面向计算思维的计算机基础课程教学改革探索*

丁美荣，曾碧卿

（华南师范大学软件学院，广东佛山 528200）

人工智能时代的到来，重新定位了人才的标准。人工智能时代倡导培养具有计算思维和创新思维，以及具有合作、沟通、高阶学习能力等综合素养的人才。国务院在《新一代人工智能发展规划》中指出：要全面提高社会对人工智能技术的整体认识水平和应用水平，实施全民智能基础教育项目[1]。重大科学发现与技术创新中都蕴含计算思维，计算机思维是人工智能时代人才的关键核心素养。人工智能进学校、编程教育进课堂已经上升为国家战略。人工智能与教育的融合创新已经成为未来教育变革的必然趋势。在大学的基础课教学阶段，培养创新能力的关键在于引导学生以正确的科学思维方式，启发学生运用计算思维发现、分析和解决问题，实施大学生人工智能素养培养。计算机基础课程是面向所有专业大学新生的必修课程，深入研究各学科、各领域问题的数字化及计算需求，设计科学、实用和具有前瞻性的计算机基础教学课程体系与教学内容，对于培养适应新时代发展需要的高层次复合型创新人才具有重要意义[2]。同时，计算机基础课程也是目前高校各个专业人才核心素养培养的启蒙课程，因此，将计算思维融入到计算机学科核心素养，逐步提升学生的计算思维能力和创新思维能力，有助于创新型人才培养。

一、计算思维在计算机基础课程教育中的发展动态

美国、英国、新西兰等国家将计算思维写进了基础教育课程标准中，并且投入大量资金推进计算思维教育。美国卡内基梅隆大学的周以真教授提出计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以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[3]。计算思维的提出引起了国内外学者和教育界人士的高度关注和重视。在国内学者和教育人士开始基于计算思维的基本涵义和特征，从学术和教学层次不断进行全面深入的研究和探索，指明了计算思维能力培养的思路和教学改革的方向[4]。陈国良院士认为，计算思维无处不在，计算思维要真正融入到人类活动的整体之中，并将其作为一个解决问题的有效工具，做到“人人都掌握，处处被使用”。[5]徐志伟说计算思维使人们能够发现与创新，通过计算思维的创新和进步，对科学与工程领域产生新理解、新模式，创造革命性的研究成果[6]。教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会和高等教育出版社等组织了若干次大学计算机论坛，发表了《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》，提出要把计算思维能力的培养作为计算机基础教学的核心任务。研究如何引导学生突破思维定势、敢于质疑、探索、建构自己独特想法，在知识的学习过程中潜移默化地拓展知识的广度，提升解决问题和自主学习能力，达到计算思维能力的培养已成为我国学者探究的主要课题之一。2018年教育部颁布的《普通高中信信息技术课程标准》中明确将计算思维作为信息技术学科的核心素养之一。广大学者认为计算思维在当今时代已经成为学生日常学习和生活中必须要掌握的基本思维能力。何钦铭等提出大学计算机基础教学作为大学生入门课程，迫切需要进行基于计算思维的教学内容改革，它不仅承载着优化大学生知识结构的使命，而且为学生创新能力的培养奠定了基础[7]。人工智能与教育教学的有效融合，将对教育教学起到助力作用，能够为高等教育教学中计算思维培养的教学改革提供有效保证。

二、计算机基础教学现状及存在的问题

以人工智能为代表的新科技的高速发展，对经济和教育都产生了巨大的冲击，新时代人才的需求标准迅速升级，未来人才需具备能机器人所不能，或能与机器人协同的创新思维和创新能力，计算思维是创新人才的核心素养。创新首先必须善于发现问题和勇于解决问题。但传统的计算机基础课程教学仍然停留在教会学生应用基础知识与技术层面，课程知识与新科技脱节，知识深度和广度不足，教育理念保守，教学模式单一，学生被动学习，教学评价注重知识的记忆和基础应用而不注重创新思维和创新能力的培养。学生的学习方式、实践能力和思维能力已不足以应对时代变革和人才的需求。

