以计算思维培养为目标的大学计算机基础教学改革与实践研究

聂茹　李政伟

关键词：大学计算机基础；计算思维；能力培养；课程改革；过程评价

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）03-0142-03

0 引言

计算思维的概念是2006年由美国计算机科学家Jeannette M.Wing正式提出，当时在教育界和学术界引起广泛讨论和高度认可，十几年来逐渐成为备受关注和深入研究的学术思想。大学计算机基础课程是我校大一新生所学的第一门计算机类通识必修课，计算思维能力的培养是该课程的重要目标[1]。为了避免“计算思维”概念的空洞化，即如何在教学内容和教学实践中落实计算思维的思想，如何实现计算思维能力培养的目标，目前仍处于探索之中，是教学改革所面临的重要课题。

1 国内外课程研究现状

1.1 国外研究现状

经过将近二十年的推广和普及，计算思维的概念在国内外教育领域已经得到了广泛的认可和关注。从总体上来说，国际一流的大学已经开始重新酝酿计算机基础和相关课程的设置，并且围绕着计算思维的概念建立了较为系统和先进的课程体系和教学内容，且这些内容具有鲜明的学校特色。许多国外高校也对本科阶段第一门计算机课程进行了改革，将教学目标从过去泛化地认识计算机到从计算思维的角度理解、运用和评价计算理论和方法，借助于程序设计语言来帮助学习者去理解和实践计算机理论中的基本原理和基本概念，形成计算思维的雏形[2-4]。

例如，美国斯坦福大学开发了基于JavaScript的学习实验平台，作为介绍计算机科学课程中的基础知识的媒介。在教授过程中，教师要求学生以编写和运行简单代码的形式来体会计算机的实际作用和自身局限性。另外，麻省理工学院同时设置了计算机科学课程和Python程序设计课程，目的是使得不同层次和不同专业的学生学会编写小型程序，并在编程过程中理解计算机在求解实际问题时的原理和作用。美国加州大学伯克利分校借助自主研发的Snap平台设置了关注学生创造力和计算实践能力的计算机课程。

1.2 国内研究现状

近年来，随着信息技术和互联网的飞速发展，计算机学科也经历了前所未有的迅猛发展。传统的大学计算机基础课程已经无法满足学生对于前沿信息技术的需求和社会对学生基本技能的要求。所以，以非计算机专业学生为教学对象的大学计算机基础课程体系需要进行全方位和深层次的改革。

首先，从课程内容的设置来看，一般包括计算机的基本组成和基本工作原理、计算机基础上机实践等比较陈旧的内容；而且这些内容对于00后的大学生来说比较熟悉，完全可以通过自学等手段掌握，不需要再占用课堂学时。其次，虽然大多数学校都将计算思维的概念和方法（比如算法和程序设计等）融入了计算机核心理论这部分内容中，但是由于教材整体篇幅所限，很难将这些概念讲得特别透彻清晰，从而影响了学生的学习效果和学习热情。因此该课程在课程内容和教学方法等方面都有较大的改进空间。

2 计算思维概念在大学计算机基础课程中的体现

2.1 计算思维的具体概念体系

“抽象”和“自动化”是计算思维中用于解决实际问题的核心思想方法。具体来说，可以分为8个大类，42个核心概念，其本质是研究如何运用计算机的方法来解决实际问题。因此，计算思维并不仅仅是抽象的概念，它更是可以用于解决实际问题的思维方法[5-6]。

虽然计算思维是大学计算机基础课程的主要教学目标，但是不可能在有限的学时内将计算思维的概念全部一一讲解，而是将相关的概念贯彻到课程理论知识的讲解中，把思维方法转化为解决实际问题的方法论，以计算思维与程序设计思想的相融合，重新构造课程教学中更为具体的概念和方法。

如何在教学过程中将计算思维的思想落到实处，主要分两个步骤：一是在教学中认清计算思维概念“是什么”和“做什么”的问题；二是在教学中实践和评价“如何做”和“做得怎么样”的问题。

