基于计算思维的大学计算机课程改革与实践

蹇柯 胡良兰 王芳芳 尚新萍

摘 要：为适应计算机科学与技术发展，解决近年地方高校大学计算机课程教學存在的问题，提出以本科专业人才培养方案为纲，构建面向计算思维的“宽、专、融”课程体系;以课程教学大纲为目，重构教学内容，改革教学方法，形成一套整体课程教学改革模式。改革实践表明，学生自主学习能力增强，应用能力提升，多人次获国家级省级竞赛奖项;近3年计算机等级考试合格率分别达到86.5%、93.8%、88.9%。结合学校具体情况实行以计算思维为核心的大学计算机课程教学改革是一种行之有效的方法，可供其它高校参考。

关键词：计算思维;大学计算机课程;教学改革;地方高校

DOI：10. 11907/rjdk. 201828

中图分类号：TP434文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）010-0280-05

Abstract： In order to adapt to the development of computer science and technology， and solve the problems existing in the teaching of computer course in local colleges in recent years， this paper proposes to take the undergraduate professional talent training program as the outline， and constructs a suitable “broad， special， and integrated” curriculum system for computing thinking in City College of Dongguan University of Technology. Taking the curriculum syllabus as the target， the teaching content is reconstructed， the teaching method is reformed， and a set of overall curriculum teaching reform models is formed. Practice shows that students independent learning ability has been enhanced; their application ability has been improved， and many students have won national or provincial competition awards. In recent three years， the pass rate of College Computer Test is high， which is 86.5%， 93.8% and 88.9% respectively. It is an effective method to carry out the teaching reform of computer course with computational thinking as the core according to the specific situation of the university， which can be referred by other universities.

Key Words： computational thinking; college computer course; education reform; local colleges and universities

0 引言

随着计算机科学与信息技术的不断发展，大学计算机基础教学需要随之作相应改革，以适应时代和社会对人才培养需求。大学计算机基础教学历经20世纪70年代末的创始、20世纪90年代的普及和21世纪至今的深化提高3个主要进程，课程体系从“文化基础—技术基础—应用基础”3个层次到“能力体系—知识体系—课程体系”3个体系深化，教学深度和广度有了显著提高。在教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会指导下，2006年确立大学计算机课程“4个领域×3个层次”的总体框架，进一步规范教学体系，提升教学内容;2010年确立以计算思维为核心的大学计算机基础课程教学改革联合申明[1]。

计算思维[2]概念2006年由周以真教授提出，该观点受到学界广泛关注和认可，并对计算机思维的内涵和外延进行深入探究[3–5]，计算思维已从1.0发展到2.0[6]。计算思维2.0提出一个非常重要的观点，即计算思维的教育与普及，其目的不是让学生了解计算机科学家做了什么，而是让学生学会如何用新的思维解决本领域存在的问题。为此，大学计算机课程改革必须围绕这一中心思想，力求提高学生计算思维能力和解决实际问题的应用能力。

目前地方高校大学计算机课程教学改革研究多从课程体系[7-9]、课程内容[10]、教学方法[11]等不同侧面进行分析，较少将这些方面综合探讨，尚未形成一套完整的教学改革实施方案，对计算思维的落地缺乏整体规划。为此，笔者结合所在高校实际情况，探讨地方高校面向计算思维的完整教学改革方案体系。

1 存在的问题

笔者学校大学计算机课程一直是非计算机专业学生必修的通识教育课程，10多年来历经省质量工程、省精品资源共享课、省本科高校高等教育教学研究重大改革项目等，其教学内容已经过4次重大修改，不断满足计算机技术发展和时代需求，虽已取得一些改革成效，但仍然存在一些问题。

（1）学生基础参差不齐。学校生源来自全国17个不同省市，入学时计算机基础水平相差很大。既有考过微软办公软件国际认证（Microsoft Office Specialist，MOS）证书、参加过全国青少年信息学奥林匹克竞赛（National Olympiad in Informatics，NOI）、计算机基础较扎实的学生，也有从未接触过计算机，计算机零基础的学生。如何保证基础好的学生能深入学习，使基础普通的学生达到教学目标，教学有一定难度。

（2）课程学时减少。大学计算机课程学时从最初64学时降到56学時，再到如今的48学时，课程学时逐次减少，这在地方高校是一种普遍现象。一方面，由于学生计算机基础水平逐年提高，很多知识已下沉到中小学信息课教育阶段;另一方面，由于各地方高校本科专业人才培养方案突出专业课程而弱化基础课程。

（3）课程内容更新慢。近年来云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、虚拟现实技术等计算机技术迅猛发展，已深刻影响人们生活，而课程内容的更新却没有紧跟时代步伐，大多还局限在狭隘的工具应用水平，如Windows 7的基础设置、Office 2010的基本使用、Flash动画制作等，落后时代的授课内容已很难吸引学生的学习兴趣。

