基于計算思維的大學計算機基礎課程體系構建

[摘 要] 針對目前大學非計算機專業的計算機基礎教學中出現的重操作、輕理論，重技能、輕思維，重模仿、輕創新等問題，將計算思維引入到大學非計算機專業的計算機基礎教學中，試圖構建一種新的課程體系，培養大學生的計算思維能力，為進一步提高大學生利用計算機解決問題的能力打下良好基礎。

[關鍵詞] 計算思維；非計算機專業；計算機基礎教學；創新能力

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634（2013）04-0062-04

0 引言

21世紀科學上最重要的、經濟上最有前途的研究問題都有可能通過熟練掌握先進的計算技術和運用計算機科學得到解決[1]，因此具備善于運用計算機技術進行學習、工作、解決專業問題的能力是高級人才的重要特征之一。通俗地講，計算機就是用來計算的機器，計算能力的培養是利用計算機解決問題的重要能力之一，而計算思維正是一種計算能力的體現。大學的計算機基礎教育承擔著學生計算能力和計算思維的培養重任，應該具有與數學、物理相同的地位。目前大學的計算機基礎教育存在著一些問題，使得它的教學難以完成既定的教學目標。因此，在新的形勢下，應該建立與之相適應的新的教學內容。本文就是在此前提下，提出以培養學生的計算思維能力為核心目標，建立與之相適應的課程體系。

1 目前大學非計算機專業的計算機基礎教學存在的問題

目前，大學非計算機專業的計算機基礎教學存在著以下問題：（1）老師在教授過程中，重視計算機應用軟件的使用、輕視利用計算機軟件解決實際問題能力的培養；重視計算機程序設計語言語法的學習、輕視利用某種語言解決實際問題的思維能力的培養。（2）學生在學習過程中，重點是模仿老師操作，而忽視創新能力的開發。這些問題的出現，使得學生對于簡單的練習可以完成得很好，但對于新出現的問題就不知如何去解決，久而久之對計算機的學習就失去了興趣。大多數高校非計算機專業的計算機基礎教學體現在《大學計算機基礎》和《計算機技術基礎》兩門公共課上，因此，如何提高這兩門課的教學效果、提高學生利用計算機解決實際問題的能力成為大學非計算機專業的計算機基礎教學需要解決的問題。

2 計算思維和計算機基礎教學

計算機基礎教學應該重點教授哪些內容才能提高學生利用計算機解決實際問題的能力呢？其實這個答案早就蘊含在《大學計算機基礎》和《計算機技術基礎》的課程名稱中。通俗地講，計算機就是用來計算的機器。那么計算機是如何進行計算的呢？要明白這一點，就要理解計算機計算的原理以及人們如何把實際問題轉化成能夠讓計算機進行計算的步驟，因此計算能力的培養應該在大學計算機的基礎教育中得到重視。2006年3月，美國國家自然基金會計算機與信息科學工程部主任周以真（Jeannette M.Wing）教授在美國計算機權威刊物《Communications of the ACM》上，首次提出了計算思維的概念，并且這個概念的提出立刻得到了教育界的廣泛支持。

周以真教授指出：“計算思維代表著一種普遍的認識和一類普適的技能”[2]。在她的觀點中，一個非常重要的內容是計算思維是一種可實現的思維。計算機最初就是為了計算而發明的，因此通過計算機基礎教學，讓學生明白什么是可計算的，什么是不可計算的，慢慢地理解計算機是如何解決現實中的問題的，從而提高學生用計算機解決問題的能力。

2010年7月，在西安交通大學舉辦的首屆“九校聯盟（C9）計算機基礎課程研討會”（以下簡稱C9會議）上，討論的核心問題是如何在新形勢下提高計算機基礎教學的質量。C9會議討論并達成了一系列共識，發表了《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》[3]。聲明的核心要點是：必須正確認識大學計算機基礎教學的重要性，需要把培養學生的“計算思維”能力作為計算機基礎教學的核心任務和目標，并由此建設更加完備的計算機基礎課程體系和教學內容，進而為全國高校的計算機基礎教學改革樹立標桿[4-6]，楊彩云等[7]介紹了計算思維與大學計算機基礎教育的關系，很多高校也積極將計算思維引入到大學計算機教育這個教學活動中[8-10]。

