基于计算思维的大学计算机基础课程定位及课程体系的构建

王文军+王静+张叶娥

（1.大同大学 数学与计算机科学学院，山西 大同 037009）（2.大同大学 教育科学与技术学院，山西 大同 037009）

摘 要：高校计算机基础课程担负着教导非计算机专业学生学习计算机知识以及普及与推广计算手段的重任。面对知识膨胀与学时数压缩的困境以及对基础课程核心价值的质疑，提出基于计算思维的计算机基础课程核心价值的定位策略，在此基础上结合通用计算手段，面向专业计算手段跃迁的现实需求，构建“宽专融”的计算机基础课程体系。

关键词：计算思维；核心价值；基础课程定位；“宽专融”课程体系

1 背 景

伟大的革命导师恩格斯说过，任何一门科学的真正完善在于数学工具的广泛应用，即一门学科若不能充分利用数学手段就不能称之为科学。那么，可以演绎说一门学科若没有充分利用计算机手段不能称之为现代科学[1]。计算机基础作为大学非计算机专业学生的第一门计算机课程，其重要性毋庸置疑。一方面，由于长期以来大部分高校对于计算机基础课程的定位更多地停留在软件工具的操作培训层面，加上计算机操作技能培养在中小学信息技术课程教学中的普及，致使出现计算机基础课程“狭义工具论”的论断以及高校对其大肆裁课的状况；另一方面，随着社会信息产业的飞速发展，社会整体对非计算机专业学生使用计算机的能力提出了更迫切的要求，如具备支持各学科研究创新的新型计算手段以及应用这些手段进行各学科的研究与创新。面对两方面的压力，作为高校计算机基础课程实施的教研人员，如何构造出一套既能在顶层思维统筹又行之有效的解决策略，值得探索研究。

周以真教授计算思维[2]概念的提出使得各高校基础教研人员眼前一亮，于是全国各高校先后掀起了一轮基于计算思维的基础教学改革。我们试图通过以计算思维为导向，探索思维层面引导与内容层面提炼的双向互动式計算机基础课程教学改革策略。这样一则力促有一条隐性思维链指导学生有规律地学习，以减少学习时间，提升学习效率；二则思维规律犹如一条条通向自己专业领域的桥梁，使非计算机专业的学生们能够迅速应用、研究和创新各学科的新型计算手段。

2 存在的问题

2.1 大学计算机基础课程的定位及核心价值不明确

此前，计算机基础教学注重其所具有的工具属性，这种教学模式在特定时期内有效地满足了学生技能培养的需求，但目前仍有相当一部分高校的基础教学部门出于惯性，对于计算机基础课程的定位仍然更多地侧重于软件工具的操作培训，尤其是在计算机操作技能的普及程度逐步下放到中小学信息技术教学中的背景下，以软件工具操作为主要教学内容的计算机基础课程遭受到来自高校和社会的普遍质疑。不难发现，这些质疑的本质是现有各高校在知识/技能性传授层面培养的通用计算手段与现实社会对各学科学生专业计算手段的需求之间存在巨大的鸿沟，如图1所示。那么，大学计算机基础作为非计算机专业学生的第一门计算机课程，存在的必要性及核心价值是什么呢？

2.2 大学计算机基础课程的内容稳定性有待提高

置身于当今信息产业飞速发展的大背景下，计算机基础作为多数高校大学计算机基础教学的第一门课程，其教学内容体系如何构建备受关注，总不至于紧跟计算机各种工具更新的步伐以延续以工具分类的课程教学内容体系，而且在有限的教学时间内不可能穷尽所有的工具实施教学。我们认为应该在该课程中讲授一些如计算学科中不变的东西、利用计算机解决各学科问题的一般方法等内容，因此需要综合考虑思维能力培养、学科知识传授和应用技能训练三者之间的关系，合理解决第一门课的多样和统一、变与不变的关系，兼顾课程内容的适用性和稳定性，是当前计算机基础课程教学改革的紧迫任务。

3 问题的解决思路与探索

在当前的信息化社会，计算机基础课程所依赖的计算机科学、工程技术等发展极为迅速，知识更新周期越来越短；该课程作为非计算机专业学生的第一门计算机通识类课程，不仅要考虑知识膨胀与学时数压缩之间的矛盾，还要考虑如何让学生们在有限的学时内实现通用计算手段向专业计算手段的有效转化跃迁，使其有能力适应日新月异的专业领域环境。现实的困境急切地呼唤着一种思维方式统筹上的教学模式变革。

