面向计算思维的大学计算机基础课程教学内容改革

嵩天　李凤霞　蔡强　李仲君　史树敏

摘要：从大学计算机基础课程与计算思维关系入手，强调大学计算机基础课程关注教学内容改革的必要性和重要性，阐释课程教学改革的重点——回归计算机原理教学和培养利用计算机解决计算问题的能力，分析课程教学内容在不同历史阶段的变化和贡献，探讨计算机虚拟实验支撑大学计算机基础课程教学内容改革的途径，提出“以完善的实验体系支撑教学内容改革，促进计算思维能力培养”的教学改革发展新方向。

关键词：计算思维；大学计算机；教学改革；计算机虚拟实验

1 背景

1.1 计算思维与大学计算机基础课程

把培养计算思维作为总体目标并开展新一轮教学改革是近年来大学计算机教育工作者所达成的重要共识。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Ⅲ，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，国内一批知名教授用各种形式诠释计算思维概念的内涵与外延，为大学计算机教育发展起到了重要推动作用。

目前，计算思维概念已经被大家认可，教育改革的总目标也已经明确，然而，如何有效推进以计算思维培养为导向的教学改革却仍不清晰。大学计算机覆盖各层次高等院校和各专业类别，传统教学形成了大量的教学理念和方法，各类名词如“技术、技能、应用、能力、实践、实验、培训、培养”等被广泛谈及，在这样的背景下，大学计算机教育面临“计算思维”改革如何落地这个重要问题和众多矛盾。

上述问题和矛盾除了产生于教学对象的多样性，更主要产生于大家对如何培养计算思维能力理解的差别。我们认为，计算思维能力的培养重在设计表达计算思维的教学内容。内容是知识的第一载体，是教学的纲。如果内容本身很难渗透计算或者基于计算的思维过程，计算思维能力培养就很难展开。以非计算机专业开设的第一门课程大学计算机基础为例，涉及的教学内容大多是平台和软件的操作与使用，要展开面向计算思维能力的培养，无论教师教学实践或是学生学习过程，从操作层面上都十分困难。

1.2 计算思维导向的教学改革重点

计算思维基于计算机且具有鲜明的时代性，所以以计算思维为导向的大学计算机教学改革适应计算机科学技术发展。改革重点在两个方面：回归计算机原理教学和培养利用计算机解决计算问题的能力。

计算思维的一个重要体现是利用计算机解决计算问题，这其中有两个重要环节：“利用计算机”和“解决问题”。大学计算机教育应该以这两点为主线展开教学改革。

当代计算机是一个多层次的复杂系统，可以多角度使用。它既可以像汽车一样，通过简单操作来驾驭；也可以像数学原理或公式一样，需要懂得原理才能深度使用。对计算机多层次的不同认识产生了不同的教学理念。大学计算机教育首先应该定位于肩负历史和时代使命，不能只将计算机作为低层次工具开展教学。面对“利用计算机”的问题，大学计算机教育应该从计算机原理角度组织教学内容并开展实验验证。这种定位并非大学计算机教学改革创新，而是真正将大学计算机回归到与大学数学、大学物理同样基础性地位的过程。

大学计算机基础课程要进一步展示计算机“解决问题”的强大能力，就涉及如何抽象问题的计算特性，如何通过计算机程序解决问题等。

2 大学计算机基础课程历史沿革

2.1 教学内容的发展历程

我国最早的计算机应用基础课程开设之初正值个人PC和DOS的普及初期，当时计算机和信息系统相关技术尚属高端。非计算机专业的第一门计算机课程——计算机应用基础定位于计算机的实际使用，以讲授计算机系统和常用工具为主。这个历史阶段是我国高校计算机基础教育的起步阶段，一直持续到20世纪90年代。

在20世纪的最后10年，随着奔腾系列CPU芯片的出现、图形界面操作系统的迅速普及和基于图形界面应用软件的诞生，高校计算机基础教育也进入快速发展的阶段。相关教育从理工科迅速扩展到财经、管理、农、林、医、师范等专业，继而扩展到大文科。这个阶段为了突出计算机技术对社会文化的冲击，课程名字过渡到了“计算机文化基础”。课程主要教学内容在保持原有框架不变的情况下更新了讲授软件的版本。同时，计算机网络的迅速发展加快了计算机文化普及，计算机网络也作为一种新技术进入了计算机文化基础课程，教学内容也是软件操作类型，包括浏览器、电子邮件等软件使用等。

21世纪的第一个10年是计算机技术快速发展的历史时期，出现了一批稳定常用的计算机软件，为信息时代发展奠定了计算机基础。这个时期，课程名称改为“信息技术基础”，反映出信息时代变革以及信息素养培养的宽口径教学目标。然而，其教学内容除了增加多媒体新技术外，基本上还是沿袭了之前的“平台+应用软件”的教学内容框架。

