新时期大学计算机教材及实验内容重构方案

张 龙，李凤霞，刘 茜

（1. 高等教育出版社，北京 100029；2. 北京理工大学 计算机学院，北京100081）

0 引 言

2010年左右，随着移动通信、物联网、云计算、大数据等新概念和新技术的出现，社会经济、人文科学、自然科学等许多领域引发了一系列革命性的突破。美国卡内基·梅隆大学周以真教授（Jeannette M. Wing）提出并详细阐述了计算思维概念[1]，陈国良院士进一步结合中国大学计算机教育解释了计算思维并提出“以计算思维为导向”的改革总目标[2]，国内9所高校提出“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基础教学进入了以计算思维为导向的大学计算机课程改革新阶段。

1 大学计算机课程改革的必要性

各行各业对计算机技术的需求不断变化，中小学信息技术教育的快速普及，都成为大学计算机课程面临的挑战。如何在大学计算机课程中体现类似大学数学、大学物理等基础性学科的核心教学理念和稳定的课程内容，是近年来计算机基础教育工作者关注的焦点问题。

1.1 需求牵引下的计算机科学软、硬件系统新变化

CPU从单核、多核到众核，网络从传统网络到通信网络，存储从原来的简单存储到现在的存储和计算融合，体系结构从冯·诺伊曼模型到量子计算机，应用从单机应用到网络应用，计算机技术日新月异。计算机技术与社会经济、人文科学、社会科学等各个领域全方位融合，向着智能化方向快速发展。高校各学科的发展都离不开计算机技术的支持；同时，计算机技术融入其他学科的发展，更好地体现出魅力和价值。因此，学科的发展迫切要求大学计算机课程内容与时俱进。

1.2 信息技术基础教育发展推动下的课程标准新变化

2017年国家颁布的《普通高中信息技术课程标准》明确指出：“信息技术学科核心素养由信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任4个核心要素组成。”高中信息技术必修课程包括数据与计算和信息系统与社会两个模块。高中信息技术选修Ⅰ包括数据与数据结构、网络基础、数据管理与分析、移动应用设计、三维设计与创意、开源硬件项目设计6个模块。高中信息技术选修Ⅱ课程包括算法初步、智能系统初步以及各高中自行开设的信息技术校本课程。高中阶段信息技术课程教学内容的提升，也在倒逼大学计算机课程改革。

1.3 计算思维内涵建设常态化背景下师生状态的新变化

信息技术与网络技术日新月异，需要高校教师不断更新知识结构、拓展技术视野，才能与时代同行，讲授学科前沿及本质的教学内容。另一方面，有的学生已经成为互联网时代的原住民，但有的学生还没有接触到计算机，学生信息技术水平差距巨大。这些都是摆在教师面前的难题。大学计算机课程的改革不仅要从课程内容上深入研究，更要从教学方法、教学手段、教学资源建设方面寻求改革的突破口。

教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会推动了以计算思维为导向的大学计算机课程教学改革进程。2011年以教育部高等教育司“大学计算机课程改革项目”研究为契机，教指委组织北京理工大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等高校围绕若干重要问题展开深入研究，形成了重要共识：大学计算机课程作为通识教育的重要组成部分，应该讲授“计算学科中不变的东西”和“利用计算机解决各学科问题的一般方法”，将教学内容由“基于知识的技能传授”向“基于应用的思维能力培养”的转变。学生不仅要了解计算机是什么，计算机能够做什么、如何做，而且还要知道计算机学科解决问题的基本方法与特点，即学习计算机学科领域解决问题的基本思维方法。

从教学实施的角度，亟需基于以上共识建设一大批教学案例和教材，为高校教师提供具体的教学资源和支撑条件。

2 大学计算机课程的教材内容重构方案

教材的内容组织应当反映新的教学理念，只有从全新的视角规划教学内容，以计算机问题求解为主线，突出计算理论与计算机科学方法，并在教学内容中渗透计算思维的基本概念，才能够适应新形势下的人才培养需求。重构方案见表1。

这个方案在内容结构上进行了大幅调整，由软件工具教学置换为面向计算机科学和计算问题的理论基础、技术和方法。开篇第1章直接讨论问题抽象与建模方法，引出计算机科学的知识领域，试图告诉学生计算机科学家在思考什么，基于计算机能做什么。第2章从计算机中的“数”与“码”两个方面阐述计算机信息表示和处理的基本概念和数字化方法，以展示计算机科学的思维方式——形式化。随后在第3—5章介绍了计算机应用的三大平台，强调了计算机的自动化控制原理、资源管理机制和基于系统平台的网络计算服务，充分体现了“用计算机科学的基础概念进行问题求解和系统设计”的技术路线。最后用两章的篇幅讨论计算、算法与程序设计问题，阐述计算的本质和计算机应用的理论问题，帮助其他专业的读者从计算机科学中找到对计算需求的支持。

