以计算思维为导向的大学计算机课程改革探索* 1

钟　琦

(赣南师范学院 数学与计算机科学学院，江西 赣州　341000)



以计算思维为导向的大学计算机课程改革探索* 1

钟琦

(赣南师范学院 数学与计算机科学学院，江西 赣州341000)

摘要：计算思维不仅是计算机专业学生应该具备的素质和能力，也是所有大学生应具备的重要素质和能力.大学计算机课程是高校本科生通识教育的重要组成部分，本文在对课程目标和内容深入剖析的基础上探索出以计算思维为导向的大学计算机课程教学改革方案.

关键词：计算思维；大学计算机；改革

1引言

信息技术革命日新月异，移动通信、物联网、云计算、大数据这些新概念和新技术的出现，在社会经济、人文科学、自然科学的许多领域引发了一系列革命性的突破.信息技术已经融入社会生活的方方面面，深刻改变着人类的思维、生产、生活、学习方式，深刻展示了人类社会发展的前景.随着这一进程的全面深入，无处不在的计算思维成为人们认识和解决问题的基本能力之一[1].

计算思维与人们的工作和生活密切相关，也是人类不可或缺的一种生存能力.不仅计算机专业学生应该具备这种素质和能力，培养学生的计算思维能力，会影响学生未来的创新思维[2].并非每一个学生都要成为计算机科学家，但是我们期望他们能够正确掌握计算思维的基本方式，这对于从事科学研究或者社会实践都是终身有益的；对于在各自的专业领域熟练应用计算机技术是十分必要的[3].

教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会(2013-2017)(以下简称“教指委”)确立了推进课程教学改革的总体目标：明确以计算思维为导向的改革方向、探索多元化的教学方案、推动以在线开放课程为代表的教学模式改革、完善课程教学成效评测方式，从而建设适应时代要求的新的大学计算机基础教学体系[4].

以计算思维为导向的大学计算机课题教学改革，其目的是通过梳理核心知识体系，改革教学内容和教学方法，将计算思维培养建立在知识理解和应用能力培养基础上.怎样在有限的教学学时内合理安排教学内容，呈现计算思维的思想;在教学设计和教学实施环节中将隐形于计算机理论知识和实践操作中的计算思维方式通过明确的教学任务和活动案例呈现给学生;在提炼大学计算机教学相关知识模块中涉及计算思维的核心概念等环节中，将“计算思维”能力的培养作为课程教学的核心任务，建设更加完备的教学体系和教学内容，以适应新的培养目标[5].

2基于计算思维的课程教学目标和内容体系剖析

计算思维的培养是渗透在传授知识和应用训练的过程中，因此大学计算机课程的教学目标应基于计算思维的视角提出.将计算思维培养建立在知识理解和应用能力培养基础上，并从中养成较好的计算思维素质，教学目标包括以下几个方面[6]：认知与理解计算机分析问题解决问题的方法；应用计算机技术分析解决问题的能力；正确获取、评价与使用信息的素养；基于信息技术手段的交流与持续学习能力.

为更好地理解计算机基础教学中的42个核心概念，将核心概念分类能更好的表达计算思维的基本内涵.为在课程中渗透和强化这些概念，又将课程知识领域设计调整为以下三个领域：系统平台与计算环境(包括信息与社会、计算机系统、计算机网络)；算法基础与程序开发(包括计算模型、算法与程序设计、软件开发)；数据管理与信息处理(包括数据管理与组织、多媒体信息处理、分析与决策).

以上每个知识领域又包含多个知识子领域，不同知识内容的重要性对应不同层次的教学需求，各知识点又被细分成统一必修、分类必修和扩展选修三类.统一必修指绝大部分内容为各层次各类型学生必须要学习和掌握的知识内容；分类必修是一般要求每个学生必须掌握该部分知识内容的20%以上；扩展选修是可以作为必修课程的扩展内容，也可以设计成选修课程的部分.

