基于计算思维的农科院校计算机教学模式研究与应用

金 秀，丁春荣

（安徽农业大学 信息与计算机学院，安徽 合肥 230001）

基于计算思维的农科院校计算机教学模式研究与应用

金 秀，丁春荣

（安徽农业大学 信息与计算机学院，安徽 合肥 230001）

本文在计算思维概念的基础上，对农业院校计算机教学模式进行了探讨，分析了计算思维与农业类型专业的关系，构建了新的计算机基础教学模式，针对不同类型学生来进行计算思维的培养，本文最后简要的综述了现阶段农科院校中进行计算机文化基础改革情况，并对现有的问题和困难提出了建设性意见.

计算思维；课程体系改革；教学模式；专业能力；创新能力

1 背景和国内外研究现状

计算思维不仅是计算机专业的应用方法，而且是运用计算机科学的基础概念去求解问题，包括如何使用程序设计概念、算法概念、硬件设计概念等方法，去求解社会经济问题、设计各种类型系统和理解人类的基本行为等.它涵盖了计算机科学广度的一系列思维活动，国际上广泛认同的计算思维的定义来自麻省理工的周以真教授[1].周教授认为，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.当初的计算机教学模式一直延续至今的都是一种知识型/技能型，如:二进制、微机原理、程序设计语言等.计算思维虽然有着计算机科学的许多特征，但是计算思维本身却不是计算机科学专属[2].它是由于计算机对于信息和符合的快速处理能力，使得许多原本只是理论可以实现的过程变成了实际可以实现的过程.计算思维吸取了问题求解所采用的一般数学思维方法、现实世界中复杂系统的设计与评估的一般工程思维方法以及复杂性、智能、心理、人类行为的理解等一般科学思维方法，所以这里提出的计算思维不是狭义的计算机编程.

2 计算思维基本概念

计算思维在计算机的很多课程中都有所体现，所以最主要的是进行计算思维的内容精炼.在计算机的程序设计中具有很多的思维概念，程序设计课程中有一个非常重要的代表就是算法[3].算法是指方案的准确并且完整的描述，是一系列解决问题的清晰指令，算法代表了计算机中解决问题的策略机制，而且广为其他的学科应用.计算机基础课程中计算机系统也包含计算思维概念，计算机系统包括了计算机结构和微型计算机系统等几个模块，在微型计算机中主要给学生介绍了计算机的软硬件组成，这里拥有者丰富的计算思维概念.计算思维还在计算机专业的2个重要的领域有着突出的表现，这2个领域分别是数据库和计算机网络.数据库现在应用的范围非常广泛，在经济、生物、医学等众多领域有着不可缺少的作用.而数据库的学习核心是数据库的基本原理即数据的抽象化，并且利用数据库的原理来解决实际的问题.其中数据的抽象、转化是教会学生用计算思维的方式描述一个实际的数据库结构，理解数据库中的计算思维可以有利于学生在专业学习中跨学科的研究.计算机网络是计算思维培养的重要领域，在计算机网络中有很多的概念和方法可以抽象为计算思维来应用到其他的学科中，其中比较典型的例子就是将社会中的各种元素抽象为一个网络，然后利用网络的方法来解答出许多金融社会等各个领域的问题.这种定义非常的灵活，有许多不同形式的关系或者联系都可以定义为网络，所以计算机网络的概念就是计算思维.

3 农科院校的计算思维教学模式研究与应用

农科院校对于计算机文化基础的课程现有的最重要的教学模式就是分类教学，通过进校的分级考试和学生兴趣调查，针对不同类型的学生进行不同教学内容，可以用模式1+X来描述[4]，‘1’代表着计算机文化基础课程，面向的对象主要是对计算机需要从基础了解的学生，‘x’表示更高层次的多种类型计算机课程，面向的教学对象是进一步学习的非计算机专业学生.所以很多情况下只要学生的计算机基础良好，就直接忽略的‘1’的这个基础教学过程，直接的跳入到了X的这个教学过程中.

表1 非计算机专业学生兴趣调查

但根据调查和教学研究，学生对于计算机的高级应用学习的兴趣和能力并不像分类考试中表现的那样突出，所以1+x模式具有很大的缺陷，主要体现在无法与学生学习的内容达到一个平衡点，即会产生过度简单使学生忽视的现象，又会产生过度专业使得学生失去兴趣的现象.表1针对非计算机专业的学生一个调查，重点观察学生的兴趣和需求主要集中在什么区域.调查表中发现绝大部分学生对程序设计感兴趣的偏少，主要的分布在计算机基础、多媒体、网络、安全和农林计算机相关知识.所以为了培养学生计算机的能力和兴趣，需要改革的不仅是教学模式，更重要的是计算机文化基础教育的内容，必须改变将计算机当作工具的认知.

针对现有的绝大部分农科院校采取的1+x计算机基础教学模式已经无法适应现在的非计算机类型学生的问题，、为了使得计算思维与专业更好的相结合，本文提出了新的教学模式‘X+Y’，X是以前‘1’的内容上扩充，主要的目的是让计算机基础教学从一开始就涉及到计算思维的培养，Y表示的是计算机文化基础课程后的高级计算机课程,如图1所示.

