概念貫徹到課程理論知識的講解中，把思維方法轉(zhuǎn)化為解決實際問題的方法論，以計算思維與程序設計思想的相融合，重新構(gòu)造課程教學中更為具體的概念和方法。

如何在教學過程中將計算思維的思想落到實處，主要分兩個步驟：一是在教學中認清計算思維概念“是什么”和“做什么”的問題；二是在教學中實踐和評價“如何做”和“做得怎么樣”的問題。

2.2 計算思維的具體內(nèi)容

大學計算機基礎課程教學的主要目標是教會學生用計算思維的思想去理解和解決計算機領域的實際問題。根據(jù)這個宗旨，將計算思維的基本概念和具體方法相結(jié)合，在實際教學中通過理論與實際相結(jié)合解決計算思維中“做什么”和“如何做”的問題，是圍繞實際教學內(nèi)容落實計算思維具體概念和方法的過程[7-9]。

在課堂教學環(huán)節(jié)，注重理論與實踐相結(jié)合進行深入講解。首先對于計算思維概念層面的理論知識，采用深入講授和實例驗證相結(jié)合的方式，在細化理論知識的過程中，將計算思維的概念具體化，找到各個理論知識點與計算思維各個具體概念之間的對應關系；其次在講授各個知識點的過程中不斷強化和滲透計算思維的概念和內(nèi)容，實現(xiàn)課堂教學與計算思維的無縫銜接。

3 以計算思維為培養(yǎng)目標的課程改革實踐

為了將計算思維的概念和方法落到實處，需要從課程目標和要求、課程內(nèi)容設置、教學方法和手段等多方面重新審視大學計算機基礎這門課程，而不應該僅僅局限于對原有教學體系進行細枝末節(jié)的修改，這對于我校的計算機基礎課程改革具有重要的戰(zhàn)略意義。中國礦業(yè)大學于近年修訂了大學計算機基礎課程的教學大綱，優(yōu)化了教學方法和教學手段，切實踐行了以計算思維培養(yǎng)為首目標的課程改革，通過幾年的教學實踐，逐步指明了以能力培養(yǎng)為導向的改革方向。

3.1 教學目標與教學內(nèi)容的重新定位

首先，為了更好地提高教學效果，將傳統(tǒng)的“教師一言堂”授課模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W生為主體”的探究式教學模式[10-12]。具體地講，就是對大學計算機基礎課程中的基本理論模塊（主要包括計算機中的信息表示、計算機基本組成和基本工作原理、計算機網(wǎng)絡等）進行分解，提煉出一個個有生命的問題，在課堂上以學生探究為主、教師為輔的方式來求解這些科學問題。

其次，在對課程進行重新定位之后，從計算的本質(zhì)問題和實質(zhì)產(chǎn)物以及計算效果等幾方面來重新解讀計算思維的內(nèi)在含義，并對大學計算機基礎課程的教學目標、教學理念和教學內(nèi)容以及教學架構(gòu)進行了重新梳理和厘清，幫助學生理解建模、抽象等在計算思維的整個概念和方法體系中的地位和作用，讓學生對建立計算思維理念所應具備的核心知識體系和核心技能有明確的認識和理解。

最后，依據(jù)“以能力為導向，以目標為牽引”的逆行模式，確定按教學對象劃分的以問題為引導的教學模式。該模型框架在借鑒傳統(tǒng)計算機基礎教學模式和教學內(nèi)容的基礎之上，圍繞計算思維的教學理念和教學方法，用直接而自然的方式將計算思維所涉及的知識點融入學生的學習過程中，并且在運用和接觸計算機理論和實踐知識的過程中不斷獲得加深和內(nèi)化。

3.2 以實踐促理論，強化計算思維能力培養(yǎng)

為了突出計算思維能力的培養(yǎng)，在大學計算機基礎理論課教學的同時，應強化實踐教學與理論課堂相結(jié)合，加強理論課各章節(jié)和各知識點與實驗內(nèi)容之間的銜接，避免傳統(tǒng)教學中知識點簡單羅列和無序堆砌，刪除有關計算思維概念的簡單陳述，以深刻理解計算思維的概念為切入點，通過計算機學科中的核心理論知識和經(jīng)典案例，以更為深刻具體、更簡潔明了的方式詮釋計算思維的核心本質(zhì)。例如，在介紹和講解計算機中信息表示這部分內(nèi)容時，可以通過講授Python程序設計語言中編碼方式和不同進制轉(zhuǎn)換的程序設計實驗，讓學生更深刻地理解計算機求解實際問題的思路，同時要求學生更好地利用課外時間完成實驗內(nèi)容。培養(yǎng)學生針對具體問題，從問題建模、問題求解再到程序?qū)崿F(xiàn)，是實現(xiàn)計算思維落地的有效途徑。

此外，在大學計算機基礎實驗課程的安排上，對傳統(tǒng)的實驗操作內(nèi)容進行了大幅弱化和刪減，取而代之的是增加了大量有關算法設計和運用的內(nèi)容，配合在理論教學中對算法思想和案例的直觀講解，使得學生對于計算思維的精髓有更深入的理解。最后，將人工智能、機器學習以及大數(shù)據(jù)等前沿信息技術(shù)加入到最新的授課內(nèi)容中，完善了課程的知識體系結(jié)構(gòu)；同時，為了避免原有教學中因?qū)W時不夠而削減了前沿信息技術(shù)部分課時的弊端，使得教師有充足的學時將新概念、新技術(shù)講懂、講透，將計算思維的思想落到實處，大綱中弱化了計算機基本原理、計算機網(wǎng)絡等內(nèi)容，而以學生在教師指導下的自學為主。

