基于计算思维的计算机基础教学改革——以安徽农业大学例

石 硕，张 武

(安徽农业大学 信息与计算机学院，安徽 合肥 230036)

基于计算思维的计算机基础教学改革
——以安徽农业大学例

石 硕，张 武

(安徽农业大学 信息与计算机学院，安徽 合肥 230036)

现代信息社会中，随着物联网、云计算、大数据等诸多新概念、新技术的不断涌现，高校的计算机基础课程面临着新的问题和挑战。根据农业院校的实际特点，结合安徽农业大学多年来基础教学改革总结的经验，讨论了在计算思维指导下的计算机基础改革新思路，包括：课程体系的完善、分层教学的问题、如何改变教学方法及在实践环节中开展计算思维训练等，可唤醒学生的内在学习驱动力，以学习为载体，培养计算思维能力，掌握计算机解决问题的一般过程。

计算思维；计算机基础课程；改革；分层教学

DOI号：10.13320/j.cnki.jauhe.2015.0058

美国卡内基梅隆大学计算机系主任周以真教授于2006年3月在美国计算机权威杂志ACM上发表并定义了计算思维(Computational Thinking)。她认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动；计算思维最根本的内容，即本质是抽象和自动化。并认为，计算思维不仅仅属于计算机科学家，还应该和阅读、写作和算术一样，是21世纪每个人必备的基本技能[1]。

从2008年开始，教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会在陈国良院士的带领下，组织多次专题研讨会，从计算思维基本概念出发，深入讨论交流。教育部高教司在2012年设立了以计算思维为切入点的“大学计算机课程改革项目”，并于2013年发表《计算思维教学改革宣言》和《计算思维教学改革白皮书》(征求意见稿)。

计算机和互联网技术在几十年的时间里飞速发展，单纯的知识传授已经远远不能满足学生的学习需求，如何在快速发展中找出规律和趋势，建立正确的思维模式，才是计算机基础教学改革的根本目标。计算思维是培养学生运用计算机科学的思想与方法分析问题、行为理解、系统建模与设计实现的能力。本文以安徽农业大学为例，根据农业院校的实际特点，结合该校多年来基础教学改革总结的经验，提出在计算思维影响下农业院校计算机基础课程教学改革的新思路。

一、计算机基础课程教学现状

计算机基础课程作为高校的一门重要公共基础课程，自开设以来，一直处于不断的改革和完善中，并在此期间积累了丰富的经验，取得了很多成绩，同时也培养了很多优秀人才。但在现代信息社会中，随着物联网、云计算、大数据等诸多新概念、新技术的不断涌现，高校的计算机基础课程面临着新的问题和挑战。一方面，计算机技术的飞速发展导致社会对专业人才计算机能力的要求不断提高，高校的计算机基础课程体系结构不得不处于一直不断的调整中；另一方面，各地区中小学对各种信息技术类课程的不同程度开展使得学生计算机操作水平的差异性越来越突出。

安徽农业大学作为农业类高校，下设18个学院，现有77个本科专业，主要分为3类：农林类、理工类、人文社科类。根据全校各专业的专业需求，目前采用“1+X”的课程设置方案，将“大学计算机基础课程”作为第一门课程。另外，针对学生计算机水平差异性问题，该校在大一新生入学时进行计算机水平分类测试，通过者即可免修基础课程，直接进入X课程。X课程根据不同专业进行设置，包括有：《VFP程序设计发》、《VB程序设计》、《C语言程序设计》、《Photoshop应用技术》、《网页制作技术》、《SQL数据库应用技术》、《Excel数据统计》等计算机应用类课程，很大程度上缓解了由于差异性导致的教学进度难以设计的问题。此外，以全面提高教学质量，培养学生创新能力等综合素质为出发点，该校信息与计算机学院对传统的“理论教学+实验”教学模式进行改革，将学生的理论教学也挪至实验室，实现“即时实验”，边教边学、任务驱动、教和学融为一体，这种教学模式的改革也在一定程度上调动了学生的积极性、缓解了眼高手低的问题。

在实际机房授课过程中，笔者发现至少80%以上的学生在入学前已经有了一定的计算机基础，不少同学在中小学阶段都学习过该课程。但是，大多数同学遇到问题，甚至同样的问题时，往往不知所措，解决计算机问题的办法是靠“回忆”，一旦“忘了”，重新“再学”。如此学习，难以激发学生的学习兴趣和创新能力，随着计算机技术的不断发展，需要“记忆”的知识越来越多，学习的步伐很难跟上。因此，不能在教学过程中只注重学生技能的培养，而忽视思维训练。