（4）对思维能力培养不够。课程教学目标大多以技能培养为主，而对思维能力的培养不深入细致，没有合适的量化标准。学生容易满足低层次的技能获得感，较少训练学生采用计算思维的思想解决专业中的问题，缺乏对计算机进行深入思考的引导。

2 改革思路

本科专业人才培养方案是地方高校组织和实施教学工作的重要依据，是人才培养的质量标准，体现高水平、高层次的目标和规格要求，体现专业特点、能力导向。大学计算机课程体系是本科专业人才培养方案的重要组成部分，核心目标在于培养学生的思维能力、资讯获取能力和应用能力等。要求大学计算机课程不仅包含计算机基础和技术，而且要结合专业进行深度融合，构建以计算思维为核心的“宽、专、融”课程体系结构。由于地方高校的差异性，“宽、专、融”课程体系结构应结合各校实际情况进行改革，夯实基础、注重专业支撑，突出融会贯通能力培养。地方高校可采用“1+1+X”课程体系模式[7]，也可采用“3+2”课程体系模式[8]，或者采用“1+X”课程体系模式[9]，符合地方高校的实际情况即可。

笔者所在学校在课程体系上采用了3个层次的“宽、专、融”模式。“宽、专、融”课程体系由通识教育必修课程、通识教育选修课程、学科基础必修课程、专业必修课程、专业拓展选修课程和实践教学课程等构成。每门课程根据本科专业类教学质量国家标准设置不同的课程教学大纲。教学大纲对课程的性质和教学目标、教学内容、重点和难点、各教学环节要求、学时分配、教材及参考书等提供详细的标准和要求。其中，课程教学目标是课程教学预期达到的效果，是课程教学最为关键的准则。实现教学目标，其落脚点在课程教学内容、重点和难点设置上。课程教学内容体现教学目标的难易性、新颖性和有效性。因此，构建适合学生实际情况的课程教学内容，是课程教学改革成败的关键因素之一。以笔者所在高校为例，大学计算机课程教学大纲课程目标为“使学生养成较好的计算思维素质，使其掌握应用计算机技术分析解决问题的方法，培养正确获取、评价与使用信息的素养，以及基于信息技术手段的交流和持续学习能力”。在此目标下将课程内容划为基础篇、思维篇、应用篇和前沿篇4个模块，既体现计算机基础和计算思维能力的培养，又体现应用信息素养要求和计算机技术发展前沿技术，在实践教学中还可根据不同专业学生的具体需求有所侧重，以达到课程教学目标的要求。

课程教学方法是提高教学效果、达成教学目标的重要手段。合适的教学方法可以吸引学生的学习兴趣，增强学生学习的主动性，让“教”和“学”都事半功倍。依据教学内容的不同特点，教学方法可以多种多样，如任务驱动式、案例导入式、SPOC+翻转课堂、传递—接受式、自学—辅导式、探究式、巴特勒学习式、抛锚式等。可充分利用线上线下各种资源，将思维能力训练细化到各个教学环节，达到授人以渔目的。

3 改革实践

（1）根据校情实际，构建“宽、专、融”课程体系。根据学校本科专业人才培养方案要求，课程体系既要体现专业特点，又要突出能力培养，符合高层次应用型人才培养目标，为此构建以计算思维为核心的“宽、专、融”3个层次课程体系，如图1所示。

宽：面向学校非计算机专业，定位于通识教育必修课，主要课程为大学计算机，要求掌握用计算机求解问题的基本方法和分析解决问题的能力，掌握正确获取、评价与使用信息的基本素养，达到培养学生思维能力、应用能力和创新能力目的。

专：对有需求的专业定位于学科基础必修课和专业必修课。主要课程有数据库原理与应用、高级语言程序设计、网页设计与制作、电子商务、数据通信与计算机网络等。为适应不同类型的专业需求培养学生应用计算机技术分析解决问题的核心能力。

融：对有需求的专业定位于专业必修课和专业拓展选修课。主要课程有Python程序设计、新媒体数据分析与应用、网站优化技术、商务智能、多媒体技术及应用、Java程序设计、网页策划与编辑等，直接面向专业应用培养学生的思维能力和创新能力。

该课程体系将学校所有专业分为文科Ⅰ类（经济学、管理学）、文科Ⅱ类（文学、法学）、文科Ⅲ类（艺术学）和理工类共4大类，不同专业开设课程不同，既体现厚基础、宽专业特点，又体现专业支撑与融合特点，创建较为完整适合校情的“宽、专、融”课程体系。

（2）面向计算思维，重构大学计算机课程内容。根据“宽、专、融”课程体系中大学计算机课程教学目标，以计算思维为导向，从狭义工具应用向提升计算思维能力转变，结合学校学情，构建新的大学计算机课程内容模块，如图2所示。

