金 秀，丁春榮

（安徽農業大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230001）

基于計算思維的農科院校計算機教學模式研究與應用

金 秀，丁春榮

（安徽農業大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230001）

本文在計算思維概念的基礎上，對農業院校計算機教學模式進行了探討，分析了計算思維與農業類型專業的關系，構建了新的計算機基礎教學模式，針對不同類型學生來進行計算思維的培養，本文最后簡要的綜述了現階段農科院校中進行計算機文化基礎改革情況，并對現有的問題和困難提出了建設性意見.

計算思維；課程體系改革；教學模式；專業能力；創新能力

1 背景和國內外研究現狀

計算思維不僅是計算機專業的應用方法，而且是運用計算機科學的基礎概念去求解問題，包括如何使用程序設計概念、算法概念、硬件設計概念等方法，去求解社會經濟問題、設計各種類型系統和理解人類的基本行為等.它涵蓋了計算機科學廣度的一系列思維活動，國際上廣泛認同的計算思維的定義來自麻省理工的周以真教授[1].周教授認為，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動.當初的計算機教學模式一直延續至今的都是一種知識型/技能型，如:二進制、微機原理、程序設計語言等.計算思維雖然有著計算機科學的許多特征，但是計算思維本身卻不是計算機科學專屬[2].它是由于計算機對于信息和符合的快速處理能力，使得許多原本只是理論可以實現的過程變成了實際可以實現的過程.計算思維吸取了問題求解所采用的一般數學思維方法、現實世界中復雜系統的設計與評估的一般工程思維方法以及復雜性、智能、心理、人類行為的理解等一般科學思維方法，所以這里提出的計算思維不是狹義的計算機編程.

2 計算思維基本概念

計算思維在計算機的很多課程中都有所體現，所以最主要的是進行計算思維的內容精煉.在計算機的程序設計中具有很多的思維概念，程序設計課程中有一個非常重要的代表就是算法[3].算法是指方案的準確并且完整的描述，是一系列解決問題的清晰指令，算法代表了計算機中解決問題的策略機制，而且廣為其他的學科應用.計算機基礎課程中計算機系統也包含計算思維概念，計算機系統包括了計算機結構和微型計算機系統等幾個模塊，在微型計算機中主要給學生介紹了計算機的軟硬件組成，這里擁有者豐富的計算思維概念.計算思維還在計算機專業的2個重要的領域有著突出的表現，這2個領域分別是數據庫和計算機網絡.數據庫現在應用的范圍非常廣泛，在經濟、生物、醫學等眾多領域有著不可缺少的作用.而數據庫的學習核心是數據庫的基本原理即數據的抽象化，并且利用數據庫的原理來解決實際的問題.其中數據的抽象、轉化是教會學生用計算思維的方式描述一個實際的數據庫結構，理解數據庫中的計算思維可以有利于學生在專業學習中跨學科的研究.計算機網絡是計算思維培養的重要領域，在計算機網絡中有很多的概念和方法可以抽象為計算思維來應用到其他的學科中，其中比較典型的例子就是將社會中的各種元素抽象為一個網絡，然后利用網絡的方法來解答出許多金融社會等各個領域的問題.這種定義非常的靈活，有許多不同形式的關系或者聯系都可以定義為網絡，所以計算機網絡的概念就是計算思維.

3 農科院校的計算思維教學模式研究與應用

農科院校對于計算機文化基礎的課程現有的最重要的教學模式就是分類教學，通過進校的分級考試和學生興趣調查，針對不同類型的學生進行不同教學內容，可以用模式1+X來描述[4]，‘1’代表著計算機文化基礎課程，面向的對象主要是對計算機需要從基礎了解的學生，‘x’表示更高層次的多種類型計算機課程，面向的教學對象是進一步學習的非計算機專業學生.所以很多情況下只要學生的計算機基礎良好，就直接忽略的‘1’的這個基礎教學過程，直接的跳入到了X的這個教學過程中.

表1 非計算機專業學生興趣調查

但根據調查和教學研究，學生對于計算機的高級應用學習的興趣和能力并不像分類考試中表現的那樣突出，所以1+x模式具有很大的缺陷，主要體現在無法與學生學習的內容達到一個平衡點，即會產生過度簡單使學生忽視的現象，又會產生過度專業使得學生失去興趣的現象.表1針對非計算機專業的學生一個調查，重點觀察學生的興趣和需求主要集中在什么區域.調查表中發現絕大部分學生對程序設計感興趣的偏少，主要的分布在計算機基礎、多媒體、網絡、安全和農林計算機相關知識.所以為了培養學生計算機的能力和興趣，需要改革的不僅是教學模式，更重要的是計算機文化基礎教育的內容，必須改變將計算機當作工具的認知.

針對現有的絕大部分農科院校采取的1+x計算機基礎教學模式已經無法適應現在的非計算機類型學生的問題，、為了使得計算思維與專業更好的相結合，本文提出了新的教學模式‘X+Y’，X是以前‘1’的內容上擴充，主要的目的是讓計算機基礎教學從一開始就涉及到計算思維的培養，Y表示的是計算機文化基礎課程后的高級計算機課程,如圖1所示.