由高等教育出版社出版、北京理工大学教师编写的《大学计算机》[3]是根据教指委制定的《高等学校大学计算机基础课程教学基本要求》出版的新型教材，展现了重构大学计算机课程教学内容的一种方案。

教材体现的重构方案体现了几个鲜明的特色。

（1）“以计算思维为导向”的基本思路。对工具软件主导的传统内容进行了颠覆性革新，强调面向问题的计算思维。在内容上安排了体现“问题求解、系统构建”的计算机科学体系，有助于学生形成计算机思维理念的培养，也嵌入了新技术、新思路和新应用的有关介绍。

（2）“以问题导入主题”的框架结构。结构设计上在每章开头都采用了“问题导入”形式，在叙述中插入了多个“情景问题”，构成了具有鲜明特色的问题导向框架。这个框架实质上是一个科学问题链，需要读者在分析问题的过程中深入思考，领会计算思维的“问题求解”方法。

（3）“以新技术新方法为牵引”的基本方法。以新技术新方法为起点，展开各学科需要的计算问题的内容，诸如计算、算法、高性能、大数据以及诸多学科问题等，前瞻性和基础性并举，引导学生从构建系统层面分析问题，从技术支持角度思考问题，从面向应用出发解决问题，拓宽视野，体会计算机文化的精髓和价值。

3 大学计算机课程的实验体系创建

以计算思维为核心的大学计算机课程教学内容的组织，强调对计算系统和环境的理解，突出计算机技术与专业技术领域的深度融合。那么，与之对应的大学计算机课程实验内容也必然发生变化。为此，教材作者团队对大学计算机课程实验内容也进行了重构，梳理了大学计算机课程的技能点，并针对计算机科学的基本理论和系统概貌专门设计演示验证性实验。实验内容重构方案见表2。

表1　教材内容重构方案

表2　实验内容重构方案

同时，北京理工大学国家仿真虚拟实验团队依据实验内容，专门开发了“虚拟实验软件”，采用了虚拟现实、图形图像、可视化、人机交互等多种技术，将所有实验以虚拟软件方式呈现[4]。虚拟实验软件具有显著的特点。

（1）虚拟实验具有直观性，让流动的信息可见，有助于教师更好地讲授复杂的计算机概念，降低课程教学难度，例如“字符编码与信息交换”“一条指令的执行过程”。这些看不见摸不着的概念，既无法通过操作系统直接展示，又很难讲解字符的编码过程和指令的执行过程，通过虚拟实验让该教学难题迎刃而解。

（2）虚拟实验具有交互性，让微观的结构可及，有利于读者直观地理解计算机的内部结构及原理，同时降低教学设备投入成本。例如“图灵机模型与计算机硬件系统虚拟拆装”，在计算机硬件设备有限的情况下，可以组织学生在虚拟试验中反复试验，明白计算机中每一个硬件的位置、作用及运行原理，然后再实际操作，提高实验效率。

（3）虚拟实验可以完成在实际环境中无法完成（或者代价较大）的操作，例如“文件管理与磁盘恢复”“云计算与虚拟服务”。通过这些实验可以使学生最大限度地掌握实际系统的操作方法，强化理论与实践的链接，使学生更容易理解和接受整个教学过程。

4 结 语

虚拟实验软件目前已经在北京理工大学、合肥工业大学、北京工商大学等20余所院校中应用，通过北京理工大学创建的虚拟实验工场，向各高校提供大学计算机虚拟实验课程内容，以便各高校学生在其中完成实验练习。目前北京理工大学、北华航天工业学院、北方工业大学、华北理工大学、齐齐哈尔大学等高校各自有近2 000学生进行虚拟实验练习。实践证明，用虚拟仿真方法促进实验教学改革，为推动计算思维能力培养的大学计算机课程改革具体落实提供了一个可行的实施方案。

参考文献：

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

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

[3]李凤霞, 陈宇峰, 史树敏, 等. 大学计算机[M]. 北京: 高等教育出版社, 2014.

[4]李凤霞, 陈宇峰, 李仲君, 等. 大学计算机实验[M]. 北京: 高等教育出版社, 2013.