培养计算思维能力的计算机基础课程教学内容设计

蔡美玲

摘要：文章从教学内容入手，分析现阶段课程内容的教学现状，提出内容不断更新、体现实用性、具有典型性、理论与实践结合的改革思路，介绍面向计算思维能力培养的教学内容设计。

关键词：大学计算机基础；计算思维；教学设计；面向应用

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2018.10.019

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1671—1580（2018）10—0079—04

一、背景

大学计算机基础课程是面向非计算机专业大学生通识必修课程，是培养信息时代大学生综合素质和创新能力不可或缺的重要环节。随着计算机科学和技术的飞速发展，计算机学科的知识更新周期越来越短，传统的计算机基础课程中以Windows及Office等应用技能为主的教学内容远远滞后于学科发展。此外，教育部从2001年开始普及中小学信息技术教育，纳入了许多传统的大学计算机基础的技能应用型的教学内容，传统的大学计算机基础的学习内容已经跟不上大一新生的学习需要。在这种情形下，迫切需要对大学计算机基础课程进行教学改革。

2010年，北京大学等9所高等学校发表了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，确定将培养计算思维能力作为计算机基础教学的核心任务。2015年，教指委（教育部高等学校大學计算机课程教学指导委员会）又发表了《大学计算机基础课程教学基本要求》，进一步明确了大学生计算机能力的培养目标：不仅要理解计算学科的基本知识和方法，掌握基本的计算机操作技能，还要培养计算思维，掌握应用计算机技术分析解决问题的一般方法。目前，计算思维的概念已经得到了广泛认同。然而，面对非计算机专业学生的计算机能力培养，如何有效推进以计算思维导向的教学改革仍然是对非计算机专业的计算机教育的挑战，同时也是需要继续深入研究的课题。

教学改革首先要改革的是教学内容。内容是知识的第一载体，是教学的纲领。要培养计算思维能力，首先和重点就要设计与提炼表达计算思维过程的教学内容。计算思维的核心概念是经过高度概括和总结的抽象理论，并不适合成为直接的教学材料，其培养要渗透在具体的学科知识传授、应用能力训练的过程中。如果教学内容不能体现计算思维的方式和过程，就很难开展计算思维能力的培养，因此，我们期望以教学内容改革为切入点，在大学计算机基础教学中推进计算思维能力的培养。

二、现状分析

目前许多国内高校都开展了面向计算思维能力培养的大学计算机基础课程教学，作为从事计算机基础课程教学的教师，通过教学实践、问卷调查、院校交流、文献查阅等方式，发现现阶段的基于计算思维的课程教学中仍然存在不少问题，其中与教学内容相关的问题主要包括以下几方面。

（一）教学内容相对滞后

近年来计算机技术发展迅速，但是很多高校的计算机基础教学内容却没有及时更新，涉及的教学内容还是平台和软件的操作与使用，所以学生无法学习到最新的计算机技术和知识。教学内容不够新颖、实用、有趣，缺乏深度。

（二）教学内容针对性不强

大学计算机基础课程是除计算机专业以外所有的专业都要学习的课程，但各专业之间的学生在思维方式、学习兴趣、理解能力、基础知识等方面都有所区别。如果教学内容没有专业的针对性，无法与专业结合满足需求，学生就没有学习的兴趣，更遑论培养其计算思维能力了。

（三）理论课程内容宽泛，点多却不深入

按照教指委的指导意见，课程教学内容一般包括：信息与社会、计算机体系结构、操作系统、计算机网络、算法与程序设计、数据库技术、信息安全等。内容宽泛加上课时压缩，教学往往点到即止，面对纷繁复杂的计算机专业词汇，学生对于理论知识的学习变成了概念和知识点的简单记忆，无法真正进行计算思维能力的培养。

（四）理论与实验教学脱节

理论教学内容侧重于计算机解决问题的基本工作原理，概念、原理和方法的内容偏多，但许多高校的实践实验仍以传统的Windows及Office工具软件的学习为主，理论课程内容不能融入课程实践，理论与实验教学脱节，实验课并没有很好地发挥深化理论知识，培养应用能力、计算思维能力和信息素养的作用，学生普遍感觉理论知识的学习枯燥无味、抽象、难以理解，教学效果差。

三、改革思路

通过对大学计算机基础教育教学内容的现状进行分析，不难发现，计算机基础教学作为非计算机专业的大学入学基本课程，必须在教学内容上不断深化改革，才能不断适应时代变化的需求。

（一）不断更新教学内容

围绕计算思维能力的培养目标，重新设计和组织教学内容。针对原有的计算机基础课程局限于传统的计算机基本知识与理论教学的不足，整合、拓广、深化教材内容，突出重要的概念与能力训练，引入最新的学科前沿知识，例如当今人们所关注的人工智能、物联网、云计算、大数据等前沿技术介绍等，将其作为重要的专题引入课堂，不断提升教学内容的新颖性、实用性和趣味性，有效提升了大学计算机基础课程的内涵。计算机新技术本身就是计算机技术发展到一定程度后针对新的问题的解决方案，体现了计算思维过程。