圖1 'X+Y'計算機基礎教學模式

農科院校的專業大致可以分成農學類、理科類、人文社科類三個方向，這里也主要針對這3方向專業教學進行分析和研究.X代表的是不同方向計算機文化基礎課程總和，面向教學對象也是各個方向的學生，但是由于每個大類方向對于計算機基礎要求有所不同，所以通過針對這三種方向的學生來制定不同的計算機知識體系，會有助于學生在學習過程中培養良好計算思維，再將計算思維應用于專業上，則更加有利于學生興趣的培養.

3.1 農學類應用到的計算機知識主要是農林業信息化技術、數字農業、數據庫技術，尤其是數據庫的知識，所以數據庫的基本概念等內容是農學類的主要方向.其知識體系可以包括如下內容：（1）計算機緒論；（2）of f i ce辦公系統應用；（3）數據的組織與管理；（4）微型計算機原理；（5）數據結構與算法介紹；（6）數據庫基本概念.其中重點在數據結構與算法、數據庫的內容.

3.2 理科類主要涉及到的計算機知識是程序設計、計算機組成、數據庫基本概念等.其知識體系包括如下內容：（1）計算機系統與概念；（2）of f i ce辦公系統應用；（3）信息表示與存儲;（4）數據的組織與管理；（5）程序設計語言與算法；（6）信息傳輸與網絡；（7）數據庫基本概念.其中程序設計語言與算法、信息傳輸與網絡是理科類的重點教學內容.

3.3 人文社科類主要應用計算機知識包含了（1）計算機與計算思維；（2）計算機發展與基礎知識；（3）計算機硬件系統；（4）計算機軟件系統；（5）計算機網絡基礎；（6）多媒體技術基礎.（7）數據庫基礎.其中以計算機的基本概念和知識的普及為主要目的.

由于X模式中已經為三種大類方向設置了不同計算機知識體系，當學生完成X模式后基本上可以掌握計算思維的基本概念，Y模式主要是為感興趣或者準備深入學習計算機內容的學生準備的.下面整理出了Y模式中需要掌握的基本內容體系，其主要內容包括了計算機程序設計、數據庫基本概念、計算機網絡、多媒體設計與應用、計算機組成原理等.內容與X模式中的有所相似，但是比前面的內容要進一步的深化.對于農業類的學生主要方向是通過學習計算思維的方法來嘗試解決農業上相似的專業性問題，對于理科類學生主要是理解算法和程序上的實現，對于人文社科類性的方向重點是在概念和基本應用上.

課程模式‘X’內容主要體現的是思維性的培養和計算思維概念的學習，所以整個課程必須從理論出發，重點在讓學生掌握方法和概念.所以在本校教改中總共設置了56了學時，針對農業類和理科類其中40個學時安排給學生進行理論教學，另外16個學時安排給學生進行實驗教學；而針對人文社科類，分配了28學時作為理論教學，另外的28個學時作為實驗教學.農業類和理科類理論教學主要涉及的模塊：問題求解、微型計算機、數據結構與算法、計算機網絡、數據庫的基本概念、數據的組織和管理，主要進行計算思維講授和基本素質培養兩個方面.而人文社科類的理論教學主要設計的模塊：計算機與計算思維、計算機發展與基礎知識、計算機硬件系統、計算機軟件系統、計算機網絡基礎、多媒體技術基礎、數據庫基礎.農學類與理科類的實驗教學內容相對與理論教學獨立一些，主要涉及了office辦公系統、程序設計、數據庫管理這幾個方面.人文社科類的實驗教學內容主要是幫助學生理解理論教學的內容，是以應用為核心，主要內容涉及到：office辦公系統、數據庫管理、多媒體軟件使用、其他軟件的應用等.

課程模式中的‘Y’主要為了給具有一定能力的學生開拓更加廣闊的知識面，并且針對部分專業來與計算思維結合做進一步的學習.其中最為重要的2個方向是計算機程序設計和數據庫基本概念.針對人文社科類的學生‘Y’模式可以憑自身興趣進行選擇，而針對農業類和理科類的學生這里比較建議繼續選擇‘Y’模塊進行學習.在這次教改中也針對農學類和理學類學生的‘Y’模式給出了56個教學課時，這次的課時全部是在機房完成，通過邊講解邊上機進行教學，不僅僅要求從概念上了解，更多的是要求學生可以使用計算機解決實際的問題.這里要強調一點的是，雖然是上機教學但是其側重點還是以思維鍛煉為主，不能只是介紹程序設計內容或者數據庫概念等，設計出的教學模塊一定要是思維性為主導，而不是以工具性為主導的.

在這次教學改革后，針對教改的學生開展了問卷調查，調查的主要包括課程內容、課程難度、理解和接受程度、對計算思維的認知等，從問卷統計的調查結果表明：80%以上的學生認為課程有一定的價值和意義；90%的學生總體上認可課程內容，理解計算思維的基本概念；67%以上的學生認為學習后對以后有一定意義.

〔1〕MIT.Introduction to Computer Science and Programming [EB/OL].http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computerscience/6-00-introduction-to-computer-science-and-programming-fall-2008.

〔2〕陳國良，董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育[J].中國大學教育，2011（1）.

〔3〕戰德臣.非計算機專業大學計算機課程的思維性教學改革實踐[R].第六屆“大學計算機課程報告論壇”，2010.

〔4〕龔沛曾,楊志強.大學計算機基礎教學中的計算思維培養[J].中國大學教育，2012（5）.

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A

1673-260X（2012）10-0213-03

安徽省教育廳教研項目（20100306）