以计算思维培养为导向的计算机基础教学改革实践探究

刘启岳

（淮南联合大学，安徽 淮南 232038)

0 引言

计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、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[1]。2006年3月，著名的计算机科学家周以真教授提出计算思维这一概念，2010年10月，我国计算机专家陈国良院士率先把计算思维纳入大学计算机教学范畴。在陈国良院士的带领下，计算思维的培养成为国内计算机基础教育界的一个重要研究课题，研究热潮持续至今，研究成果持续创新。

随着计算机技术的不断发展，计算思维已进入了2.0时代，大数据、人工智能、云计算、物联网等新应用对社会的影响越来越明显。当前新时代背景下，大学生应具备的计算机能力不仅仅是会使用操作系统和常用的办公软件，还应充分认识大数据、人工智能等新技术的分析、统计和应用。下面本文以计算思维培养为导向对大学计算机基础课程教学改革进行探讨。

1 计算思维概述

广义上理解，计算思维是运用计算机科学的基础概念来分析问题、设计系统以及理解人类行为等事务的思维活动。狭义上理解，计算思维是用计算机领域中的递归、并行等简单的方法对困难的问题进行建模、分解的意识行为。计算思维的定义概括为三个层次的内容，分别是计算思维意识、计算思维方法和计算思维能力，简单地阐述如下。

1.1 计算思维意识

从古至今，计算思维一直伴随着人类社会文明不断发展。古代的算盘、现代的云计算等，都是人类运用计算思维的成果。在传统大学计算机基础课程的教学过程中，计算思维的内容其实已经存在于课程教学内容之中，只是没有作为一个专题概念来设计，没有列为大学生思维训练定制的方向。

1.2 计算思维方法

计算思维的核心内容是计算思维方法。按照周以真教授的理念，计算思维方法分成两大类，一是来自数学和工程领域的计算思维方法，二是计算机科学领域独有的方法[2]。例如，数学中的计算积分，人类思维方法是利用函数变换来求解积分，而计算机思维方法是：将指定计算的积分区间按照一定的方法进行分解，把一个大的区间分解成若干很小的区间，然后计算这些小区间的面积，最后将这些小区间的面积累加，就得到了所求区间的总面积，即该区间的积分。

在大学计算机基础课程的教学内容中，各章节的概念、知识点其实都与一种计算思维方法相对应。例如，程序设计课程中迭代法、递归法等各种常用算法都是运用计算思维方法解决问题的具体实践。

1.3 计算思维能力

训练计算思维的目的是要运用计算思维能力来分析问题和解决问题。从计算机应用的角度来说，就是用计算思维方法对问题进行描述，用文字、数字、字母和符号等元素构建问题模型，运用计算机技术来实现一些功能，达到一定的预期效果。比如创建一个网站、设计一个数据库应用系统、开发一个软件等，都是计算思维能力在计算机应用中的表现。

2 以计算思维培养为导向的教学改革方案

随着中等教育信息技术课程的普及和社会信息化水平不断提升，大学生在进入大学校园时，对计算机知识已经有了一定的了解，对信息技术应用已经有了一定的掌握。单纯讲授计算机基础知识已经不能满足当代大学生对计算机知识学习的需求。近十几年来，随着对于计算思维理论的深入研究，以及实践应用的经验增长，人们对于计算思维的本质内涵也有了越来越深刻的认识[3]。在这个时期把计算思维纳入大学计算机基础课程教学内容中来，增加了教学的内涵，下沉了教学的深度，提高了教学目标。通过对新的教学内容的学习，在培养大学生熟练掌握日常学习、生活、工作中的计算机操作技能同时，激发大学生的计算思维能力，鼓励大学生思维创新。