二、基于计算思维的计算机基础课程改革

面对计算机软硬件的日新月异，传统的计算机基础教学受限于各方面因素，很难做到“及时更新”，无法满足学生多层次的学习需求和社会发展需要，必须改革，计算思维正是计算机基础课程改革的一种推动。

计算思维培养强调的是：学会使用计算思维的基本方法解决问题远比学会具体解决问题的技术更为重要。如何培养解决问题的能力，针对农业类院校的特点，本文讨论了计算思维能力培养的几点“落地”[2]问题。

(一)改变认知

传统教学中过分重视技能的培养，如60个学时的计算机基础课程中，office部分设置了约30个学时，大多数的同学在中学阶段甚至小学阶段都学习过信息课程，尤其是office部分学过多次。此外，目前开设的课程过于陈旧，office和windows仍采用老版本，而学生普遍使用的是最新版本，导致课程被认为“无用”、“过时”，课程的学时不断被压缩，甚至于课程存在的必要性也受到质疑。

陈国良院士指出，大学计算机教育要培养3种能力：使用计算机的基本能力(Computer Literacy)、理解计算机系统的熟练能力(Computer Fluency)、训练有素的计算思维能力(Computational Thinking)。《China Computing Curricula 2002》也指出：“从问题的抽象描述到具体实现，以及从研究对象的表示形式到相应的处理方法，都要求本学科的工作者具有较强的计算思维能力，而计算思维能力在较大的程度上是以思维方式的数学化为支撑的。所以，学生在思维方式的数学化上受到良好的训练是非常重要的。”

身为教育工作者，在教学中，注重的不是学生记住了如何操作，而是理解了如何操作；重点不是操作本身，而是理解，即计算思维的能力的培养。事实上，随着物联网、云计算、大数据等诸多新概念、新技术的不断涌现，社会对专业人才计算机能力的要求不断提高，计算机基础教学“任重而道远”，需要广大教学工作者在实际教学中不断地积极思考和探索。

(二)教学体系的调整

周以真教授指出，计算思维指的是一种能力，这种能力通过熟练掌握计算机科学的基础概念而得到提高。这些基础概念可用外延的形式给出，如约简、嵌入、转化、仿真、递归、并行、抽象，分解、建模、预防、保护、恢复、冗余、容错、纠错、启发式推理、规划、学习、调度等。ACM前主席Denning教授系统地总结了计算的7类原理，称之为“伟大的计算原理”，即计算、通信、协作、记忆、自动化、评估和设计7个类别。

思维能力的培养不同于技能的培养，无法复制技能的“短、平、快”特点，需要在本科阶段有一个不间断的巩固提高过程。针对农业类院校，本文提出“1+X+Y”模式教学。

大学第一门计算机基础课程是计算思维培养的一个关键[3]。针对农业类院校本身的特点，可以包括以下内容：

1.计算机的发展史：包括计算机的诞生和发展，各种新技术的出现以及新概念的提出。

2.计算思维基础：计算思维的概念、研究内容及对其他学科的影响。

3.计算原理：信息表示和编码、计算机的工作原理、图灵模型、冯·诺依曼机、计算机组成原理、计算本质及存在的局限性。

4.软件原理：包括常见系统软件、应用软件的功能和原理。

5.计算机网络：计算机网络的各种分类、计算机网络的组成、ISO参考模型和TCP/IP协议、Internet基础和常见应用。

6.问题求解和程序设计：问题求解的一般过程和计算求解问题的特点、程序设计语言的分类和一般结构。

第二学期的X课程是深化计算思维的重要环节，根据学生专业方向进行分类教学。以安徽农业大学为例，农林类可以开设数据库相关课程，如《SQL数据库应用技术》、《Access数据库应用技术》、《Excel数据统计》等；理工类可以开设程序类课程，如《VFP程序设计发》、《VB程序设计》、《C语言程序设计》、《C++程序设计》、《Java程序设计》等；人文社科类可以开设多媒体应用相关课程，如《Photoshop应用技术》、《网页制作技术》、《多媒体应用》等。其中数据库相关课程可包括：数据库系统的发展和分类、数据模型、数据库安全、数据库的管理和维护、数据库系统开发原理等。程序设计课程包括：程序设计语言的发展和分类、数据类型和数据结构、面向过程程序设计和面向对象程序设计、图形界面编程、函数(类)库的使用、常用算法设计、软件设计的一般过程等。多媒体应用相关课程可以涉及：多媒体的概念和分类、多媒体文件格式和标准、多媒体数据表示及压缩技术、各种多媒体处理技术等。