三、计算机基础课程教学的改革思路和具体措施

（一）改革思路

教育部大学教指委提出的《大学计算机基础课程教学基本要求》（白皮书）和全国高等院校计算机基础教育研究会发布的《CFC2014》（蓝皮书）的教学目标和要求，指出大学计算机基础教学在21世纪已经发展到深化提高阶段，大学计算机基础课程新一轮改革的思路和内容就是以计算思维培养为导向，以创新能力、立德树人为育人理念，推动大学计算机基础教育教学深化改革与创新。其指导思想是要对计算机基础教学的能力体系、知识体系和课程体系进行科学系统地构建，课程知识在分层、递阶排列的基础上，还要及时以适当的方式融入科技前沿和思政育人内容，以达到相应层次的知识、能力和素质培养目标。因此，本研究在计算机基础课程的教学目标、知识结构、教学模式、评价模式、师生角色等方面进行重新建构和改进，改革总体思路（如图1）。

图1 计算机基础课程教学中计算思维培养研究改革总体思路

（二）具体措施

根据人工智能时代人才能力需求和计算思维的特征，以人工智能时代人才需求标准为前提，以培养计算思维为目标导向，以课堂教学为培养计算思维的主阵地，以华南师范大学计算机基础课程教学为例，提出了计算机基础课程教学改革的具体措施，对教学内容、教学模式、教学评价的教学改革进行探究实践。

1.教学内容改革

立足于人工智能时代人才培养的需求，遵循认知水平与计算思维的发展规律，设计由低阶到高阶分层螺旋递进的课程学习模块。基于计算思维的实证思维、逻辑思维和计算思维三大特征，从课程体系顶层设计出发，在原有课程中融入现代先进技术学习模块，建构能反映计算思维特征的课程知识体系形成应用能力、编程能力、研究能力并重的大学计算机基础课程知识模块，有针对性地将人工智能、物联网、大数据等技术嵌入到课程体系。

课程体系及其知识模块设计

借助知识的层次设计由基础到高阶分层递进的课程学习模块，从而达到以课程学习模块引领学生提高问题解决能力和创新能力，依托教学内容带动学生学习应用计算机“解决问题”的能力，从而促进学生高阶思维和计算思维的发展，课程体系及模块如下表所示。

2.教学模式改革

构建培养学生计算思维的教学方式和教学模式。以学生为主体的教学模式被公认为是思维能力培养和创新能力的前提。确立“以生为本，以学为本”的教学理念，更新教学理念，构建启发思维、注重基础、鼓励创新、加强实践的教学模式，构建自主、合作、互动型课堂，促进学生计算思维的发展。

以适应“互联网+”时代发展的需要，计算机基础课程教学采用线上线下混合式教学模式为主，以激发学生自主学习为导向，以解决问题和项目式学习贯穿整个教学过程，开展线上直播教学，线下面对面教学互动，采用问题和任务驱动、协作探究的学习活动，鼓励学生在积极自主地探索中提高分析问题和解决问题的能力，引导学生在头脑风暴、思维碰撞过程中触探到与学习内容关联的隐性知识、多学科知识和社会思政文化，加深拓宽对知识的理解，达到对知识的迁移应用，从而实现计算思维培养目标。

3.构建灵活匹配的教学评价

有效的评价机制可极大地提升学生的学习兴趣，提高教学质量，因此，教学活动中的反馈与评价尤其重要。在新教学目标、教学内容和教学模式的基础上，以过程性评价、成果性评价为主，结合终结性评价，构建伴随式、智能化、灵活匹配的教学评价[8]。新的教学评价要体现重能力、重过程、重成果的特点，细化和量化学习过程和学习成果中的评价指标，获取、分析学习行为产生的数据，精准评价数据结果，利用评价反馈结果提供不同的学习支持，使评价能真正促进计算思维的培养等问题。