目前高校的计算机基础教学主要有“1+X”和“2+X”两种课程体系，其中的“1”“2”是指必修课的门数，“1+X”就是一门必修课加若干门选修课，“2+X”则是指两门必修课加若干门选修课。采用“1+X”模式时，必修课是“大学计算机基础”；当采用“2+X”模式时，必修课是“大学计算机基础”和“程序设计”课程。注重在计算机基础教学中培养计算思维，与两种课程体系并不矛盾，只需要将原来的教学方案做一定的改进和优化即可。现提出探讨改革方案如下：

2.1 大学计算机基础

大学计算机基础是计算机教学中最基础的部分，是所有专业的必修课程，课程内容主要包括计算机基础知识、操作系统（以Windows 为主）、Word、Excel、PPT、数据库、计算机网络等。不同学科专业的学生就业方向不同，专业岗位设置区别较大，对计算机知识的掌握程度和操作技能有明显的区别，因此在计算机基础课程教学中，将教学内容按照不同专业学科设置不同的偏重，可以更符合专业人才培养方案的需要。比如面向理工类专业，可以增加一些程序设计的内容，将程序设计课程中的基础知识调整到第一学期；面向医学类专业，可以增加人工智能和大数据方面的内容；面向经济类专业，可以增加办公自动化高级应用方面的内容；面向人文艺术类专业，可以增加动画制作方面的内容（如图1) 。

图1 大学计算机基础课程根据各专业性质开设的偏重

以理工类专业为例，具体的教学方案可以安排如下：压缩计算机基础知识、操作系统和Office办公软件的授课时间，计算机网络、数据库技术两部分知识的教学时间不变，用计算思维和程序设计算法教学内容来填补缩减的学时（约3周,共计12学时）。填补的学时授课安排如下：

1) 在引入计算思维教学阶段，用4学时讲授计算思维基础知识。主要内容包括：①精讲理论思维、实验思维和计算思维三大科学思维，计算思维的概念及其作用；②精讲计算理论1.0 内容，主要包括冯·诺依曼计算模型、图灵机模型、停机问题、图灵法则、计算复杂性P&NP 等问题；③精讲计算理论2.0 内容，主要包括大数据计算、云计算、人工智能、物联网和移动计算等方面。

2) 第二阶段，用8学时讲授程序设计基本知识和基本算法。让学生掌握基本编程的能力，可以进行基础的计算，明白程序自动执行的原理。运用翻转课堂的教学模式，让学生在课前对知识点进行预习，在课堂上结合实例表述个人对计算思维的理解，激发学生的思维能力，还可以通过拓展第二课堂的学习渠道，开展专题研学活动，强化学习效果（如图2) 。

图2 计算机基础融入计算思维学时调整

在教学实施过程中，注重以问题驱动方式引导学生从计算思维的角度去思考、分析和解决问题，锻炼学生的计算思维能力。例如，让学生思考计算科学的两个基本问题：在哪方面计算机比人有优势，在哪些方面计算机又不如人？讲授操作系统基础知识时，可以将“如果公交车长时间不到站，该由谁来承担责任？”类似的问题作为授课主线，发散学生的思维。这样不仅可以让学生牢牢掌握知识点，还可以让学生的计算思维能力得到充分锻炼。

2.2 程序设计课程

作为一种表达思维的方式，计算机程序中采用了各种技术和手段，不仅为编写程序所采用，而且已经广泛应用到其他领域，只要是需要精确描述一种工程组织或者工艺过程，都采取了类似于计算机程序的表达方法[4]。在以计算思维培养为导向的计算机基础教学中，计算机程序中各种技术和手段的运用是程序设计课程教学的重点。程序设计课程内容主要包括三大块，分别是程序设计语言、算法和编程，其中算法部分是用来分析问题和解决问题的，属于计算思维的内容。在传统教学中，程序设计课程安排在第二学期授课，学生入学时的学习热情消减，授课学时也有限，而授课内容较多且学习难度更高，因此学习效率低，知识点难以充分理解和消化。现提出以下教学改革方案：