课程内容分为基础篇、思维篇、应用篇和前沿篇4个模块。①基础篇：计算基础、操作系统、计算机网络;②思维篇：0和1思维、算法思维、程序思维;③应用篇：文档编辑软件、表格处理软件、演示文稿软件、多媒体应用;④前沿篇：大数据、物联网、人工智能、云计算。

课程内容体现运用计算机科学的基础概念（基础篇）进行问题求解、系统设计（思维篇），也体现培养学生的基本信息素养（应用篇）和计算机技术发展（前沿篇）。在有限学时内，不同专业课程内容可以有所侧重和取舍，既体现专业特点，又留给学生自主学习空间，将重点放在思维能力和应用能力培养上，实现课程教学目标。

（3）对标国家精品课程，搭建SPOC+翻转课堂。以中国大学大规模网络开放课程（Massive Open Online Courses，MOOC）上的国家精品课程哈尔滨工业大学《大学计算机——计算思维导论》[12]作为本课程标杆，保证课程的水平和质量，拓展学生学习的深度和广度。在此基础上，选取与学校课程内容相关的部分作为特色层次的线上教学，建立大学计算机课程同步小规模限制性在线课程（Small Private Online Course，SPOC），如图3所示。课程内容与SPOC同步的部分讲解结合，帮助学生深刻理解计算机基本原理，开拓学生思路，训练思维能力。

根据课程教学目标，将SPOC教学与传统课堂教学整合，构建一种线上线下的混合教学模式，实现翻转课堂教学。

理论教学分为课前、课中、课后3个阶段。课前导学，提出问题，教师根据本次教学任务课前将教学资料和教学目标等发送给学生，引导学生查阅资料，观看教学视频，完成相应任务，并记录重点与难点;课中研学，解决问题，教师根据教学内容汇总学生课前导学疑问，采用师生互动、生生互动等翻转课堂形式，逐一解答重难点。引导学生拓展知识点的广度与深度，启发学生思维能力;课后练学，巩固提升，教师布置习题和测试，让学生及时巩固所学知识，并给出下节课需要预习的内容。

课中研学主要采用线下学习，而课前导学和课后练学主要依据MOOC+SPOC、思科网络技术学院、网络学习云平台等资源线上学习。课程内容中的基础篇和思维篇主要以哈尔滨工业大学“大学计算机——计算思维导论”课程辅助;前沿篇主要以思科网络技术学院的信息技术基础（IT Essentials，ITE）、物联网简介（Introduction to Internet of Things，IOT）、网络安全简介（Introduction to Cybersecurity， IOC）、走进互联网（Get Connected）等课程辅助。

（4）突出前沿技术，进行课程内容融合。2017年9月笔者学校成为思科网络技术学院理事单位，计算机基础教研室所有教师经培训考核合格后在思科网络技术学院开设多门课程，根据学校不同专业选取多门课程部分章节如ITE、IOT、IOC、Get Connected等進行课程内容融合，如图4所示。

课程内容前沿篇，文科I类和Ⅱ类专业融合ITE第1章和第2章，IOT第3章和第11章;文科Ⅲ类专业融合ITE第1章和第2章，Get Connected第3章和第4章;理工类专业融合ITE第1章和第2章，IOC第2章和第3章，既拓展课程深度，又体现计算机新技术发展，满足学生进一步学习需求。

思科网络技术学院供学校开设的课程有39门，如大数据、Linux、思科认证网络工程师（Cisco Certified Network Associate，CCNA）、Python等，其中16门课程语言含有中文（简体），可根据学生需求选择不同的课程内容进行融合。

（5）引入虚拟实验，推动虚拟仿真实验教学。实验教学是SPOC+翻转课堂容易缺失的教学环节，利用en_ITEPC_VA_Desktop_v40、虚拟实验工场、Multisim、GBCode、PCtoLCD、Raptor、Python等平台和软件进行虚拟仿真实验，实现大学计算机课程基本理论的难点解析、重点验证、微观可视和宏观可见，从而完成现实实验不具备或难以实现的教学内容，达到良好的教学效果。

2017年引入北京理工大学大学计算机课程仿真实验软件和配套素材库，选用部分实验项目教学效果显著。以一条指令的执行过程实验为例，将CPU内部的取指令、指令译码、取数据、指令运算等过程可视化演示，帮助学生深刻理解CPU的工作原理与过程，如图5所示。

（6）强化应用技能，部署网络学习云平台。2014年9月，学校在图书馆机房服务器上搭建网络学习云平台。课程内容应用篇主要利用网络学习云平台中“计算机应用（2016）”课程进行应用能力训练，包含教学进度、课程学习、测试中心、课程考试、优秀作品、课程资源、教学资源、学习笔记、学习统计、学习小组、讨论专区等模块，可实时反馈学生成绩得分，方便训练学生的计算机应用能力，并提供排行榜功能，显示前10名学生的分数，激发学习积极性和主动性，如图6所示。

