面向计算思维的大学计算机课程改革探索与实践

2018-02-12谷宗运阚峻岭谭红春

软件导刊 2018年12期

谷宗运阚峻岭谭红春

摘要：为探索与实践面向计算思维的大学计算机课程教育教学改革方法，首先分析计算思维的特点，再结合安徽中医药大学在大学计算机课程方面的教学改革情况，从教学内容、教学方法、实验教学、教学手段、考核方式和成绩评价方式6个方面进行探索与实践。实践表明，将计算思维融入大学计算机课程教学之中，在提升计算机课程教学质量的同时，还能有效培养学生计算思维能力。面向计算思维的大学计算机课程教育教学改革方法是有效可行的。

关键词：计算思维;大学计算机课程;课程体系;教学改革

Exploration and Practice of the University Computer Course Reform of Computational Thinking

GU Zong yun， KAN Jun ling， TAN Hong chun

（Information Engineering College of Traditional Chinese Medicine， Anhui University of Chinese Medicine， Hefei 230031， China）

Abstract：In order to explore and practice the computer based education reform of computational thinking， this paper first analyzes the characteristics of computational thinking， and then combines the teaching reform of computer science courses in Anhui University of Traditional Chinese Medicine. Six aspects including teaching content， teaching methods， experimental teaching， teaching assessment methods and performance evaluation methods are explored and practiced. The practice has shown that the integration of computational thinking into the teaching of computer courses in universities can improve the computational thinking ability of students and the quality of computer courses. The computational thinking oriented teaching education reform of computer courses in universities is effective and feasible.

Key Words：computational thinking; university computer course; course system; teaching reform

0 引言

2013年合肥工业大学李廉教授[1]以计算思维为导向，提出大学计算机课程改革思路，讨论了改革动因、改革基础以及改革内容，掀起了“计算思维”教学改革探索的热潮。近年来，众多学者和专家对计算思维在计算机基础课程[2 4] 和计算机专业课程[5 7]方面的改革进行了研究。經过数年发展，大学计算机课程作为高校通识类课程的地位得到肯定，大学计算机教学改革方向逐步明确为“以计算思维为导向”。以素质教育和思维培养为核心的计算机基础课程教学理念和方法越来越得到重视。

高校开设大学计算机课程的目的是使学生掌握计算机基本理论知识和基本操作技能，培养学生信息素养和计算思维。但“计算思维”是什么？大学非计算机专业学生对计算思维的需求是什么？如何面向计算思维进行大学计算机基础课程改革？如何引导中医药院校学生将掌握的信息技术融入学科学习、科研和社会活动中，并利用计算机技术解决医学专业领域的相关问题，是当前中医药院校非计算机专业计算机基础教育面临的挑战。本文结合安徽中医药大学在大学计算机基础教育教学改革方面的探索与实践，对以上问题进行探讨。

1 计算思维

1.1 计算思维的产生与发展

美国Carnegie Mellon大学Jeannette Wing教授[8]于2006年3月，在美国计算机权威期刊 Communications of the ACM 上发表了名为 Computational thinking 的论文，文中首次正式提出并定义了“计算思维（Computational Thinking，CT）”的概念。2010年11月，陈国良院士在文献[9 10]中正式提出用计算思维理念指导大学计算机基础课程教学改革的倡议。2012年5月，在教育部高等教育司组织的“大学计算机课程改革研讨会”上达成共识：推动以计算思维培养为导向的新一轮计算机基础教育课程改革。2012年7月，全国第一届“计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会”在西安交通大学召开，会上提出以计算思维培养为切入点是今后大学计算机课程深化改革和提高质量的核心任务[11]，之后以计算思维为导向的大学计算机基础教育教学改革方向逐步明确。

1.2 计算思维的定义及特征

Jeannette Wing教授[12]定义计算思维是“运用计算机科学的基础概念对问题进行求解、系统设计、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。” 陈国良院士[9]定义计算思维是“一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。”李廉教授[12]认为：“计算思维是通过计算机解决问题的一种方法，其要点在于抽象化、自动化以及分析，因此计算思维是计算机科学广泛学科中的一个核心要素。”

计算思维具有以下特性：概念化的而不是程序化的;基础的而不是机械的技能;实现主体是人，不是计算机等电子设备的思维;数学和工程思维的互补与融合;是思想而不是人造品[8]。

2 面向计算思维的非计算机专业大学计算机教学改革

2.1 教学内容改革

如何培养计算思维？如何合理地设置大学计算机课程？讲授什么内容可以培养学生的计算思维？大学生对计算思维的需求究竟是什么？这些是面向计算思维的非计算机专业大学计算机教学改革面临的问题，亟待解决。对此，哈尔滨工业大学战德臣教授[13]对大学计算机的计算思维教育空间进行了有效探索，他提出的“计算之树”描绘了大学计算机学科的计算思维知识空间，即以一种树型的多维度框架概括计算学科中重要的计算思维，主要包括树根、树干、树枝和树杈4个部分，并进一步研究了面向计算思维的大学计算机课程教学内容体系，论证性地提出了大学计算机面向计算思维的课程内容最小集合及扩展集合[14]。北京航空航天大学于2012年开始对高等院校计算机课程与计算思维进行研究，并初步构建大学计算机课程体系[15]。周新华[16]针对大学计算机基础课程教学中存在的问题，提出了结合学生专业特色进行学习任务布置等建议。国内计算思维应用研究的内容主要聚焦于对计算思维培养策略、计算思维教学模式和计算思维支持系统的设计与开发等方面[17]。