Y课程是对计算思维的升华，主要针对公选课，可以在第三/四学期或者小学期开展，由学生自己根据个人兴趣、专业特点自由选择，课程包括：《Authorware多媒体课件制作技术》、《3DMax设计》、《AutoCAD计算机辅助设计》及《PowerBuilder程序设计及开发》、《web开发技术》、《农业信息技术》、《计算机网络》、《ASP与网络数据库技术》、《电子商务》等。Y课程旨在提升学生的计算机素养，深化计算思维。

(三)教学方法的改进

目前，安徽农业大学计算机基础课程已经改进教学方法，将理论课程和实验课程合并统一安排在机房授课，在课堂上实施交互式教学，取得了不错的效果。但是，不少学生仍将计算机基础课程视为单纯的操作技能课程，认为只要按照操作步骤完成任务即可。甚至部分教师在授课过程中也机械地将课程划分为“理论部分+实验部分”，认为理论部分就是教授枯燥的原理和结论，实验部分就是示范具体操作步骤，忽视了处理问题的思路。导致学生学习起来“依葫芦画瓢”，很容易完成任务，但在处理进一步的问题甚至相似的问题时却不知如何下手。

教育重要的是要唤醒学生的力量，培养其自我性、主动性、抽象的归纳力和理解力，计算机基础教学改革的核心任务是计算思维能力的培养[4]，引导学生自己发现问题、认识问题、解决问题、理顺求解思路。教学中应该积极转变原有教学模式[5]，明确教授的重点不是知识本身，而是知识背后的思想。教学过程应该从“有组织有目的的知识传授活动”逐渐过渡到“不断引导学生从操作上升到计算思维的形成”。

以问题求解和程序设计中的递归为例，思路如下：

1.目标的明确/兴趣的产生(汉诺塔问题)：观看游戏视频并讨论。

2.知识的回顾(函数的定义、调用、嵌套调用)

3.知识的传授(递归模型，包括递推公式、终了公式)

4.结果的分析(移动盘子的次数、花费的时间)：讨论并引导学生发散思维。

5.课后作业(算法的时间复杂度、空间复杂度及递归的缺陷)：鼓励学生课外查找资料，不断拓展知识面，对问题作深入思考。

此外，鼓励学生使用MOOCs平台，如爱课程等，利用碎片化时间完成个性化学习需求，也能有效缓解计算机操作水平差异性问题。

(四)强化实验环节

计算思维能力的培养不能仅仅依靠课堂教学获得，而要通过一系列相关的实践训练达成。实验中应该注意在课堂教学中逐步淡化操作步骤的示范，结合农业院校各专业特点，精心设计实验环节，尊重学生主体作用，唤醒学生自己的力量，培养学生主动性、探索性，将“怎么做”改为“为什么”，强调问题求解的一般方法。

以求n!为例，思路如下：

1.问题的描述(求n!，n>=0)

2.面向计算机的问题分析(计算机是否可解？可将问题展开为(n-1)!*n)

3.问题求解(采用循环的方法；采用递归的方法)：忽视操作步骤的示范和实验结果，重视启发学生的解题思路，可设置问题：是否需要考虑n<0的情况，何时考虑？

4.知识的总结和回顾(循环的一般过程；递归的一般过程)：展开讨论，比较两种方法的特点，如何选择，如何优化。

5.练习与思考(如菲比那切数列如何解，解题中需要注意的问题)

在实验环节中给予及时的学习指导(如现场答疑、评估作业)，重视学生对结果的分析和拓展，鼓励学生多做课后阅读与讨论。定期开设课程设计环节，培养学生解决问题时的观察能力、实践能力、思维能力。此外，组织学生参加校级、省级、国家级等信息素养与核心技能大赛，激发学生学习计算机应用知识的积极性。

(五)完善评价体制

真正激发学生的兴趣，让计算机基础课程的学习成为学生内在需求，在教学中满足绝大多数学生的学习需要，科学的评价体制是赢得学习情感的有效手段。

学生入学时计算机基础存在差异性，用传统的总结性评价方法难以衡量学生的进步。只有注重学生的学习过程，关注学生的点滴进步，才能充分激发学生内在的学习驱动力，帮助学生有效调控自己的学习过程，增强自信心。