（二）结合专业特点，合理组织教学内容

首先，在基本内容不变的前提下，明确各类专业与计算机的交叉知识点，适当引入计算机学科特别是计算机新技术在该专业领域应用的知识或者技能，使计算机基础课程的教学内容体现专业特色，使学生能够从自己专业领域的角度审视信息技术，更好地规划专业学习课程。例如，文学类专业的学生可以介绍计算机写诗、写小说等实例及其中的计算机技术，音乐类专业的学生可以介绍音乐编制作曲软件、计算机自动生成乐曲、音乐识别与比较等实例及其中的计算机技术。这些与专业相结合的计算机技术本身即是利用计算机解决实际问题的一般方法，体现了计算思维过程。具有专业特色的学习内容还可以有效提升学生的学习兴趣、开阔学术视野培养探索精神。

（三）加强实验与理论互动

大学计算机基础课程实践性很强，实验是教学过程中必不可缺的重要教学环节。要培养学生的计算思维能力，首先就要求学生要能灵活使用计算机这一基本的计算工具，在此基礎上还需有一定的实践积累和动手操作能力。为此，要精心编制设计实验项目。实验内容除了面向基本操作技能训练，还要立足理论知识点，加强应用能力训练，使学生在应用计算机过程中加深对计算机的基本概念和功能的认识和理解，掌握应用计算机技术解决问题的方法和思路，在实践过程中自然而然地体会计算思维，从而潜移默化地具备计算思维的能力，培养分析问题、解决问题的能力。

基本技能训练包括操作系统的设置、使用和维护，办公软件（Office）的应用、Internet的基本使用等，应用能力训练包括算法与程序设计基础，数据库的建立、使用和维护，网络安全设置等。

（四）删繁就简，提炼典型计算思维培养内容

目前，大部分高校的大学基础课程课时并不充裕，但课程内容宽泛，要在有限的课时内达到计算思维能力培养的目标，实现问题求解能力的培养，势必要梳理课程核心知识体系，提炼最能体现计算思维理念的内容重点展开教学。许多大学生已经具备了一定的自主学习能力，对他们来讲，并不需要老师在课内喋喋不休地讲解很多基础性、概念性的知识点或操作方法，新型学习环境（网络化、在线教育等）下学生完全可以根据发布的学习任务和学习资料按个体经验和需要进行自主学习，教师只需要在必要的时候进行答疑即可。

四、面向计算思维能力培养的教学内容设计

基于上述分析，参照教指委编制的指导意见，高校非计算机专业大学计算机基础教学内容应该立足计算思维能力培养，具有时代特征，体现一定的新颖性；与专业结合，体现实用性；课程知识体系完整，重点突出，体现典型性；尤其注重理论与实践教学内容结合，面向应用，使学生在学习和应用计算机的过程中自然而然地培养计算思维能力。基于以上思路，我们重新设计和组织了一种计算机基础课程的教学内容组织框架。

1.计算的发展历程和应用。

介绍计算的需求促进计算工具的革新、计算技术的发展历程。介绍人工智能、物联网、云计算、大数据等前沿的计算机新技术及其在各个领域尤其是在学生所学专业领域的典型应用。知识点还包括计算机的诞生和发展史、计算机的特点与应用、计算机的发展趋势等。

2.计算机基本工作原理。

从构造自动计算工具的理论出发，介绍冯诺依曼计算机的思想与构成，以一个指令级机器程序的执行为基础理解计算机的自动计算过程，进而理解“自动化”这一重要的计算思维概念。知识点还包括计算机的硬件和硬件系统、微型计算机的组成、计算机的性能指标等。

3.软件与操作系统。

从为什么需要操作系统出发介绍作为计算平台的操作系统的基本功能，重点介绍操作系统是如何实现计算资源的分工一合作与协同管理的基本思维，理解计算机资源的共享和竞争。介绍嵌入式操作系统、移动操作系统、虚拟机技术。知识点还包括操作系统的构成、操作系统的发展与演进。

4.计算机中数据的表示。

要利用计算机解决问题，首先就要对问题进行表示，对信息进行编码并在计算机中存储是问题求解的前提和基础。从一张图片信息的采集与显示出发介绍信息在计算机中的存储和表示，涉及采样、量化、编码、压缩。在此基础上介绍图形、视频、流媒体等技术。知识点还包括数制及相互转化，数值、西文字符和汉字数据在计算机中的表示方法。

5.算法类问题求解。

算法与程序设计课程体现了问题求解过程，是进行计算思维能力培养的重要教学模块。以典型问题（例如旅行商问题，或者与专业相关问题）求解算法为例介绍算法类问题求解的基本思路：问题抽象和数学建模，算法策略设计，算法的程序设计实现，算法的分析与评价。可以借助Scratch Blocks平台、Blockly平台等进行可视化编程实现算法，以帮助其加深对于计算机解决问题过程的理解，进而理解“抽象”、“自动化”等重要的计算思维概念。知识点还包括算法的起源、定义和表示，常用算法（求和、累乘、穷举、迭代、递归、排序、查找）。

