面向计算思维培养的大学计算机基础教学

詹涛　邓磊　廖志刚

摘要：针对大学计算机课程的教学特点，探讨以计算思维为核心内容的大学计算机基础课程的教学改革，提出“分类培养、专业融合”的理论教学方法和“两个阶段培养”的实验教学方法，指出该教学改革能有效提高计算机基础教学效果、使学生在获得专业知识与技能过程中，训练和培养计算思维能力，

关键词：计算思维；大学计算机基础；教学改革

1.计算思维是改变大学计算机基础课程现状的核心推力

计算思维（Computational Thinking）是美国卡内基梅隆大学计算机系周以真教授提出的概念，其定义为“运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动”。计算思维反映了计算机技术本质特征和解决问题的核心方法，能够提升非计算机专业学生的计算素养，培养学生用计算机处理和解决领域问题时的思维方法和表达形式，对学生有深远影响。2010年陈国良院士提出将“计算思维能力培养”作为计算机基础课程教学改革切入点的倡议，2012年7月，教指委在西安举办了“第一届计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会”。2013年7月“第二届计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会”在成都召开。这些都表明，增强计算思维能力的培养已成为非计算机专业计算机课程教学改革的重要方向。

大学计算机基础是大学本科的公共基础课程，通常作为大学第一学期的课程。当前，在该课程教学过程中存在一些问题，已经引起广泛关注：首先，多数教学内容是计算机专业知识的浓缩，缺乏主线，显得多而杂；其次，实践环节侧重软件工具使用，由于不少学生在高中阶段已经掌握这些工具的使用，导致其失去对该课程的学习兴趣。不少专业教师和教育管理者已经针对课程教学中存在的问题进行了有益探索与实践，例如，面向多类专业不同计算机基础的学生，组织了分类教学，收到一定效果，但没有从根本上改变课程现状。而以计算思维教育与训练为核心实施大学计算机基础的改革与创新，能从根本上改变该课程的现状，并有效提升教学质量与效果。

2.大学计算机基础课程教学过程体现计算思维培养

2.1亟待解决的问题

课程的改革目标是让学生在学习计算机核心知识和掌握应用工具的基础上学习运用高效的思维去思考，将无意识的计算思维教学理念提升到有意识、系统性的计算思维教学。力求从根本上扭转目前大学计算机基础课程所面临的教学困境。针对以上目标，需要以计算思维为核心重构教学内容，并通过合适的教学实践手段和方法使得这些重构的内容能够被学生接受和理解。通过分析，提炼出要解决的具体问题如下：

1）在有限课时内需要培养学生哪些具体计算思维要素。

我们的目标是传授给学生基本的计算机核心知识，但是计算机科学作为一门学科包含了复杂的知识体系，并在不断地发展和创新，需要确定哪些知识点能够被定义为该课程教授的核心内容。

2）如何在学生尚未掌握任何一门编程语言的情况下实践所学计算思维内容。

大学计算机基础课程所面临的是大学一年级学生，除个别学生在入校之前有过编程经验，学生普遍没有编程基础。如何在缺乏编程实践的前提下让学生掌握计算思维是决定最终教学效果的关键问题。

3）面向不同基础和专业的学生如何体现不同的计算思维的教育和训练内容。

2.2分类教学、专业融合的教学内容设计

西北工业大学是一所以发展航空、航天、航海工程教育和科学研究为特色，以工、理为主，管、文、经、法协调发展的研究型、多学科性和开放式大学。不同专业对学生的计算机知识的要求不同，存在较大差异。相同专业学生之间的计算机知识也有较大差距，在这种情况下采用分类教学是必要的。例如在程序设计课程中按照文、理科进行分类实践教学，取得了良好的成效，积累了经验，但是在大学计算机基础课程中尚未实施。此次以计算思维培养为核心的大学计算机基础课程教学改革在教学内容设计上除按照文、理分类外，还考虑到特殊方向和专业学生群体的较高计算机教育的需求，将教学内容分为4个方向：（1）面向理工类专业学生；（2）面向文管类专业学生；（3）面向国际班学生全英文计算机教学；（4）面向教育实验学院卓越班。

西北工业大学作为理工科重点院校，大多数学生都归类于方向（1），以2013年数据为例，方向（1）约占62%，方向（2）约占17%，方向（3）约占4%，方向（4）约占17%。在确定每个方向学生教学内容时，遵循“两个融合”的原则，将计算机基础教育与计算思维培养融合，构建以计算思维能力培养为主线的非计算机专业通识教育；将计算机基础知识与学生的专业技术融合，在进行计算机思维培养教学内容选择时，注重计算机基础知识与学生专业方向的融合度。“两个融合”的具体内容包括：

（1）计算思维培养融合，是指将计算机科学中最具有基础性和长期性的计算思想教授给学生，侧重使非计算机专业学生能够领略计算的核心方法，学会如何把问题转化成能够用计算机解决的形式，培养学生从本质和全局来建立解决问题的思路，为其今后的专业学习和应用计算技术打下坚实基础。

（2）专业技术融合，是指根据学生专业特点和需求，在计算思维培养融合的基础上，动态选择课程内容，形成可定制教学模块，实施分类分层教学。

“两个融合”原则体现了具有鲜明特色的非计算机专业大学计算机教学方案，形成了纵向分类、横向分层的教学内容。每个方向内容由基本理论知识层、计算思维融合层、专业融合层组成。以面向理工类专业学生的方向（1）为例说明各层的含义，如图1所示。