改革单一的评价制度和评价方法，在计算机基础课程中实施过程评价行动研究法，采用过程评价、阶段评价和综合评价相结合的评价体制，如课堂表现性评价法、成长记录评价法、互助评价法、问卷调查评价法、反思小结评价法等。在实际教学中注重学生整个学习过程，精心记录和评价学生学习过程，帮助学生发挥主观能动性、不断认识自我、增强自信，全面提高学生的计算机素养。

具体内容有：

1.入学测试(记录入学成绩，有针对的对学生分级实施教学内容)

2.问卷调查(了解学生对信息技术基础课程的认识)

3.精心划分教学模块(分模块设置课程设计环节)

4.设置成长记录评价表(及时记录每次试验成绩)

5.设置互助评价表(设置讨论环节中定期同学互评)

6.设计反思小结环节(分模块提交课程总结与课外拓展)

7.设置学习结业考试(与入学测试做对比，总结教学中的经验与不足)

三、实施效果评价

在计算思维影响下，根据农业院校的实际特点，安徽农业大学积极推进计算机基础课程的改革，涉及课程体系的完善、教学方法的改进、实践环节的完善及评价体制的调整等方面，取得了如下进步，证明该项改革的一系列措施行之有效。

1.促进了教师队伍认清教学目的。在计算思维的指导下，教育工作者能够在教学改革中不断认清教学的目的并非技能的灌输，而是计算思维能力的培养。进而在教学中不断积极思考，及时调整教学内容和教学方法，以教学任务为载体，不断启发和引导学生，逐步培养学生的计算思维能力。

2.提升了学生对计算机基础课程的认可。在此次基于计算思维的教学改革中，针对该校学生开展了部分问卷调查，包括课程内容、上课兴趣度、对计算思维的认知、对专业的帮助度等。问卷统计的结果表明：90%的学生对课程学习感兴趣并认可课程内容；85%以上的学生能够理解计算思维的基本概念并认为对今后的专业学习有一定意义。

3.缓解了基础差异性的问题。传统的计算机基础教学内容与中小学信息技术有不同程度的重合，采用传统的教学模式难以激发学生的积极性。引入计算思维后，学生学习的主要任务是发现问题、认识问题、解决问题，从而掌握求解问题的一般方法。同时鼓励学生利用网络平台完成个性化学习需求，以及多重的评价体制，能够有效改善入学时的操作水平差异性问题。通过改革调整，学生的平均成绩由之前的71.6上升至76.8，不及格率也由之前的7.7%下降到2.1%。

4.提高了学生学习的积极性。在改进教学内容和教学方法后，学生的学习积极性明显提高，乐于主动参与到问题的求解中去。在安徽农业大学首次积极筹备的中国大学生计算机设计大赛选拔赛中，经过评选，推荐34件作品至第7届中国大学生计算机设计大赛，取得了省级预赛获奖作品23件，国赛获奖作品11件的成绩。

5.完善了配套的教学资源。根据教育部非计算机专业教学指导委员会关于“非计算机专业计算机基础课程教学基本要求”，以计算思维方法为主线，编写了配套教材《信息技术基础教程》及《信息技术基础实验指导》，教材中压缩了部分操作性内容，增加了计算思维、程序设计和多媒体技术等，突出学生综合能力的培养。同时，在教改中，安徽农业大学积极组织教师投入到计算机基础教学网站的建设中，包括：教学内容的完善、相关教学视频的建设、优秀学生作品展示、讨论问答区等。

四、结语

多年来，安徽农业大学的计算机基础课程一直在不断的改革完善中，期间取得不少成绩，也培养了很多优秀人才。随着云计算、大数据等诸多新概念、新技术的不断涌现，计算机基础课程开始面临新的任务。在新形势下，计算思维的提出为计算机基础改革提供了新思路和新要求。如何以计算思维能力培养为核心，引导学生利用计算思维求解问题，掌握计算机解决问题的一般过程，体验“计算之美”，是作为计算机基础教学工作者在今后需要不断思索的问题。

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

[ 2 ] 冯博琴.对于计算思维能力培养“落地”问题的探讨[J].中国大学教学,2012(9)：6-9.

[ 3 ] 陈国良,董荣胜. 计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教育，2011(1):7-11.

[ 4 ] 九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学,2010(9):1-3.

[ 5 ] 谢旻.面向非计算机专业的计算思维培养模式探讨[J].课程教材改革,2013(7):109-110.

(编辑：王 佳)

2014-12-01

安徽省质量工程重点教研项目(编号：2012jyxm135)；安徽省省级教研项目(编号：2013jyxm050)。

石 硕(1982-)，女，安徽寿县人，硕士，讲师，主要从事计算机教学与研究。

G642

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1008-6927(2015)02-0102-05