四、计算机基础课程教学的实施方案

（一）教学内容

基于计算思维培养目标重新调整课程教学大纲，设计新的教学体系和教学模块。以计算思维、创新能力、立德树人育人理念为导向，科学系统地构建计算机基础课程教学的能力体系、知识体系和课程体系，各门课程的开设都应该能达到相应层次的知识、能力和素质目标。优化修订计算机基础课程教学的人才培养方案，加强人工智能、大数据、物联网、区块链等新工科课程内容建设。新增一批以人工智能、大数据、物联网、虚拟现实、智能机器人、网络安全等新技术支持下的创新实践实验室，给计算机基础课程的教学提供实验平台。

在新生开课第一学期，各专业根据自己的专业需求把计算机基础、数据库和程序设计三个课程中的各模块进行选修和必修设置，要求学生学习必修课程的同时，选修其它模块的内容，在满足学生必须掌握的基础知识的同时，也能满足学生的个性化需求。

在新生第二学期开展数据库和程序设计两门综合高阶计算机基础课程中，除了原模块内容必学，其它新模块内容由学生自愿选学，以“互联网+教育”为引领，选学模块主要以线上课程资源、直播和微课完成教学讲授、互动、探究等任务，以微信群辅助答疑；学生必学模块，以线下面对面课堂教学与实践为主，以便教师监督跟踪学生可视化学习行为，结合网络学习数据分析学生学情，以便教师能更准确地掌握学生的学习特征，开展个性化学习指导。

（二）教学模式

基于新的教学目标、教学方案和教学内容在新的计算机基础教学中探索新的教学模式，围绕问题解决和项目式学习，开展线上线下混合式教学，借助直播平台和微信群组织多样化互动、探究、答疑教学活动，探索多模块、多学科融合，能有效培养学生计算思维的教学模式。

利用互联网开展有效的线上线下混合式教学，除了线下面对面的教学互动，还可以在MOOC、华南师范大学砺儒云平台、学者网等平台建设课程资源，借用腾讯课堂、腾讯会议、ZOOM、CCtalk等网络直播平台开展“直播交互”教学。疫情期的实践证明，在线直播教学不仅没有疏远师生关系，反而增加了师生合作感情，通过教学设计完全可以使师生达到“临场感”，因此，师生根据教学需求，完全可以利用好“互联网+”教育支持条件，通过直播交互平台开展探究式、启发式、研讨式、互动式等促进学生思维发展的学习活动。教师把多学科知识、前沿科技、社会文化等知识由抽象转变为系列的问题和学习项目，建立和引导学习问题、学习项目和社会需求、经济发展之间的密切关联，有效促进学生自主学习能力的提升，促进师生之间、学生之间的思想、学术和情感交流，激发学生好奇心及进一步探究的激情，推动学生创新意识的形成，提高学生分析和解决复杂问题的能力，达到提升学生计算思维能力的教学目标。

（三）教学评价

以过程性评价、成果性评价为主，结合终结性评价，设计动态匹配、科学有效的教学评价体系，激发学生的自主学习，促进计算思维的发展。利用网络课程平台上学习行为形成的学习数据、智能工具采集的学习过程中隐性数据和可视化数据，分析学生在讨论、交互、协作、浏览、作业提交等学习行为中反映出来的个性化学习特征，判断学习者在线学习过程中各种情感特征，从个性化学习数据中提取个性化学习标签，生成学生画像，基于学生画像了解学生学习个性，如学习动机、学习兴趣、学习时间、知识背景等，对学生进行个性化培养。同时基于学生画像计算结果对评价指标进一步细化和量化，以促进所有学生能自主积极地参与到学习中，使评价真正发挥以评促教和以评促学，培养学生的计算思维能力。

五、结语

面向人工智能时代人才的需求标准，计算机基础课程教学目标也随之重新明确与定位，面向计算思维培养对计算机基础课程教学从教学内容、教学模式、教学评价等几个方面做了改革探索实验，并提出了实践实施方案，期望在未来计算机基础课程教学研究中对学生的计算思维得到有效培养，通过新科技前沿知识教学内容的整合，思政教育内容的融入，达到对人才综合素养的培养与提升。