21世纪的第二个10年是计算变革引领的时代，是计算机技术高度普及、移动互联网快速发展的时期，社交网络、云计算、物联网、移动互联、大数据等一批概念的成功应用将计算机和网络技术的发展转化为实际生产力，计算机更强大的能力逐渐展现。这个时期课程名称被逐步更换为“大学计算机基础”，但其教学大纲却在很大程度上继续沿袭了之前教学大纲的基本框架，以讲授计算机系统配置、技术知识和相关软件为主要内容。

大学计算机基础课程的名称历经了4个阶段的变革，但教学内容框架及本质变化较小，区别仅是新技术的介入和软件版本的更换，而且对新技术的讲授也是以软件形式展开，如讲授Access代表数据库技术或者讲授Photoshop代表多媒体技术等。表1为大学计算机基础课程在各个时期教学大纲对比。

除了教学内容之外，课程实验同样以操作内容为主。根据教指委2009年指导大纲，课程的实验教学要求如下：

（1）了解计算机系统的安装与设置；

（2）掌握常见操作系统的安装、配置和基本使用；endprint

（3）掌握网络的连接与设置；

（4）了解FTP下载和上传文件的方法；

（5）掌握浏览器的使用及基本的网络信息检

索方法；

（6）掌握电子邮件的使用；

（7）掌握文字处理软件的使用；

（8）掌握电子表格软件的使用；

（9）了解演示文稿制作软件的使用；

（10）掌握Access（或Visual FoxPro等）数

据库的使用，解决简单应用问题；

（11）了解病毒防范的基本方法；

（12）了解基本的网页设计方法；

（13）了解网络信息发布的基本技术；

（14）了解声音、图像的获取和处理方法（如

Windows录音机、画图）；

（15）了解Flash的使用方法。

上述实验大多数以软件使用为主，是软件的“实践”或“实训”。我们认为建立该课程的实验体系对促进教学改革十分必要。

2.2 发展历程分析

“平台+应用软件”的教学内容框架有其重要的历史意义，对我国推广普及计算机应用有重要贡献。然而，在经历20年后，如果教学内容仍然以计算机普及为主，显然已经偏离了社会发展对计算机技能的实际要求。

早期专门针对非计算机专业的计算机应用基础课程的设立本身就具有鲜明的中国特色，堪称原始创新，因为该课程在国外很少独立设置，且绝大多数高校并不专门为非计算机学生开设类似课程。它是在国际科技发展形势下综合考虑我国计算机普及程度而设立的课程，这个课程在推动计算机普及教育的进程中起到了至关重要的作用。进入21世纪第二个10年，每年全国高校有98%的学生必修这门课，该课程和大学数学、大学物理等理科公共课一样成为基础课，然而该课程目前却面临被压缩学时，必修变选修，被部分专业取消，甚至被管理部门问责教学价值等窘境。我们作为大学计算机教育工作者不得不正视此问题。对于这样一门在历史时期开设的过渡型课程，在长达20年的教学实践中，教育工作者很少考虑计算机科学技术发展和普及的实际情况，这显然违背了事物发展的一般规律，不仅引起学生的不满，也很难体现教师的教学价值。

大学计算机基础课程已经到了不得不改、不能不改、不容不改的境地，此时，计算思维的出现成为该领域的“救命稻草”。然而，计算思维本身也是一个发展中的概念，如何将计算思维与大学计算机基础教学改革统一？如何开展大学计算机基础教学？我们需要回归课程本质，探讨其教学内容和必要性。

3 回归本质的大学计算机基础课程改革

3.1 课程的本源与必要性

分析课程本源和必要性的方法常采用参照比较。我们以大学数学和大学物理为例，研究这两门课程的教学内容组织。这两门课程的教学内容30年来没有很大变化，但却让一代代学生受益，是因为这两门课程诠释了世界的原理性内容。无论是数学的抽象描述，还是物理的形象分析，其教学内容深刻地影响了学生的思维模式，能够让学生在理解世界的同时掌握一种终身受用的思考方法。

反观大学计算机基础课程现行教学大纲，其教学内容无非让学生能够操作一些软件或熟悉一些使用技巧，这些内容显然会随着软件的升级换代和计算机普及而逐渐淡出学生大脑，同时，这些内容无法在思维层面或认识层面让学生受益。

那么什么是该课程的本源呢？我们认为应该是深刻阐述计算机的工作原理。得出这个结论有两个依据：第一，计算思维是基于计算机的。在利用计算机的过程中，深刻理解计算机运行原理将更好地指导人们对计算机的使用。第二，计算机的设计过程本身就是抽象化、自动化的过程。从艾伦·图灵开始，无数科学家和工程师基于对计算问题及其求解方法的深刻洞察和高度抽象而设计了计算机，其中蕴藏了很多体现计算思维的内在逻辑，对这些内在逻辑的教学有助于帮助学生建立计算思维的思考过程。