分类关注点相关核心概念掌握重点计算(3)可计算性和计算复杂性计算模型、可计算性、计算复杂性了解计算发展的历史;了解图灵机、可计算性、计算复杂性等基本概念.抽象(4)关注对象的本质特征抽象、抽象层次、概念模型、实现模型理解抽象及其过程;了解概念模型与实现模型;掌握利用概念模型对问题进行分析和建模;了解抽象层次及虚拟机概念.自动化(7)信息处理的算法设计算法、程序、迭代、递归、启发式策略、随机策略、智能理解算法、程序概念;掌握迭代、递归等基本方法;了解典型问题算法求解策略.设计(6)可靠和可信系统的构建分解、复合、折中、可靠性、安全性、重用性了解分解、复合、试错、折中等设计系统的基本方法;了解信息封装、接口、原型系统等概念;了解实现重用性、安全性、可靠性的思想.评估(5)复杂系统的性能评价评价指标与基准、瓶颈、冗余容错、性能仿真了解度量系统性能的指标和常见方法;理解瓶颈、冗余、容错的概念;了解可视化建模与仿真.通信(7)不同过程和对象间的可靠信息传递信息及其表示、信息量(熵)、编码与解码、信息压缩、信息加密、校验与纠错、协议理解信息编码思想;理解信息在计算机内的表示与存储方式.掌握基本编码方法;了解通信可靠性保障基本思想.协调(5)多个自主计算实体间有效配合和时序控制同步、并发、并行、事件、服务理解并发、并行、同步、死锁、事件、服务的概念;了解常见的协同策略与机制.记忆(5)信息的表示存储和检索数据类型、数据结构、数据组织、检索与索引、局部性与缓存理解常用数据类型和数据结构的概念;了解数据类型、数据结构与算法和程序的相互关系;掌握选择数据类型和数据结构的方法;了解提高数据管理、访问效率的常用方法.

在教学体系规范，知识体系、实验体系和课程实施方案等方面，不同专业类别和培养目标差异对课程实践能力方面的要求各有不同，而通过实践教学培养学生的实践能力，是教学质量的重要落脚点和计算思维能力培养的重要体现.在各个具体课程的教学组织过程中，应重视课程实践项目的设计，将课程内容恰当地融入所设计的项目当中；应鼓励多设置综合型、设计型实验项目，而不仅仅是验证型实验及单一知识的基础实验；应鼓励开设学科交叉型、自主型、开放型实验.

一般来说，大学计算机实践教学可按以下几个层次进行设计.

在目前大力推广在线开放课程的形势下，可以积极通过线上线下的混合教学模式，开展研讨式、探索式、协作式的实践学习活动，积极开展“综合设计型实验”和“研究创新型实验”，既可以为学生课外开展探索实践提供良好的数字教学资源，又可以为学生课内交流和展现成果提供可行的时间和空间条件.

随着计算机技术的发展和广泛应用，大学计算机课程体经历了“三个层次”课程体系、“1+X”课程体系、直到现在为适应计算机思维能力培养而提出的“宽专融”课程体系.“宽专融”课程体系主要包括通识型、技术型和交叉型三类课程，其中大学计算机课程是通识型的典型课程.因此在此种课程体系下的大学计算机课程的教学内容会因不同学校不同专业培养方案的不同，其内容的组织方式和侧重点也会有所不同.主要有基本型、问题求解型和系统型三种方案，基本型侧重于知识内容广，问题求解型是突出培养基于算法和程序设计的问题求解基本方法和能力，而系统型则是从计算机思维培养的角度组织和表述教学内容.

要促进大学计算机课程的教学改革提升课程教学质量，需要建立科学规范严格可行的教学质量保障体系.教学质量保障体系涉及课程体系建设、教学环境与资源建设、教学模式与方法、师资队伍建设和教学质量评价等几个方面.

课程体系应围绕学校办学目标和人才培养定位，充分考虑学生计算思维能力的培养，开展分类、分层的多样化教学来设定.教学环境与资源主要体现在教学环境、教材和教学资源三方面：教学环境体现在学校在多媒体教室、计算机实验室和网络学习环境方面的建设；教材建设要重视计算思维培养需求、有一定的先进性、有配套的数字化资源、有配套的实验教材和体现学科交叉；教学资源方面要鼓励数字化课程教学资源、素材库、试题库、微视频、课件、参考资料等多种资源的建设；教学模式和方法要充分重视和研究以MOOC为代表的新型教学模式，深入研究模式中所界定的教学理念、教学设计、教学规律和适应对象，总结教学改革成果并积极探索混合式教学模式[7]；师资队伍体现在课程教学、教辅人员稳定且师资结构合理，学校要有支持专任教师参加国内外进修、访学、学术交流的制度和经费保障，要制定相关的考核制度和人才竞争机制保障以课程教学开展和实施，支持教师积极开展课程教学改革研究并鼓励教师申报各类教学研究和改革项目；教学质量评价可从期末“一锤定音”考核转为面向学习过程考核、从知识考核向能力考核转变、或采用多元化考核等多种考核方案[8].