人类通过思考自身的计算方式，研究能否由外部机器模拟来代替人类实现计算的过程，从而诞生了现代电子计算机的计算工具。早在1972年，图灵奖得主Edsger Dijkstra就曾说“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也深刻地影响着我们的思维能力”[3]。计算思维被定义为进行问题求解、系统设计、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。既然是一种思维，难免有抽象和空洞的特征，要由其统筹全局，首先须考虑的问题应该是计算思维包含哪些核心概念；然后围绕核心概念解决计算思维的“落地”问题，即结合思维和知识层面的双向联动，从而解决计算机基础课程的内容稳定性问题；最后考虑得出计算机基础课程的核心价值。

3.1 计算思维的核心概念

源于ACM主席Denning教授对计算的原理分析，我们更具体地对计算思维的分类及核心概念进行梳理总结，见表1。

3.2 计算思维的“落地”

如何由知识传授转为基于知识的思维传授？思维性教学已被提倡了很久，为什么没有很好地落实下去？那是因为体现计算思维范畴的各核心概念与计算机基础知识点没有得到恰当地落实及渗透，导致计算思维核心概念体现在教材层面的因教材而异、讲授层面教师的随心所欲和理解层面学生的千差万别。表2是我们结合多年教学研究及实践经验整理的计算机基础3个领域内容与计算思维知识点融合的内容体系布局。

3.3 计算思维的培养及计算机基础课程的核心价值定位

综合分析课程面临的危机以及受其培养学生具备的通用计算手段与社会急切期盼学生掌握的专业计算手段之间的巨大鸿沟，我们认为计算机基础课程改革的探索点必须是强化思维性教学，强调计算思维特别是可实现思维的顿悟与培养，以思维引导辐射一系列的相关知识技能块。我们以0、1思维和递归思维的例子说明思维与知识的双向流程。

3.3.1 0、1思维

以计算机中的二进制编码为例，如果单纯从知识的角度，这些内容可讲可不讲，但从0和1思维角度考虑，这是计算机及其自动化基本思维的任督二脉，将此二脉打通对于学生们此后掌握与信息相关的通用及专业方面各知识点有醍醐灌顶之效。例如，按如下顺序为学生讲授二进制的现实表示与存储时，现实世界可以表示为0和1→用0和1可进行逻辑与算术运算→0和1可以用电子技术实现→用二、三极管等实现基本门电路→组合逻辑电路实现→芯片（层次化复杂组合逻辑电路）。一路沿线均涉及大量的相关学科知识和应用领域，对学生今后的专业知识研究与拓展有提纲挈领功效。0和1思维可以相关到描述现实世界的“阴爻”和“阳爻”易经知识；用0和1进行逻辑与算术运算涉及布尔代数、电工电子等学科领域知识；用晶体管实现基本门电路涉及模拟、数字电路、信号与系统学科领域知识；用0和1思维构造层次化复杂组合逻辑电路，涉及芯片组、人工智能等应用领域学科知识；而计算机之间的联结，形成网络上信息的互通，构成了我们依赖程度越来越深的网络世界，这是用0和1思维将人类生存的模拟世界转换为数字世界，形成实体与虚拟两个世界交互缠结的新景观，如图2所示。

3.3.2 递归思维

递归顾名思义分为递（反复、递减）和归（归路、出口），在自然界，我们遇到一个不会解的问题，都会尽量想办法把这个问题拆解分治，这就是“递”的思维，当然递的次数有可能出现无穷，“递”的目的是找到“归”出口，即解决问题的归宿。对于人类来说，反复的“递”实在太枯燥和低效，就像那个著名的笑话“从前有座山……”但是计算机的计算能力相当强，而且会快速不厌其烦地反复“递”下去，直到“归”出现，求得最终的解，因此递归就是一种典型的计算思维。递归思维涉及的学科知识与应用领域多到令人赞叹，如图3所示，涉及视觉美学的德罗斯特效应（Droste effect）、传媒及心理学领域电影——盗梦空间（Inception）、计算机中文件夹的复制、扫雷游戏的设计、图的搜索、回溯、《礼记·大学》的“古之欲明明德于天下者，先治其国……”修身齐家治国平天下名篇、汉诺塔问题（Tower of Hanoi）、斐波那契数列（Fibonacci Sequence）以及由这个数列构成的与植物学中关系极为密切的级数，如所有花朵的花瓣数、菠萝表皮方块形鳞苞形成两组旋向相反的螺线、向日葵花盘等[4-5]。

这样，我们实施计算机基础通识教学时，在有限的课时内，抓住一点（0和1思维、递归思维）能够带动影响一面，一方面，为日后学生们在各自专业领域学习时能够事半而功倍；另一方面，为学生随着知识技能的不断积累，化繁为简，在各学科、各领域之间寻找规律、提炼共性思维等方面提供借鉴之处。这正是实现思维“落地”与众多学科交叉的双向互动教学模式精髓体现的实例，让青年学生能在双向互动的教学模式中，形成各知识点间环环相扣、层层推导的思维意识。

