计算思维与农林院校“大学计算机基础”教学改革

晁晓菲+杨沛+陈勇+孙健敏

摘要：本文提出了农林院校基于计算思维的“大学计算机基础”课程教学改革方案，并从计算机文化氛围的创建、课程教学方案设计、教学实践环节改革三个方面进行了深入的探讨。该方案能够很好地衔接能力培养和计算思维培养的关系，增强学生运用计算思维的能力，为培养高素质复合型创新人才奠定基础。

关键词：计算思维；大学计算机基础；教学改革；农业院校

中图分类号：G642.0 文献标志码：B 文章编号：1674-9324（2015）16-0115-03

一、引言

“大学计算机基础”是大学第一门计算机基础课程，陈国良院士指出该课程是计算思维培养的关键[1]。计算思维能力是培养大学生综合素质和创新能力不可或缺的重要环节，是培养复合型创新人才的重要组成部分。2010年7月教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会（以下简称“教指委”）发布了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，讨论了如何在新形势下提高计算机基础教学的质量，增强大学生计算思维能力的培养，旗帜鲜明地把“计算思维能力的培养”作为计算机基础教学的核心任务[2]。计算思维在“大学计算机基础”教学中培养的教学改革迫在眉睫。

二、计算思维及其在农林院校的应用现状

计算思维是当前国际上一个颇受关注的涉及计算机科学本质问题和未来走向的基础性概念。2006年3月，美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授提出计算思维的概念并给出了详细的定义[3]，计算思维提出了面向问题解决的系列观点和方法，这些观点和方法有助于人们更加深刻地理解计算的本质和计算机求解问题的核心思想。“大学计算机基础”是计算思维培养的关键。教指委对“大学计算机基础”教学能力培养目标[4]中最主要的两个学科专业能力是对计算机的认识能力和应用计算机解决问题的能力，这两个方面的能力恰好反映了计算思维的两个核心要素：计算环境和问题求解。由此可见，作为农林院校学生第一门计算机基础性课程，“大学计算机基础”教学的核心任务是培养学生计算思维，培养运用计算机科学解决问题时应具备的一种科学的思维方式，并具备将这种思维运用到解决专业问题的实践中，为学生创新能力的培养奠定基础。农林院校“大学计算机基础”教学中对计算思维的培养存在以下几个问题。

1.计算思维培养没有统一标准。大部分农林院校的“大学计算机基础”课程中对学生计算思维的培养是各任课教师潜移默化进行的，没有统一的标准，对学生思维能力的培养效果也不太理想。

2.注重技术与应用的教学，忽视了“思想的教学”。教师错误地认为讲思维等同于讲理论，理论不实用还不如讲操作，操作才实用。教学中缺乏计算思维先进理念的指导，容易让学生对课程产生“狭义工具论”的认识，学生学习“大学计算机基础”课程满足于掌握计算机的基本操作、基本软件的使用等，教学效果不够理想。

3.没有从战略高度认识到计算思维培养对高素质人才培养的重要性。由于之前对计算思维认识的不够，人们经常将计算思维和计算机应用能力相混淆，没有意识到计算思维已经和理论思维、实验思维一起构成了三大科学思维；没有认识到计算思维能力培养对学生综合素质及创新能力培养的重要性；没有认识到计算思维对其他学科发展所带来的巨大推动力。

因此“大学计算机基础”中进行计算思维的教学需要从教学理念上做改变，也急需形成一套标准的执行方案。

三、农林院校计算思维教学方案与实施

教指委《关于申报大学计算机课程改革项目的通知》中对“大学计算机基础”教学的总体目标要求是“普及计算机文化，培养专业应用能力，训练计算思维能力”。构建基于计算思维的“大学计算机基础”课程教学改革要从教学理念转变，并从以下三个方面着手。

（一）构建计算机文化氛围

构建计算机文化教学平台从以下三个方面进行：一是计算机硬件发展展厅，包括计算机硬件发展的历史，硬件设备的认知，计算机硬件发展历史的电子资料，从图灵机的到现代冯·诺依曼计算机发展过程的认知；二是计算机实验环境的搭建，从工具类软件的使用到计算机网络知识环境的搭建，全方位体现课程教学内容；三是构建丰富的课程资源，提供丰富课外学习资料、学习素材、电子学习资源、应用拓展案例、操作教学视频等教学资源，供实验教学和学生课外学习。利用计算机文化教学平台让学生充分感受计算科学对社会历史发展所带来的巨大推动力，使学生对大学计算机课程的学习产生浓厚的兴趣。

（二）转变教学理念，实施计算思维为导向的课程教学方案设计

要转变教学理念，将计算思维培养提高到战略高度，将其作为课程培养的核心目标写入培养方案中；把教师对学生计算思维能力的培养从无意识的、潜移默化的变为积极的、主动的、有意识的。要从确立核心的教学内容体系、融入计算思维的教学案例设计及教学方法与手段等方面的改革做起，为大量培养掌握计算机科学思维方法的高素质复合型创新人才服务。

1.构建以计算思维为导向的新课程内容。根据本科专业培养目标和任务，构建满足新形势下以计算思维为导向的“大学计算机基础”课程内容，以“技能—能力—思维”的三层培养目标为核心，进一步深化改革理论和实验教学的方法和手段，围绕创新人才培养设计教学内容及案例。“大学计算机基础”课程建设新方案如表一所示，理论部分主要分为三部分：计算思维基础知识、计算机基础知识以及计算机应用技术，理论教学部分计划课时24学时（其中，利用2个学时左右的时间进行计算思维基础知识的简单介绍，此部分为在原有教学内容之上新增加的；作为培养学生基本计算机操作技能的部分，利用4个课时进行计算机基础知识部分的讲解；利用18个课时讲解计算机应用技术部分）；教学实践部分侧重学生的计算机基本技能的训练和综合应用能力的培养，相应的案例设计帮助学生体悟计算思维，教学实践计划课时24学时。