3大学计算机课程教学改革方案探索

赣南师范大学是一所面向全国29个省(市、区)招生本科师范院校，存在学生水平参差不齐的现状，在结合不同学科专业特点的基础上设计合适的教学方案很有必要.

“大学计算机”课程是高等学校计算机基础教学核心课程，是大学通识教育的重要组成部分，其教学目标是全面培养学生的信息素养、计算科学修养和计算思维能力，提高学生的计算机应用水平和计算机问题求解能力，为后续课程的学习奠定基础.作为一门操作性实践性要求较高的课程，在教学中如何将理论知识的理解应用于实践操作中，需要针对重要的知识点设计出在实用应用中有可能遇到的典型案例，反复进行讲解和训练，提高学生利用所学解决实际问题的能力[9].

根据本校人才培养目标、学生基础和学科专业特点，坚持课程设置与课程内容的基础性，培养学生的核心知识、核心能力和核心素养，课程的教学内容和教学要求除了要对课程的理论知识进行应用验证外，还将在实践教学中选择实际应用中有可能遇到问题，特别是难点问题进行讲解和训练，从而提高学生实际应用和解决问题的能力.

因此建议将大学计算机课程模块分二个学期开设，具体课程名称及学时安排如下表所示.

课程名称学时总学时 理论 实践周学时开课学期备注大学信息技术基础4024162+21全部专业网站设计VB程序设计办公自动化实用技术EXCEL提高ACCESS实用技术6464646464323232323232323232322+22+264646422222文科、艺体类专业至少修读1门C语言程序设计6432322+22理工类专业

新生入学第一学期开设大学信息技术基础课程，该课程是全校文、理科非计算机专业的通识公共基础必修课，理论知识模块主要有计算机文化、计算机基础、计算机硬件、计算机软件、排版设计与应用、电子表格制作与应用、演示文稿设计与应用、计算机网络、计算机安全、计算机素质教学、IT新技术；实验操作项目主要有微型计算机硬件系统的安装和设置、操作系统的安装和设置、常用工具软件的应用、排版设计基础与综合应用、电子表格制作与应用、演示文稿设计与应用、互联网应用技术、网络安全防范等部分组成. 第二学期课程开设主要结合各教学学院及各专业特点的不同，由教学学院选择开设不同的课程，课程选择应注重与专业相结合，主要在办公自动化实用技术、网站设计、VB程序设计、C程序设计、EXCEL提高或ACCESS实用技术等实用课程中选择开设.

总体课程的教学模块可分为基本模块和拓展模块，在有限的教学学时下要完成教学任务可采用教师讲授、小班研讨、翻转课堂等教学手段重点学习，相应配合课后习题、上机实验等教学环节巩固学习效果.推进教学方法改革，倡导以学生为主体的启发式教学，使案例教学、问题研讨、项目探究等教学方式成为课程教学常态.

拓展模块以提升学生学科的认识，理解学科对其他学科的推进作用和扩展学生视野为目的，这方面的内容十分丰富，应该采用“学生为主、教师为辅”的教学形式.教师应给学生适当的指导，使学生按照自己的愿望和兴趣主动地完成此部分的教学内容.学生采取的主要的学习形式包括获取信息和文献、学习知识、表达观点、沟通交流[10].

因教学任务的学时相对较少，在教学中应统筹安排以培养创新精神、增强实践能力为目标的专业技能实训项目、科技创新活动和社会实践等内容；深化实践教学方式改革，加强综合性实践科目设计和应用，着力推行基于问题、项目或案例的教学方式和学习方法；加强实践育人基地建设，强化实践教学管理，提高实践教学成效.

建议在实践教学中采用典型案例实验项目，项目设计原则：结合理论教学，反映并验证对应知识点；尽可能覆盖到各种应用情况，提升学生知识面和技术，突出重点和难点，为应用中可能遇到的问题给出解决方案，提高学生解决实际问题的能力[11].

教学典型案例实验项目设计要素应包括8个方面，如表所示.

序号项目内容1案例名称反映实验的核心内容.2案例目的项目预期达到的目标,掌握、熟练哪些技能点、理解或了解哪些知识点.3案例类型基本型、综合型或探究性.4案例任务具体实践内容.5案例条件实践所需的硬件设备、软件系统、网络环境.6案例分析给出设计该案例的出发点、问题分析、解题思路、实验难点分析、经常性错误分析等.7案例实现案例解答步骤,如操作步骤等.8实验拓展在本实验基础上的应用拓展,给出一个或几个相关练习以巩固相关知识点.