安徽中医药大学经过多年探索与实践，针对不同专业要求，并结合医学院校人才的培养需求，改革现有课程内容[18 20]，建立与目标相适应的教学内容体系，改革课程结构，并对教学内容进行整体优化，加大实践性、应用性内容和案例，提高学生的实践操作能力，初步形成了相对成熟的大学计算机课程体系，见表1。计算机基础课程在大一下学期开设，不同专业的教学计划略有不同，但通常总学时为96，理论与实践并重。

由表1可见，课程分为3个阶段、9个教学单元。其中，第3阶段为选修课程，要求在教学过程中以计算思维为核心，以计算机知识为背景。通过每个教学单元的教学内容，结合案例讲解透彻计算思维的内涵，使学生理解典型的计算思维，掌握基于计算思维的问题求解思路与方法，培养学生以计算思维运用计算工具分析和处理中医药领域实际问题的能力。

2.2 教学方法改革

教学方法改革重点在于树立“以生为本”的教学思想，教学中灵活运用多种恰当的教学方法，以及利用各种平台开展实践教学，充分调动学生的学习积极性，改变学生被动学習的教学模式，加强对学生合作意识和合作能力的培养，培养发现问题、分析问题、解决问题的能力，使学生在掌握计算机知识、程序设计和操作方法的基础上，运用计算思维解决本学科问题。实际教学中主要采用启发式教学法、案例教学法、任务驱动教学法、项目教学法等。

（1）启发式教学法。其主要目标是使学生积极主动地学习，以促进能力发展。根据教学目的、教学内容及学生知识水平，采用启发式方法传授知识、培养能力。通常做法是在知识点讲解结束后，提出相关思考题，展开课堂讨论，改变老师教、学生被动学的落后教学模式，充分调动学生的主观能动性，引导学生积极思考。启发式教学法可以更好地培养学生分析问题、解决问题的能力。

（2）案例教学法。案例教学法是一种以案例为基础的教学法，其特点是生动具体、直观易学。如果运用得当，不仅能充分调动学生学习主动性，还能实现教学相长。教师在课堂上不再是单向教学，而是与学生一起讨论、思考;同时，学生在课堂上也不再是忙于记笔记，而是和老师共同探讨问题。案例教学法容易开阔思路，收到较好的教学效果。如，Excel功能繁多，通过一个具体的“工资报表”等现实生活中的案例，讲解案例制作过程涉及的概念和方法，最后进行理论归纳总结。这样，通过制作各种类型案例，逐步学习相关知识，培养学生解决实际问题的计算思维。

（3）任务驱动教学法。任务驱动教学法是一种建立在建构主义学习理论基础上的教学法，将以传授知识为主的传统教学理念转变为以解决问题、完成任务为主的多维互动式的教学理念。在教学内容设置上，从实际出发，适当设置一些学生感兴趣的任务，使他们都能根据自己对当前问题的理解，运用所学知识和自己特有的经验提出解决问题方案、完成任务。如在学习电子文稿时，根据要求，学生可以选择自己喜欢或感兴趣的主题，独立完成一份PPT制作。学生在任务的驱动下，对自己感兴趣的主题，自己动手实践，完成由不知到知的过程，实现知识内化。

（4）项目教学法。项目教学法指将一个相对独立的项目交由学生处理，并在老师指导下完成任务。在完成项目的过程中，学生要经历收集信息、设计方案、实施项目及最终评价等流程。如在学习程序设计和数据库时，教师设计学生成绩管理系统等项目，并在呈现项目、指导项目实施、检查评估的过程中运用计算思维方法展开教学，学生通过项目的实施探索新知识，并掌握计算思维的方法和技巧。

2.3 实践教学改革

在安徽中医药大学非计算机专业大学计算机基础课的教学中，实践教学是整个教学过程的重要组成部分。实践教学可以培养学生两方面能力：一是实际动手操作能力，二是独立获取知识的能力。在实践教学过程中，针对不同教学内容，选取合适的实验案例让学生进行验证性实验、设计性实验、综合性实验，并且尽可能增加设计性实验，减少验证性实验。在学生掌握一定基础知识和基本操作的基础上，通过实验实训考查学生分析问题、处理问题的能力，引导学生通过实验实训拓展知识、培养计算思维能力和综合实践能力，加强学生实践操作技能，促进实践教学与理论教学有机结合、全面提升学生实践能力和适应能力，提高实验实训课教学质量。