教学过程中需以计算思维为主线重新审视和定位各部分教学内容，首先，保证基础技能与能力的培养，根据学生基础和计算机应用能力培养的要求对基础部分的内容进行适当的裁剪和增删；其次，在能力培养的基础之上进行思维能力的培养，这部分的教学内容围绕知识点所体现的计算思维来进行讲解；最后，通过设置综合实例帮助学生体悟计算思维。endprint

2.合理设计教学案例及课后作业。设计教学案例时以应用能力培养为基础，根据内容特点融入计算思维。例如在讲解信息的表示与存储时通过“数据的数字化方法—数字编码（译码）—数据的处理—数据的传输—数据的显示输出”这样的思维方式详细介绍数据处理所运用的知识点，重点体现抽象、转化、冗余的概念，以便学生举一反三，以同样的思维方式去处理其他类型的数据；讲解数据的组织与管理时，对各种常见的数据结构重点强调抽象与转化的概念；而讲解程序设计与算法部分时重点体现转化、抽象、递归、算法、折中、约简、嵌入、简化、仿真等方法，把一个看起来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题，问题到算法即抽象的过程，算法到程序就是一个转化的过程也是一个细化的过程，是抽象的反过程。

合理的课程作业设计可以让学生对所学课程产生兴趣，提高学生课后学习积极性，对所学知识进行升华，体会计算思维带来的愉悦。课后布置小作业及大作业，小作业可以培养学生运用所学知识独立分析并解决问题的能力，而大作业则以小组合作的方式，培养学生团队合作及基本的科研素养，培养学生发明和创新的能力及利用计算机解决专业领域问题及复杂、大型问题时应有的思维方式、表达形式和行为习惯。

3.教学方法与教学手段的改革。培养计算思维的“大学计算机基础”课程改革必须以课程为基础、知识为载体、结合教学方法和手段的改革，根据农林院校办学特色、人才质量的要求，突出实践及创新能力和思维能力的培养。

首先，加强教学方法改革，以学生为中心，强调教学的完整性和对思维的启发性。“君子不器”：强调计算思维的教学要更加强化学生的主体地位，学生不能像器具一样，仅仅是一种被动的存在，而应具有个人的主动性、能动性和创造性，教学中遵循学生认知思维的发展规律，以设问法、情境发、激情法、研讨法等方法来激发学生思维。“举一反三”：通过知识的传授，教会学生思维，发展其智能，鼓励学生从积极跟着教师走，逐步过渡到自己去主动钻研、进行独立研究。例如“案例教学”，引导学生体会知识背后所蕴含的计算思维规律和特点，使其利用计算思维分析问题、解决问题的能力在学习中得到升华和提高。“如切如磋”：采用“专题研讨”及“问题驱动式”教学法，创造积极、激烈、竞赛式的学习氛围，培养学生分析问题、勇于开拓的学习能力以及团队交流的基本能力，同时培养学生基本的科研素养。

其次，利用先进的教学手段提高思维能力培养的效率。利用多媒体教学的灵活、多变、展示性强的特点充分展现所讲内容；制作丰富多彩的课程辅助教学资源，把枯燥的知识变活，帮助学生体悟计算思维；充分利用现代信息技术进行教学资源建设、网络教学平台建设、实验教学系统建设，全方位培养学生计算思维同时提高教学效果。

（三）以计算思维为核心，以培养学生创新意识为目标，强化教学实践环节

要打破传统教学中将实验教学看成理论教学的附属体和验证工具的错误观念，不能忽视了实验教学环节具有的探索和研究机制以及在培养学生创新、创造能力方面的职能[5]。因此必须重新审视和加强实验教学环节在计算思维培养方面的地位。

“大学计算机基础”实验环节应确定其相对独立于理论教学的地位，采用“基础性实验保证计算机应用能力的培养，融入跨学科元素的实验培养高素质复合型创新人才，综合性试验体悟计算思维”的实施方案安排实验教学环节。保留必要的基础性实验，主要是对课堂讲授内容的验证和认识类的实验；作为在基础性实验之上的扩展，教师可按照学生所学专业设置融入跨学科元素的相关实验题目，为学生将来创新地解决专业领域问题打好基础；综合性实验的主要作用是对所学知识的提升，学生利用课堂所学知识并通过查找资料、团队合作、举一反三的方式完成这些任务，提炼并展现隐藏在知识背后的计算思维的光芒，引导学生体会计算的愉悦和产生求知欲望，学生体会综合运用所学知识完成研究性工作的基本流程，培养学生的基本科研素养。

四、总结

计算思维已经和理论思维、实验思维一起构成了三大科学思维，在学生综合素质、创新能力培养等方面发挥着重要作用，将计算思维引入课程教学是“大学计算机基础”课程所面临的挑战，更是新的机遇。在课程教学的过程中应当注意衔接好能力培养和计算思维培养的关系，使学生增强运用计算思维的能力，使计算思维成为当代每位大学生都应该具有的基本技能。

参考文献：

[1]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）.

[2]何钦铭，陆汉权，冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养[J].中国大学教学，2010，（9）.

[3]Wing，Jeannette M. Computational thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（3）.

[4]冯博琴.对于计算思维能力培养“落地”问题的探讨[J].中国大学教学，2012，（9）.

[5]朱勇，张芳，李晓辉.农业院校大学生“计算思维”意识的培养——基于计算机基础教学的思考[J].高等农业教育，2012，（3）.endprint