“大学计算机”是理论和实践结合得较为紧密的课程，课程考核建议分为上机实验、课堂表现、自学和期末考试四个部分，总成绩采用各部分成绩加权求和方法获得，加强过程管理，避免期末考试时死记硬背，全面考核学生的学习效果和综合应用能力.期末考试题型应尽量避免全部采用客观题的命题方法，增加主观题数量，更好地考查学生对问题的理解.题型应多样化，难易程度上要有适量的创新性题目，切忌全部死记硬背，不能考查学生的真实能力[12].

任课教师在课程的教学设计和教学过程中要有意识地引导、潜移默化地培养学生的计算思维能力，明晰课程教学内容和计算思维的相互关系，即本课程主要体现哪些计算思维核心概念；明晰计算思维能力培养的实现途径，即通过哪些知识模块体现计算思维[13].

4结语

2010年以来，部分高校开始敏锐地跟踪到国内外关于计算思维能力培养的动向，大学计算机课程在稳步发展过程中逐渐迎来了重大的转折期，国内9所高校聚会西安，经过认真讨论提出了“以计算思维为核心的大学计算机基础课程教学改革”的联合声明，标志着我国大学计算机课题教学进入了新阶段.确立了“大学计算机”作为大学通识型(基础类)课程的地位，促进了课程教学内容在新时代的改革与深化；确立了以计算思维培养为导向的课程教学内容改革的总体目标.以计算思维为导向的新一轮教学改革在各高校逐步推进，开始了在互联网时代对于大学计算机基础教学内容改革的深入思考和大胆实践.教育部高等教育司设立了“大学计算机课程改革项目”，十余所高校在承担项目研究任务的基础上提出了“大学计算机”课程的改革方案，并在近百所高校进行了试点，普遍取得了良好效果，提供了宝贵的经验.以专业需求和计算思维为导向是当前大学计算机课程的主流形式，未来仍需要开课学校的大力支持以及专任教师的共同努力[14].

参考文献：

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

[3]钟琦.大学生数字化学习影响因素研究——以赣南师范学院为例[J].赣南师范学院学报,2014,(3):64-68.

[4]第二届全国“计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会”在哈尔滨成功举办[J].中国大学教学,2013,(8)：96.

[5]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.

[6]陆枫，金海.计算机本科专业教学改革趋势及其启示——兼谈华中科技大学计算机科学与技术学院的教改经验[J].高等工程教育研究,2014,(5):180-186.

[7]战德臣,聂兰顺，张丽杰，等.大学计算机课程基于MOOC+SPOCs的教学改革实践[J].中国大学教学,2015,(8)：29-33.

[8]林旺.基于计算思维的大学计算机教学研究[J].中国大学教学，2015,(9)：55-58.

[9]战德臣，聂兰顺.计算思维与大学计算机课程改革的基本思路[J].中国大学教学,2013,(2)：56-60.

[10]焦纯，卢虹冰，张国鹏,等.面向计算思维培养的医药院校计算机基础课程教学改革研究[J].中国大学教学，2013,(8)：41-43.

[11]龚沛曾，杨志强.大学计算机基础教学中的计算思维培养[J].中国大学教学,2012,(5)：51-54.

[12]王飞跃.面向计算社会的计算素质培养：计算思维与计算文化[J].工业和信息化教育,2013,(6)：4-8.

[13]何钦铭，陆汉权，冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养—— 《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》解读[J].中国大学教学,2010,(9)：5-9.

[14]李廉. 以计算思维培养为导向 深化大学计算机课程改革[J].中国大学教学，2013,(4)：7.

* 收稿日期：2016-03-06

DOI：10.13698/j.cnki.cn36-1037/c.2016.03.026

基金项目：江西省教育规划课题(13YB109)；江西省教改课题(JXJG15-14-6)

作者简介：钟琦(1976-) ，女，江西赣州人，赣南师范学院数学与计算机科学学院副教授，主要研究方向为信息技术教育、计算机科学与应用.

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：1004-8332(2016)03-0106-04

Exploration on the College Computer Course Reform based on Computational Thinking

ZHONG Qi

(SchoolofMathematicsandComputerScience,GannanNormalUniversity,Ganzhou341000,China)

Abstract:Computational thinking is the quality and capability that not only the computer science majors but also all the university students should have. Computer course is therefore an intergral part of the general education for the university undergraduates. Based on an in-depth analysis of the curriculum objectives and content, this paper attemps to explore a computer-thinking oriented reform program of the computer curriculum for th non-major students in the unversities.

Key words:computational thinking; college computer course; reform

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/36.1037.C.20160510.1229.060.html