2.4 教学手段改革

充分、恰当使用现代教育技术手段，构建“理论、实验、网络”的多元教学模式，激发学生学习兴趣。近年来的教学改革主要采用了以下信息技术手段：

（1）对多媒体教学进行深入研究[21]。现在学校计算机基础课教学均采用多媒体形式授课，先进教学手段的运用使课堂教学生动活泼，激发学生学习兴趣，提高了课堂教学效果。

（2）多媒体教学课件的制作。制作了集文字、图形、图像、声音、动画、视频为一体的图文并茂的多媒体课件进行课堂教学，提高了课堂教学效果、教学质量和学生计算机应用能力。

（3）利用计算机基础精品课程教学网站将课堂教学延伸到课外，学生根据需要通过网络教学平台学习相关教学内容。教学网站包括课程的教学大纲、课程简介、电子教案、在线学习、在线模拟测试、上机指导、章节练习、教学指导录像和其它相关学习资料及链接，允许学生下载多媒体课件和其它相关的学习资料，实现优秀教学资源网络共享。网络教学平台是课堂教学的有效补充，师生可以在网络教学平台上及时地互动交流，同时也可以使用微博、微信等新技术拓展和延伸课堂教学。

（4）对大型开放式网络课程（massive open online courses，MOOC）、问题式学习（problem based learning，PBL）以及翻转课堂等教学方法进行积极有效的探索。

（5）在“互联网+教育”时代背景下[22]，移动互联网信息化教学已经成为大学教育发展、教学改革中不可回避和阻挡的新趋势，对大学教育教学改革和发展既带来了冲击也带来了机遇。面对“互联网+教育”的快速发展，要敢于采用一些新技术优化课堂教学结构，提高课堂教学效果。如针对大学生手机使用普遍的情况，在教学中合理利用“蓝墨云”、“学习通”等手机APP进行辅助教学，使师生沟通更顺畅，教学更轻松、有趣、简单和高效。

2.5 考核方式改革

由原来的期末一次性考核方式改为期末无纸化考试与全国计算机水平考试相结合的“教考分离”考核方式，促进学生应用能力、操作能力和素质的提高，推动高等学校能力教育、素质教育培养。

2.6 成绩评价方式改革

计算机基础课程考核主要目的是检验学生自主学习能力、实际操作能力和计算机应用能力。在成绩评价上，改变传统考试评价体系，研究新的多元化考核评价标准，将考核重点放在知识应用、学生动手能力上，使其能够更客观、真实地反映学生学习情况。具体实施采取平时、实践、校内考试与全国计算机水平考试相结合的方式综合评定学生成绩。校内考试实行期末无纸化考试成绩与平时成绩综合评价的机制，将实验实训考核贯彻到整个教学过程，这种考核方式可以促进学生更重视平时理论学习和实验操作，促使学生形成良好的学习习惯。另外，还将逐步完善形成性评价考核方式，以期能对学生作出相对合理的评价，达到检验学生学习效果的目的。

3 结语

高校面向非计算机专业学生开设大学计算机课程，并将计算思维融入大学计算机课程教学之中，教学目标是培养非计算机专业学生的计算思维能力及训练其计算思维应用能力，提高学生创新能力，最终成为复合型创新人才。本文从教学内容、教学方法、实验教学、教学手段、考核方式和成绩评价方式6个方面对以计算思维为导向的大学计算机教学改革进行了探索与实践。以计算思维为导向的计算机基础教学研究仍处于起步阶段，还有许多问题值得思考与研究。只有不断地学习和充实自身的学识，不断更新课程教学内容、教育理念，总结教学经验，探索新的教学方式，才能更好地实现高校非计算机专业大学计算机课程教学的人才培养目标，进一步提高大学计算机教学质量，更好地推进非计算机专业学生计算思维能力和创新能力的培养。

参考文献：

[1] 李廉.以计算思维培养为导向深化大学计算机课程改革[J].中国大学教学，2013（4）：188 188.

[2] 张静，邬恩杰.基于计算思维能力培养的《程序设计基础》课程教学探讨[J].软件导刊，2015，14（8）：210 211.

[3] 徐杏芳.基于计算思维培养的《计算机基础》课程教学探究[J].软件导刊，2015，14（11）：189 190.

[4] 成淑萍，吴晓燕，袁小艳，等.高校非计算机专业计算思维教学研究[J].软件导刊，2014，13（8）：158 159.

[5] 曹岳辉，刘卫国.MATLAB程序设计教学中的计算思维能力培养[J].软件导刊，2017，16（9）：219 221.

[6] 陆淑娟，吕俊.基于计算思维能力培养的C语言课程目标导学模式研究[J].软件导刊，2017，16（8）：214 215.

[7] 郑颖，金松林，张涛.基于计算思维的《操作系统》课程教学改革探讨[J].软件导刊，2015，14（5）：178 179.

[8] WING J M. Computational thinking[J].Communications of ACM，2006，49（3）：33 35.

[9] 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）：7 11.

[10] 陈国良.计算思维导论[M].北京：高等教育出版社，2012.

[11] 佚名.九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010（9）：4 9.