3.3 融入計算思維講解的教學方法實踐

在整個課程的教學體系中，計算思維的概念并不是獨立存在的。計算思維的本質(zhì)是計算機科學發(fā)展過程中所形成和研究提煉而成的具體的思維方法，需要貫穿于計算機基礎理論體系的講解全過程。總而言之，計算機基礎理論知識是所習得的教學成果，而計算思維是在教學研究中所凝練出的思維方法。所以，在實際的課堂教學中教師應以問題引入的方式啟發(fā)學生進行問題建模和研究分析、思維創(chuàng)新和應用拓展，實現(xiàn)計算思維與基礎理論知識的融合。

以“進程的概念”為例，為了讓學生直觀而形象地理解進程的基本概念、主要特點和進程之間如何轉(zhuǎn)換等問題，通過反復運行“計算器”程序生成不同的進程，再利用“任務管理器”查詢進程的屬性信息，進而獲取進程的狀態(tài)以及計算機硬件的使用情況，以及不同進程之間的調(diào)用和依存關系，從而加深學生對進程并發(fā)性的理解，加強思維深度和寬度的培養(yǎng)。

3.4 以能力培養(yǎng)為核心的過程化考核

計算思維能力的培養(yǎng)需要一個長期的過程，這就需要對學生的學習過程進行客觀監(jiān)督與考查，以此來評價學生在整個學習過程中的學習效果。為此，通過對原有課程評價體系的優(yōu)化和調(diào)整，制定了一套以能力考查為核心的過程性考核體系，主要包括以下幾方面內(nèi)容。

1） 對形成性成績的構(gòu)成和所占比例進行了一定幅度的調(diào)整。形成性成績的構(gòu)成應作為衡量過程性學習各個環(huán)節(jié)的重要參考，除了傳統(tǒng)的每章課后作業(yè)之外，還包括了MOOC單元測試、課外設計、期中測試和課堂表現(xiàn)等。根據(jù)各個不同的環(huán)節(jié)所起作用和地位不同，每個環(huán)節(jié)所占的比例各有不同。比如MOOC 單元測試中的題目難度適中，而且與課本內(nèi)容比較貼合，對學生理解課本內(nèi)容和及時復習所學內(nèi)容起到了較好的促進作用，因此設置了較高的比例。另外，為了在不同專業(yè)和不同班級之間進行權(quán)衡，各個行政班的教師對形成性成績的掌控有一定的自主權(quán)，在統(tǒng)一規(guī)定的基礎上可以根據(jù)自己班級情況，適當?shù)卣{(diào)節(jié)不同環(huán)節(jié)所占比例。

2） 對期末考試的考核方式和考試內(nèi)容進行了一定程度的調(diào)整。在考試方式上，全面摒棄了純記憶型考題，強調(diào)對理解和分析能力的考察。總體說來，考核的目標發(fā)生了顛覆性的變化，考核的知識面更廣、難度更大，對學生提出了更高的要求。但是，正是這種面向能力考核的改革是落實計算思維培養(yǎng)目標的重要基礎。同時，采用上機考試的方式，一方面省去了批改試卷的工作量，另一方面通過不斷完善考試題庫和系統(tǒng)按知識點全自動組題，保證了考試成績的公平性和客觀性。

期末考試分為理論部分和實踐部分。理論部分新增了人工智能基礎、大數(shù)據(jù)和機器學習等前沿內(nèi)容，期末考試中也設置了這部分相關的題目，題目大多比較靈活，有一定的代表性和趣味性。實踐部分則更加注重考查對基礎知識的靈活運用以及對基本操作技能的熟練程度。

4 結(jié)束語

計算思維概念的提出和應用為大學計算機基礎課程改革指明了努力方向，如何將計算思維的概念貫徹到實際教學中是該課程改革的熱點問題。以我校大學計算機基礎教學改革為重要契機，通過教學目標和教學內(nèi)容的重新定位、以實踐促強化計算思維能力培養(yǎng)以及融入計算思維講解的教學方法實踐，切實將計算思維培養(yǎng)目標貫徹到實處。

結(jié)合大學計算機基礎課程理論知識體系，在深入理解計算思維基本概念的基礎上，從抽象概念到具體方法兩個層面上厘清計算思維在整個課程教學體系中的地位和作用，在具體不同章節(jié)中對于計算思維的概念、方法和體系關系等各個不同抽象層次的內(nèi)容采用融入式講解和實踐性驗證等方法，與課程教學中相對獨立的知識點相結(jié)合完成計算思維概念的融入式講解、對于計算思維概念所涉及的基本方法、基本原理和實現(xiàn)步驟則采用獨立重點講解和多元化實踐方式進行驗證。通過教學效果測試證明了計算思維在大學計算機基礎課程中的實踐效果良好，為中國礦業(yè)大學進一步開展計算思維培養(yǎng)目標在課程中的實際應用提供了有益的參考和積極的借鑒。

【通聯(lián)編輯：王力】