大学计算机基础课程面向计算思维，需要阐述计算机的工作原理，这不仅是课程对本质的回归，也是大学教学基础性和原理性的必然要求。

如同数学、物理一样，计算机也是一级学科门类，深刻理解和阐述计算机工作原理需要多门核心课程和大量学时作支撑。如何精简专业内容，体现计算机原理中的计算思维内容是大学计算机基础课程改革的重中之重。

3.2 计算机虚拟实验的必要性

面对课程学时减少（通常32学时），原理性内容难于解释，缺少验证性实验等实际问题和教学改革难题，北京理工大学国家级教学团队提出并设计了计算机虚拟实验。

虚拟实验直观、简洁、交互性强，能够将课堂教学内容延伸到课外，补充教学学时的不足。同时，虚拟实验的直观性有助于教师更好地讲授复杂但基本的计算机概念，会降低课程教学难度。以进程管理为例，这个看不见摸不着的操作系统概念，既无法通过操作系统直接展示，又很难讲解进程管理对计算机系统的价值，采用虚拟实验，其直观表示让该教学难题迎刃而解。

相比真实实验，虚拟实验有两点优势。第一，虚拟实验有效降低了实验成本。真实实验往往需要特殊的教学仪器来验证计算机原理，这些仪器价格昂贵，维护代价高，投入很大。第二，大部分虚拟实验以理解计算机原理为主要目的，这种原理性验证方法通过真实方法很难展示，如机器指令的执行过程。

如果说计算思维给了大学计算机基础课程与大学数学、大学物理同样的教学地位和价值，那么计算机虚拟实验则支撑了课程对计算机原理的教学，它是教学改革的必然途径。

3.3 北京理工大学的教学改革实践

我们认识到计算机虚拟实验价值的同时，也应该看到虚拟实验的设计和开发难度。虚拟实验开发不仅需要投入大量的人力物力，还需要深入理解计算机仿真技术和计算机教育教学规律。教学团队在2011年前后认识到虚拟实验价值后，结合自身专业优势，开展了计算机虚拟实验的设计与开发工作。在北京理工大学“研究型课程教学改革”项目支持下，经过两年多的教学改革尝试和不断完善，大学计算机实验已经初具规模。两届实验班的教学实践表明教学效果良好。目前，大学计算机实验软件已经于2013年10月29日获得了软件著作权登记，以此为核心的《大学计算机实验》教材和虚拟实试验软件（中华人民共和国国家版权局登记号2013SR115791）已经由高等教育出版社出版。这套软件和教材的主要特色体现在以下3个方面：

（1）对课程基础性和专业服务需求的有力支持。大学计算机实验软件和教材紧密配合，从设计理念上兼顾了计算机应用教学和计算机原理教学，对课程中重要的原理性、基础性、概念性的教学内容设计了相关的验证型实验。如“计算机中的数据表示与计算”“字符编码与信息交换”“一条指令的执行过程”“进程管理与虚拟机”“广域网通讯与邮件传输”“数据管理与数据库操作”等实验都涉及演示验证性内容。这些内容从计算机组成原理、计算机体系结构、操作系统、数据库等专业课程中精选出适合于非计算机专业需求的重要理论和概念，帮助学生理解计算机的工作原理，认识计算机解决计算问题的基本手段，理解以抽象和自动化为特点的计算思维，培养基于计算机解决问题的计算意识。虚拟实验软件和教材支持课程教学的基础性和宽口径培养，支持专业对基础性学科的服务需求。

（2）是科研对教学支持的范例。完成该套实验软件设计开发的是北京理工大学计算机学院虚拟现实与仿真计算方向科研团队的7位教师和21名研究生。实验软件采用了虚拟现实、图形图像、面向对象、人机交互等先进的教育技术，首次推出可形成课程体系的18个虚拟试验。从设计理念到开发过程，都离不开科研的支持。7位教师中有5位具有博士学位，7位教师全部独立承担科研任务，这从一个角度反映了教学改革的时代性，即科研促进教学、教学支持科研。在有限的学时内将计算机科学的本质以及专业知识以有效的手段展示给学生，这是深化教学改革的技术途径，这套实验教学平台的诞生也是科研对教学支持的一次实践。

（3）引导学生自主学习的好方法。18个虚拟试验中的16个实验都涉及交互过程。在实验教材中，每个实验都设计了思考题和实验相关知识，配置了综合应用与拓展学习。这些虚拟实验兼顾了不同专业学生的计算思维能力训练，考虑到与现行教学内容的关联，也涉及讲解数据、文字、报告处理等软件功能类实践和实训内容，适合学生自学。

4 结语

计算机虚拟实验在计算思维改革大背景下为大学计算机基础课程教学改革提供了一个可参考的改革途径。在两年的实践中，虚拟实验先后与3本不同的大学计算机基础教材搭配使用，均有不错的教学效果，下一步我们将在实践中加大推广力度。

（编辑：彭远红）endprint