1) 将程序设计课程的基础知识部分调整到大学计算机基础课程中讲授，具体包括程序设计语言基础、计算理论概论、数据的描述、结构化程序设计、算法的基本概念等，共计8学时。

2) 根据计算思维培养的要求，对教材中的案例进行重新筛选和排序，教学中引导学生从计算思维的角度去寻求解决问题的方法。运用计算思维求解问题的一般步骤包括以下几点：①对需要解决的问题进行抽象化的描述，并建立模型；②根据建立的问题模型，设计适当的算法，使问题得到解决；③根据设计的算法，进行计算机编码、运行、调试，实现问题求解；④对问题进行适当延伸与扩展，得到解决同类问题的方法。

运用PDCA 管理机制，让学生重复计划、执行、检查和处理四个环节，在实践中锻炼运用计算思维分析问题和解决问题的能力，也可以体会计算思维抽象和自动化的本质（如图3) 。

图3 PDCA管理机制锻炼计算思维能力

3) 在教学中引入应用程序开发环节。根据教学计划学时的调整，学生有充分的时间可以用于实践。制定应用程序项目开发任务书，让学生结合所学的程序设计知识，综合运用计算思维能力和程序设计能力，完成项目开发任务，掌握应用程序开发的基本技能。制定多样化的任务书，针对学习Java语言课程的学生，可以设计为经典算法和图形技术方向，实现专业问题或者生活趣味问题的程序开发；针对学习C、C++语言课程的学生，可以设计综合性较强的任务，需要综合运用结构、链表、数组、文件等相关知识。

2.3 “X”门应用课程

“X”课程指选修课程，主要是培养学生运用计算机技术解决问题的能力，特别是解决所学专业有关问题的能力。“X”课程的教学在计算思维培养中占有非常重要的地位，计算思维教学改革是一项系统工程，计算思维的培养不是一门课程能够造就的[5]。“X”课程可以涵盖创意类、开发类、数据类和应用类，具体课程见下表1。

表1 “X”课程参考目录

3 教学质量保障

要确保计算思维培养在计算机基础课程教学过程中取得显著的成效，在对教学内容和教学设计的改革的前提下，教材的选定、教师教学能力的提升和教学环境的优化需要配套进行。

3.1 教材的选定

教材是教学体系中的重要因素，要保证计算机基础课程教学内容符合计算思维导向，首先要更新教材的内容，满足全新的教学改革方案的需要；其次教材设计要更加精准，采用碎片化的知识体系，激发大学生学习的积极性，确保知识传授更加高效。

3.2 教师能力的提升

计算思维导向的教学模式对教师教学能力提出了新的要求。要培养大学生的计算思维能力，首先教师要具备善于启发大学生思维的能力，循循善诱，让大学生从被动学习转变为主动学习；其次教师要从讲授者转变为倾听者，不仅要能把知识很好地传授给大学生，更要做好一个大学生学习思维、总结、讲述的倾听者，激发大学生主动思考。

3.3 教学环境的优化

构建一个开放的教学环境对计算思维培养更有利，比如在智慧教室中授课，在多功能理实一体化环境的机房学习，在虚拟仿真实验室模拟操作，能够让大学生切身感受到物联网技术、虚拟现实技术和多媒体技术带来的技术变革。打破传统的教学模式，采用翻转课堂的学习模式，开展线下教学的同时，使用云平台建设线上数字教学资源，让大学生可以在课后时间获取更多的知识，还能体验计算思维2.0 应用所带来学习的便捷。

4 结束语

时代在进步，教育事业在不断发展，教学改革的步伐也不会停止。在大学计算机基础课程教学过程中，培养学生的计算思维，让他们学会用计算思维去思考问题、分析问题和解决问题，对于学生的创新能力培养具有巨大的意义。本文在前人研究的基础上，提出了一点拙见，希望能为教学改革贡献力量，通过不懈努力，让大学计算机基础课程教学改革取得新的突破。