2.2 计算思维的具体内容

大学计算机基础课程教学的主要目标是教会学生用计算思维的思想去理解和解决计算机领域的实际问题。根据这个宗旨，将计算思维的基本概念和具体方法相结合，在实际教学中通过理论与实际相结合解决计算思维中“做什么”和“如何做”的问题，是围绕实际教学内容落实计算思维具体概念和方法的过程[7-9]。

在課堂教学环节，注重理论与实践相结合进行深入讲解。首先对于计算思维概念层面的理论知识，采用深入讲授和实例验证相结合的方式，在细化理论知识的过程中，将计算思维的概念具体化，找到各个理论知识点与计算思维各个具体概念之间的对应关系；其次在讲授各个知识点的过程中不断强化和渗透计算思维的概念和内容，实现课堂教学与计算思维的无缝衔接。

3 以计算思维为培养目标的课程改革实践

为了将计算思维的概念和方法落到实处，需要从课程目标和要求、课程内容设置、教学方法和手段等多方面重新审视大学计算机基础这门课程，而不应该仅仅局限于对原有教学体系进行细枝末节的修改，这对于我校的计算机基础课程改革具有重要的战略意义。中国矿业大学于近年修订了大学计算机基础课程的教学大纲，优化了教学方法和教学手段，切实践行了以计算思维培养为首目标的课程改革，通过几年的教学实践，逐步指明了以能力培养为导向的改革方向。

3.1 教学目标与教学内容的重新定位

首先，为了更好地提高教学效果，将传统的“教师一言堂”授课模式转变为“以学生为主体”的探究式教学模式[10-12]。具体地讲，就是对大学计算机基础课程中的基本理论模块（主要包括计算机中的信息表示、计算机基本组成和基本工作原理、计算机网络等）进行分解，提炼出一个个有生命的问题，在课堂上以学生探究为主、教师为辅的方式来求解这些科学问题。

其次，在对课程进行重新定位之后，从计算的本质问题和实质产物以及计算效果等几方面来重新解读计算思维的内在含义，并对大学计算机基础课程的教学目标、教学理念和教学内容以及教学架构进行了重新梳理和厘清，帮助学生理解建模、抽象等在计算思维的整个概念和方法体系中的地位和作用，让学生对建立计算思维理念所应具备的核心知识体系和核心技能有明确的认识和理解。

最后，依据“以能力为导向，以目标为牵引”的逆行模式，确定按教学对象划分的以问题为引导的教学模式。该模型框架在借鉴传统计算机基础教学模式和教学内容的基础之上，围绕计算思维的教学理念和教学方法，用直接而自然的方式将计算思维所涉及的知识点融入学生的学习过程中，并且在运用和接触计算机理论和实践知识的过程中不断获得加深和内化。

3.2 以实践促理论，强化计算思维能力培养

为了突出计算思维能力的培养，在大学计算机基础理论课教学的同时，应强化实践教学与理论课堂相结合，加强理论课各章节和各知识点与实验内容之间的衔接，避免传统教学中知识点简单罗列和无序堆砌，删除有关计算思维概念的简单陈述，以深刻理解计算思维的概念为切入点，通过计算机学科中的核心理论知识和经典案例，以更为深刻具体、更简洁明了的方式诠释计算思维的核心本质。例如，在介绍和讲解计算机中信息表示这部分内容时，可以通过讲授Python程序设计语言中编码方式和不同进制转换的程序设计实验，让学生更深刻地理解计算机求解实际问题的思路，同时要求学生更好地利用课外时间完成实验内容。培养学生针对具体问题，从问题建模、问题求解再到程序实现，是实现计算思维落地的有效途径。

此外，在大学计算机基础实验课程的安排上，对传统的实验操作内容进行了大幅弱化和删减，取而代之的是增加了大量有关算法设计和运用的内容，配合在理论教学中对算法思想和案例的直观讲解，使得学生对于计算思维的精髓有更深入的理解。最后，将人工智能、机器学习以及大数据等前沿信息技术加入到最新的授课内容中，完善了课程的知识体系结构；同时，为了避免原有教学中因学时不够而削减了前沿信息技术部分课时的弊端，使得教师有充足的学时将新概念、新技术讲懂、讲透，将计算思维的思想落到实处，大纲中弱化了计算机基本原理、计算机网络等内容，而以学生在教师指导下的自学为主。