省考试中心网络学习云平台提供Web前端技术、Access数据库（2010）、PhotoShop、Office高级应用、网页制作基础、Java程序设计、计算机应用（2016）等多门课程供学生进一步学习。

（7）响应学生反馈，及时更新课程资源。随着计算技术的不断发展，学生对计算机技术的需求也越来也大，大学计算机课程应积极拓展，及时更新各种课程资源。如用en_ITEPC_VA_Desktop_v40进行计算机虚拟拆装实验，用https：//mydiy.pconline.com.cn进行在线DIY自助装机实验，利用虚拟机安装并了解Ubuntu，用Multisim进行半加器和全加器仿真实验，用GBCode实现汉字输入码到机内码的编码转换，利用PCtoLCD实现汉字字形码显示与表示，利用Raptor实现汉诺塔的动画演示，利用Python实现图像滤镜技术等。

同时，积极借鉴其它高校的优质课程资源，如北方工业大学“新编大学计算机基础”课程中的毕业论文排版、图像处理基础与技巧等内容，相互印证，充实大学计算机课程资源。

（8）调整成绩占比，建立过程化考核标准。在建立过程化考核标准上，对总评成绩占比和构成进行大幅度调整。从传统的平时成绩30%+期末考试70%，调整为平时成绩50%+期末考试50%。其中平时成绩50%覆盖了学习过程的各个环节。除传统的课后作业外，还将网络学习平台的知识点测试、MOOC平台的作业、思科网络技术学院的章节测试、专题作品设计等纳入考查范围。为兼顾各教学班专业区别和教师教学特点，平时成绩分为统一规定部分和自主规定部分，教师在满足统一规定部分基础上可灵活设置自主规定部分的成绩构成。

另一方面对期末考试的考核方式和内容进行较大幅度的改革。期末考试考核方式采用省考试中心的计算机等级考试平台，闭卷机试，实行教考分离。考试内容包括计算机基础知识、Office技能、计算思维、多媒体，互联网+等基础知识，不仅较好覆盖教学内容，而且体现信息时代的思维方式以及计算机应用技术的发展变化。使用全自动考试系统完善的试题库，保证期末考试成绩的客观性。

4 改革成效

自2017年开展面向计算思维的大学计算机课程教学改革以来，经过不断探索、修正，培养学生利用计算机基本概念、思想解决专业学习中的问题，取得一些经验。

（1）学生兴趣提高，自主学习能力增强。一方面，新的课程内容不再以狭隘的工具应用为重心，而是转向启发学生思考、训练学生思维能力为主。平时作业既有一定的完成难度，又能够通过课后学习完成要求;另一方面，充分利用MOOC、云平台等信息资源，学生利用碎片化时间随时随地进行学习，提高了学习效率，为实现“宽、专、融”课程体系教学目标打下良好基础。

（2）学生应用能力提升，竞赛成果丰富。2017年，学校100多名学生首次参加第七届全国大学生计算机应用能力与信息素养大赛，多人获得全国一、二、三等奖，并获得Office商务应用能力赛项本科组团体一等奖。2018年，学校300多名学生参加第八届全国大学生计算机应用能力与信息素养大赛，获得计算机基础赛项本科组团体一等奖。此外在2018年、2019年、2020年连续三年获得广东省大学生计算机设计大赛一、二、三等奖多项，参加校园PPT设计大赛成绩不菲，说明教学改革能激发学生的学习兴趣，训练学生的思维能力和应用能力。

（3）学生计算机等级考试合格率高。2017年开始进行大学计算机课程内容改革后，增加基础篇和思维篇授课学时，减少应用篇学时，不再以Office技能训练为主，更多地让学生通过网络学习云平台自主学习，自主测试。近5年计算机等级考试合格率如表1所示。和教改前[13]相比，学生计算机等级考试合格率虽然每年有小幅波动，但都保持一个较高水平，从而可安排更多课时用于培养学生解决实际问题能力，提高信息素养，说明课程内容改革是成功的。

5 结语

随着计算机技术的发展，大学计算机课程教学改革迫在眉睫。以计算思维为核心，結合学校具体情况实施课程改革是一种行之有效的方法。本文从课程体系、课程内容、教学方法、考核方式等进行探索，提高了学生的学习兴趣、思维能力和信息素养，取得了一定成绩。

随着学校专业人才培养方案的更新，课程体系应随之调整。目前，课程学时减少与内容增多如何协调，如何提高学生线上学习的自觉性，如何防止学生两极分化等问题都亟待解决，地方高校大学计算机课程教学改革还需深入进行。

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（责任编辑：杜能钢）