计算思维的核心概念还有很多，教师须从学生喜欢并易于接受的案例入手，将各核心思维的概念和思维方法显现出来，并引导学生将其应用于各自学科研究及现实应用领域中，实现各核心思维的“落地”效果。计算机基础课程的核心价值就蕴含在计算机学科知识中，建立在可实现基础上的能够实现双向互动的思维教学上。双向互动的思维性教学理念可概括为知识随着思维的讲解而展开，思维随着知识的贯通而形成，能力随着思维的理解和训练而提高[6-7]。

4 大学计算机基础“宽专融”的课程体系构建

面对知识膨胀与学时数压缩的双向夹逼，计算机基础课程若采取紧随技术更新步伐、注重技能不断提升的教学改革方向，必然导致“狭义工具论”的课程定位以及遭受质疑的危机后果。那么，计算机基础课程如何定位及其课程体系如何构建，才能在有限的学时内既让学生掌握通用计算手段，又为其向专业计算手段的跃迁提供有效的途径？我们提出了基于计算思维的基础课程核心价值平台上的“宽专融”大学计算机基础课程体系，如图4所示。

“宽”是指通识型课程，“专”是指专业型课程，“融”是指交叉型课程。通识型课程服务于学校公共基础教学和基本素质培养，以培养学生对计算机系统的基本理解和对计算工具的应用技能，同时在教学过程中注重学生对核心计算思维的提炼意识与演绎。专业型课程根据不同专业类别的需要，围绕相应的计算机技术来组织课程内容，深入讲解若干种具体的计算机应用技术。交叉型课程则是随着计算技术在各专业领域应用的不断深入而产生的一类新的课程形式，这些课程不仅在内容上以相应专业为背景并融合计算机技术，同时还可以反映出各学科领域新的发展方向。

对于不同办学层次的各个高校而言，计算机基础课程设置不仅要考虑计算机教学的基础课特性，而且须考虑各专业人才培养时其计算工具的应用特点，各专业分门别类、各成体系，其知识点更似繁星点点。如何打破计算机系统平台环境使用技能与各专业实践应用所需的计算技术之间的屏障，即实现计算机基础通识类课程培养的通用计算手段向各专业计算手段的跃迁，唯有寻找到计算机基础知识体系中各知识点的规律并提炼共性，沉淀成一个个可实现的核心思维，才能融聚成一个个核心思维的基础通识类课程，这就如同蒲公英一样，学生们在基础课程中掌握的每个核心思维像一颗颗种子，将引导并加快其在各自专业领域计算技术的掌握进程。

5 结 语

在当前的信息化社会，计算机基础作为非计算机专业学生的第一门计算机通识类课程，如何让学生有能力适应瞬息万变的外部环境是学习本门课程的关键。我们立足于计算思维培养的理念，提出了基于知识的技能传授向基于应用的思维能力培养转换的教学改革思路，定位了计算机基础课程的核心价值，基于计算机基础课程核心价值平台构建了“宽专融”的大学计算机基础课程体系，充分考虑其如何与各专业教育良好结合，从而为各非计算机专业学生掌握通用计算手段向专业计算手段的跃迁提供了有效途径。

基金项目：山西省高等学校教学改革项目（J2013072）；山西省软科学基金资助项目（2013041069-03）；山西大同大学教学改革项目（XJG2014219）；山西大同大学大学生创新创业重点项目（XDC2016116）。

第一作者简介：王文军，男，副教授，研究方向为数据库技术与数据挖掘、图分析与可视化研究，wwjwajun@126.com。

参考文献：

[1]李廉. 计算思维： 概念与挑战[J]. 中国大学教学， 2012（1）： 7-12.

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

[3]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）： 6-9.

[4]陆汉权， 何钦铭， 徐镜春. 基于计算思维的“大学计算机基础”课程教学内容设计[J]. 中国大学教学， 2012（9）： 55-58.

[5]王志强， 刘芳芳. 基于计算思维的计算机基础课程改革研究[J]. 中国大学教学， 2013（6）： 59-60.

[6]王麗彬， 何琴， 章志红， 等. 基于CDIO理念的计算机基础课程教学研究方案[J]. 计算机教育， 2015（4）： 75-78.

[7]赵瑶池， 胡祝华， 陈明锐， 等. 以计算思维为导向的大学“计算机基础”课程教学改革研究[J]. 海南大学学报， 2014（4）： 383-388.

（编辑：宋文婷）