3.3 融入计算思维讲解的教学方法实践

在整个课程的教学体系中，计算思维的概念并不是独立存在的。计算思维的本质是计算机科学发展过程中所形成和研究提炼而成的具体的思维方法，需要贯穿于计算机基础理论体系的讲解全过程。总而言之，计算机基础理论知识是所习得的教学成果，而计算思维是在教学研究中所凝练出的思维方法。所以，在实际的课堂教学中教师应以问题引入的方式启发学生进行问题建模和研究分析、思维创新和应用拓展，实现计算思维与基础理论知识的融合。

以“进程的概念”为例，为了让学生直观而形象地理解进程的基本概念、主要特点和进程之间如何转换等问题，通过反复运行“计算器”程序生成不同的进程，再利用“任务管理器”查询进程的属性信息，进而获取进程的状态以及计算机硬件的使用情况，以及不同进程之间的调用和依存关系，从而加深学生对进程并发性的理解，加强思维深度和宽度的培养。

3.4 以能力培养为核心的过程化考核

计算思维能力的培养需要一个长期的过程，这就需要对学生的学习过程进行客观监督与考查，以此来评价学生在整个学习过程中的学习效果。为此，通过对原有课程评价体系的优化和调整，制定了一套以能力考查為核心的过程性考核体系，主要包括以下几方面内容。

1） 对形成性成绩的构成和所占比例进行了一定幅度的调整。形成性成绩的构成应作为衡量过程性学习各个环节的重要参考，除了传统的每章课后作业之外，还包括了MOOC单元测试、课外设计、期中测试和课堂表现等。根据各个不同的环节所起作用和地位不同，每个环节所占的比例各有不同。比如MOOC 单元测试中的题目难度适中，而且与课本内容比较贴合，对学生理解课本内容和及时复习所学内容起到了较好的促进作用，因此设置了较高的比例。另外，为了在不同专业和不同班级之间进行权衡，各个行政班的教师对形成性成绩的掌控有一定的自主权，在统一规定的基础上可以根据自己班级情况，适当地调节不同环节所占比例。

2） 对期末考试的考核方式和考试内容进行了一定程度的调整。在考试方式上，全面摒弃了纯记忆型考题，强调对理解和分析能力的考察。总体说来，考核的目标发生了颠覆性的变化，考核的知识面更广、难度更大，对学生提出了更高的要求。但是，正是这种面向能力考核的改革是落实计算思维培养目标的重要基础。同时，采用上机考试的方式，一方面省去了批改试卷的工作量，另一方面通过不断完善考试题库和系统按知识点全自动组题，保证了考试成绩的公平性和客观性。

期末考试分为理论部分和实践部分。理论部分新增了人工智能基础、大数据和机器学习等前沿内容，期末考试中也设置了这部分相关的题目，题目大多比较灵活，有一定的代表性和趣味性。实践部分则更加注重考查对基础知识的灵活运用以及对基本操作技能的熟练程度。

4 结束语

计算思维概念的提出和应用为大学计算机基础课程改革指明了努力方向，如何将计算思维的概念贯彻到实际教学中是该课程改革的热点问题。以我校大学计算机基础教学改革为重要契机，通过教学目标和教学内容的重新定位、以实践促强化计算思维能力培养以及融入计算思维讲解的教学方法实践，切实将计算思维培养目标贯彻到实处。

结合大学计算机基础课程理论知识体系，在深入理解计算思维基本概念的基础上，从抽象概念到具体方法两个层面上厘清计算思维在整个课程教学体系中的地位和作用，在具体不同章节中对于计算思维的概念、方法和体系关系等各个不同抽象层次的内容采用融入式讲解和实践性验证等方法，与课程教学中相对独立的知识点相结合完成计算思维概念的融入式讲解、对于计算思维概念所涉及的基本方法、基本原理和实现步骤则采用独立重点讲解和多元化实践方式进行验证。通过教学效果测试证明了计算思维在大学计算机基础课程中的实践效果良好，为中国矿业大学进一步开展计算思维培养目标在课程中的实际应用提供了有益的参考和积极的借鉴。

【通联编辑：王力】