6.数据库技术。

很多系统类问题的解决都依赖于数据库系统。从数据管理的原因出发介绍数据库技术基础，以设计某高校学生信息管理系统为例介绍怎样进行数据抽象和设计，并利用Access建立数据库系统，理解系统化问题求解的典型思路。知识点还包括数据库技术基础的基本概念、数据描述的3个层次、数据模型、关系模型，关系数据库系统。

7.计算机网络。

从资源共享和信息交换出发介绍网络基础知识，其核心应该是约定问题（协议）。以组建宿舍网络为例，介绍传统局域网和无线局域网的组建。知识点还包括计算机网络相关基本概念，网络模型，网络硬件，IP地址和DNS服务，移动通信网。

8.计算机信息安全。

以信息安全大事件为学习案例介绍防火墙技术、数据加密技术、数字签名与数字证书、用户身份识别等信息安全技术基础；介绍维护信息安全的基本举措，深入浅出地阐述如何免受信息安全威胁，保护自己的隐私和秘密，解决用户关心的信息安全问题。

以上各部分教学内容基本围绕案例展开，融入了计算思维的核心概念如抽象和自动化，在具体教学时，可以围绕问题的逐步解决展开，在教学的过程中自然而然地传达这样的解题思路。对于离散的、概念化的、基础的知识点或操作方法可以通过学习资料以学习任务的形式事先布置给学生自学即可，我们的调查也显示绝大部分的学生能接受这样的学习任务。

针对实验教学内容，考虑到大一新生受来源地地域条件的限制呈现出较大差异，我们将传统的以Windows及Office等应用技能训练为主的基础验证型实验移至学期前半段完成，这一阶段大约需要4～6周（16～24个学时）。经过这一阶段的强化学习，绝大部分学生具备了一定的信息素养和计算机应用能力，更利于开展后半段面向计算思维能力培养的课程学习。针对上述8个模块（32～40个学时）相应实践教学内容设计如下：

1.计算机技术在本专业的应用。通过网络搜索、对各自专业的教师和高年级学长进行调研等手段，了解计算机技术在本专业的典型应用与最新应用，以图文形式提供研究报告并做课堂汇报，使学生从自己专业领域的角度审视计算机技术，加深计算机对于促进专业学习和能力培养重要性的认识。

2.微型计算机硬件系统的组成。通过拆解和安装微型计算机了解微型计算机的各硬件部件及其功能特性，理解以冯诺依曼计算机为理论基础的现代计算机的结构和基本工作原理，要求以图文形式提供实验分析和报告。

3.虚拟机（或模拟器）的安装与使用。通过在PC上安装一款Android模拟器并在其中安装若干APP了解操作系统的基本功能，掌握虚拟机（或模拟器）的安装与应用技术，要求以图文形式提供实验分析和报告。

4.信息的存储与表示。利用画图软件绘制具有简单形状的字符或图形，然后借助Matlab读入图片并进行处理（例如灰度化、二值化），通過查看和修改图像矩阵（信息隐藏）理解信息在计算机中的存储与表示。

5.算法实现基础。利用可视化编程工具实现常见问题如韩信点兵、百鸡问题、汉诺塔问题的求解，理解计算机系统解决问题时的抽象和自动化思维。

6.数据处理与管理。利用Office Access开发一个简单的高校学生信息管理系统，创建数据库并使用窗体实现信息输入、浏览和查询等基本功能，理解利用数据库技术解决系统类问题的基本过程，理解数据库系统的三级模式结构。

7.无线局域网组网与应用。掌握无线路由器的配置和加密方法，实现利用无线局域网连接互联网，并利用局域网聊天软件（飞秋、飞鸽等）实现非互联网模式下的信息共享与传递，加深对于计算机网络的基本功能的理解。

8.简单密码的暴力破解。利用可视化编程工具实现简单密码的暴力破解，以图文形式提供实验分析与研究报告，就如何保护自己的隐私的各种信息安全手段与举措写出有见解的心得体会。

以上分析与归纳是一个教学内容组织框架的设计，在具体的教学过程中还需要根据实际情况进行调整，给予合适的描述，使之能适合基础各不相同的各个专业，便于操作。

四、结语

在大学计算机基础课程教学中推进计算思维能力培养是当下高校非计算机专业计算机基础教学改革与深化的必然趋势。作为知识载体和教学纲领的教学内容改革是其中的重中之重。

面向非计算机专业的计算机教育本质应当是计算机应用的教育，教学内容应当面向应用，要以大学生的专业学习、生活和将来工作的需要为导向，体现计算机解决问题的思路，使学生在学习和应用计算机时自然而然地感受计算思维要素之妙，掌握计算思维的基本方式，实现思维能力和应用能力同步提升。为此，教学内容必须强化理论指导下的实践，一方面要讲知识，讲方法，讲科学，一方面更要重视理论联系实践，实践出真知，让学生在实践中学知识，验证方法，感悟解决问题的思路，达到培养计算思维能力和解决实际问题能力的目标。