1）基本理论知识层。

该层属于计算机基本知识内容，包括基本概念和基本计算思维模块，在介绍计算机软、硬件的历史和未来发展趋势过程中贯彻计算机基本知识，包括二进制、冯·诺依曼计算机、图灵机、计算复杂性等计算机重要基础概念等。这部分内容比较近似于之前课程中计算机基本知识部分，但我们在教学改革中对其内容重新组织，从计算机重要的“分层”和“抽象”概念出发引导学生学习这部分知识，力图让学生领略到这些技术背后的基本计算思维内涵。通过学习计算机发展历史，让学生对整个计算科学发展有全局了解。endprint

2）计算思维层。

包括问题求解方法和算法模块，学生在学习了计算机重要基础知识后，开始深入学习计算系统底层具体思维和运行机制。这部分从系统和算法角度让学生学习计算机解决问题的方法，包括求解框架、典型案例的计算算法、具体思维过程和实现方法等，让学生在计算思维较高层次讨论计算机学科的根本问题和思维方式，深入了解计算机的工作和运行机理。这一部分内容体现了本课程的计算思维培养目标。

3）专业融合层。

最高层的专业融合层完成融合专业知识、提升学生在专业学习中应用计算思维的能力的任务。该部分从数据处理和网络计算角度，让学生领略到计算机目前最广泛的应用模式，从而在自己的专业领域加以运用。这部分模块属于变化较大的模块，目前仍然需要开发和扩充大量与其他专业更为紧密相关的案例和应用模式。

按照图1所示，不同类别学生在基本理论知识层内容是相同的，在第2层上，教育实验学院学生所学的算法和系统内容更为深化和多样，实现了差异化教学。在专业融合层，为理工类和文管类不同专业特色的学生设计了不同模块内容。理工类学生学习数据处理和计算网络知识，而文管类学生侧重学习用计算机处理数据和利用计算知识研究社会关系等。

2.3两阶段培养、可视化计算思维实践的实验环节

一直以来，实验教学通常是理论教学的辅助，和理论教学在章节内容上是对应的。但在我们的教学改革中将实验课程和理论课程定位为“互补关系”，实验课程具有相对独立性，在内容中体现“两阶段培养”的实验教学理念。第一阶段实验为计算机基础知识实践，包括Windows的使用、常用工具软件的使用、常见网络应用等。此阶段目标是培养学生对计算机基本操作技能和常用工具软件的掌握；第二阶段实验是关于计算思维的实验。这部分内容要求学生依据具体应用问题设计程序，实现典型算法。两阶段培养中的第一阶段目标就是要学生熟练掌握工作和学习中常用的工具类软件，为以后的学习和科研打下基础。

针对在本文2.1节中提出的第2个问题，即此阶段的学生尚未具备程序设计的基本知识和经验，我们认为，采用可视化编程工具是解决这一问题的有效方法。可视化编程工具支持可视化（Visual）程序设计，主要是让程序设计人员利用软件本身所提供的控件，构造应用程序的各种界面，可视化编程技术已经成为当今软件开发的重要工具和手段。

为此，我们在课程实验改革中引入可视化编程工具Raptor，使得尚未具备编程基础的大一学生能够实施算法实践和验证。Raptor是一种可视化的程序设计环境，其将程序设计中的要素以图形符号的方式展现，使得学生在不具备编程知识的基础上可以实践计算机中算法类问题。目前，它已经在卡内基·梅隆大学等世界22个以上的国家和地区的高等院校中使用。

在实验课程中设计了4个学时讲解Raptor工具并要求每个学生至少课堂完成8个基本算法实验任务。在实验课之外，要求学生用Raptor完成算法类大作业并撰写实验报告，以综合训练学生解决算法类问题的能力。教学过程和最后的调查结果表明，引入算法类可视化工具有助于实验教学取得良好效果。

3.改革实践和总结

在2013-2014学年，我们将改革后的教学内容对部分理工类班级开展了试点教学，试点专业涉及材料、自动化、电子信息专业等，在课程末期分别针对任课教师和学生做了教学效果调查，调查结果表明教学效果基本达到预期教学目标。

教师普遍感受为所带课程的难度和以往课程内容相比备课较难，但课堂氛围较好，内容受到学生关注，尤其实验环节引入了Raptor可视化程序设计工具，课堂氛围活跃，学生的学习兴趣和积极性较以往有大幅提高。

部分学生调查结果如图2和图3所示。图2是学生对计算思维认识的调查结果，显示出大多数学生（达到60%以上）理解了计算思维的概念，认识到计算思维和计算机基础课程的重要性，不仅仅只是学习工具应用，而是对今后理解和掌握计算机应用技术奠定基础，从无意识地应用计算机解决问题到有意识地培养自己的计算思维思想。图3为调查学生认为教学内容中哪部分收获最大，19%的学生认为计算思维有最大收获，居第二位置，说明这部分的学习为培养优秀学生的创新能力打下了良好的基础。

4.结语

通过教学改革，对比教师和学生的调查结果以及结合其他调查结果分析，我们总结了经验与不足。首先，计算思维是培养学生创新能力的重要方面，这在大学生全面素质教育和能力培养中承担着重要职责，教学过程和调查反馈显示出课程改革的必要性和方向是正确的，受到了大多数教师和学生的认可；其次，该课程改革具有适应和完善过程，从事该课程教学的教师需要不断地深化对计算思维的理解以及对典型案例的合理选择，并且要解决在课时少的情况下，如何有效组织教学内容，科学兼顾内容的广度和深度；最后，本次教改中出现的不足之处表明，今后的工作还需要继续推动基于计算思维的大学计算机基础教材建设，进一步探索计算思维的培养方式。endprint