图1 'X+Y'计算机基础教学模式

农科院校的专业大致可以分成农学类、理科类、人文社科类三个方向，这里也主要针对这3方向专业教学进行分析和研究.X代表的是不同方向计算机文化基础课程总和，面向教学对象也是各个方向的学生，但是由于每个大类方向对于计算机基础要求有所不同，所以通过针对这三种方向的学生来制定不同的计算机知识体系，会有助于学生在学习过程中培养良好计算思维，再将计算思维应用于专业上，则更加有利于学生兴趣的培养.

3.1 农学类应用到的计算机知识主要是农林业信息化技术、数字农业、数据库技术，尤其是数据库的知识，所以数据库的基本概念等内容是农学类的主要方向.其知识体系可以包括如下内容：（1）计算机绪论；（2）of f i ce办公系统应用；（3）数据的组织与管理；（4）微型计算机原理；（5）数据结构与算法介绍；（6）数据库基本概念.其中重点在数据结构与算法、数据库的内容.

3.2 理科类主要涉及到的计算机知识是程序设计、计算机组成、数据库基本概念等.其知识体系包括如下内容：（1）计算机系统与概念；（2）of f i ce办公系统应用；（3）信息表示与存储;（4）数据的组织与管理；（5）程序设计语言与算法；（6）信息传输与网络；（7）数据库基本概念.其中程序设计语言与算法、信息传输与网络是理科类的重点教学内容.

3.3 人文社科类主要应用计算机知识包含了（1）计算机与计算思维；（2）计算机发展与基础知识；（3）计算机硬件系统；（4）计算机软件系统；（5）计算机网络基础；（6）多媒体技术基础.（7）数据库基础.其中以计算机的基本概念和知识的普及为主要目的.

由于X模式中已经为三种大类方向设置了不同计算机知识体系，当学生完成X模式后基本上可以掌握计算思维的基本概念，Y模式主要是为感兴趣或者准备深入学习计算机内容的学生准备的.下面整理出了Y模式中需要掌握的基本内容体系，其主要内容包括了计算机程序设计、数据库基本概念、计算机网络、多媒体设计与应用、计算机组成原理等.内容与X模式中的有所相似，但是比前面的内容要进一步的深化.对于农业类的学生主要方向是通过学习计算思维的方法来尝试解决农业上相似的专业性问题，对于理科类学生主要是理解算法和程序上的实现，对于人文社科类性的方向重点是在概念和基本应用上.

课程模式‘X’内容主要体现的是思维性的培养和计算思维概念的学习，所以整个课程必须从理论出发，重点在让学生掌握方法和概念.所以在本校教改中总共设置了56了学时，针对农业类和理科类其中40个学时安排给学生进行理论教学，另外16个学时安排给学生进行实验教学；而针对人文社科类，分配了28学时作为理论教学，另外的28个学时作为实验教学.农业类和理科类理论教学主要涉及的模块：问题求解、微型计算机、数据结构与算法、计算机网络、数据库的基本概念、数据的组织和管理，主要进行计算思维讲授和基本素质培养两个方面.而人文社科类的理论教学主要设计的模块：计算机与计算思维、计算机发展与基础知识、计算机硬件系统、计算机软件系统、计算机网络基础、多媒体技术基础、数据库基础.农学类与理科类的实验教学内容相对与理论教学独立一些，主要涉及了office办公系统、程序设计、数据库管理这几个方面.人文社科类的实验教学内容主要是帮助学生理解理论教学的内容，是以应用为核心，主要内容涉及到：office办公系统、数据库管理、多媒体软件使用、其他软件的应用等.

课程模式中的‘Y’主要为了给具有一定能力的学生开拓更加广阔的知识面，并且针对部分专业来与计算思维结合做进一步的学习.其中最为重要的2个方向是计算机程序设计和数据库基本概念.针对人文社科类的学生‘Y’模式可以凭自身兴趣进行选择，而针对农业类和理科类的学生这里比较建议继续选择‘Y’模块进行学习.在这次教改中也针对农学类和理学类学生的‘Y’模式给出了56个教学课时，这次的课时全部是在机房完成，通过边讲解边上机进行教学，不仅仅要求从概念上了解，更多的是要求学生可以使用计算机解决实际的问题.这里要强调一点的是，虽然是上机教学但是其侧重点还是以思维锻炼为主，不能只是介绍程序设计内容或者数据库概念等，设计出的教学模块一定要是思维性为主导，而不是以工具性为主导的.

在这次教学改革后，针对教改的学生开展了问卷调查，调查的主要包括课程内容、课程难度、理解和接受程度、对计算思维的认知等，从问卷统计的调查结果表明：80%以上的学生认为课程有一定的价值和意义；90%的学生总体上认可课程内容，理解计算思维的基本概念；67%以上的学生认为学习后对以后有一定意义.

〔1〕MIT.Introduction to Computer Science and Programming [EB/OL].http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computerscience/6-00-introduction-to-computer-science-and-programming-fall-2008.

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

〔3〕战德臣.非计算机专业大学计算机课程的思维性教学改革实践[R].第六届“大学计算机课程报告论坛”，2010.

〔4〕龚沛曾,杨志强.大学计算机基础教学中的计算思维培养[J].中国大学教育，2012（5）.

G642

A

1673-260X（2012）10-0213-03

安徽省教育厅教研项目（20100306）