3 基于計算思維的計算機基礎教學課程體系

雖然文獻[6]建立了大學的計算機基礎教學課程體系，但是基于筆者對于計算思維的認識以及十多年的教學實踐，仍然提出了一些看法。通過對大學計算機基礎教學中的課程進行認真分析，試圖構建一種引入計算機思維的新型的大學計算機基礎教學課程體系，培養大學生的計算思維能力，從而為進一步提高大學生利用計算機解決實際問題的能力打下良好基礎。

1）建立計算的思想，提高計算的意識。即為什么需要計算以及人是如何通過計算來解決實際問題的。

2）構建計算軟硬件通用平臺的思維。用來計算的數據是怎樣在計算機內部存儲以及數據是如何被計算的，蘊涵在計算平臺中的基本思維對于計算思維的培養具有重要的作用。

3）從多門課程中凝練出的共性思維。對非計算機專業的學生來講，由于受限于學時數，應將蘊涵在操作系統、數據庫、計算機網絡等不同課程中具有普適意義的計算思維凝練出來。

4）將不同方面的知識貫通起來形成貫通性的思維。打通知識間的屏障（如術語上的差異、抽象的不同層面等），對于提高計算思維能力很重要。

5）一切以解決各學科的實際問題的思維和可實現的思維為出發點。使學生在利用計算機解決實際問題時，要考慮問題求解算法的思維以及如何讓計算機來實現的一種思維。

經過以上分析和梳理，本文提出以計算思維為核心的非計算機專業的大學計算機基礎教學課程體系，如圖1所示。

4 計算機基礎教學課程內容設計

1）理論基礎部分所涉及的課程內容設計。

理論基礎部分的教學內容設計基于以下出發點：一是計算思維的概念以及由此所引出的相關知識；二是計算機硬件系統設計的計算思維，這些是計算環境的介紹；三是計算機軟件系統，包括系統軟件和應用軟件，使學生掌握在計算機環境下的問題求解方法，這是今后學生應用計算機技術解決專業問題的重要基礎；四是計算思維的道德。根據以上內容設計的理論基礎部分的教學內容見圖2。

教學內容分為9個教學單元，即計算思維、計算環境、操作系統基礎、科技文章編排、數據處理、數據庫系統、互聯網計算基礎、問題求解及計算機安全等。

以上教學內容的設計，涵蓋了計算思維相關的計算環境的搭建以及問題求解模型的描述，后者對培養學生程序設計的思維、程序設計算法的基本素養有重要作用，可以學生為第二學期的計算機技術基礎的學習打下一個良好的基礎。

2）程序設計能力部分課程內容的設計。

對于一所以工科為主、文理經管法學科兼備的綜合性大學來說，要讓學生學會用計算機來解決不同專業的問題，因此按理工類、管理類、文法類以及藝術體育類，根據不同的類別來設置不同的課程，這部分所涉及的教學內容包含VB程序設計、VF程序設計、C++程序設計以及Java程序設計，通過這些程序設計語言課程的設置，使學生掌握一門可以解決實際問題的程序設計語言，從而更好地培養學生利用計算解決實際問題的能力。關于不同專業設置不同的計算機程序語言課程內容，見表1。

3）計算機技術與應用部分課程內容的設計。

學習所有計算機課程的最終目的是為了用計算機技術來解決實際問題，而前面所述的理論基礎和程序設計能力課程還不足以達到這個目標，它們更加注重計算思維的訓練，因此在大學計算機基礎教學中還應該設置一些更有針對性的計算機技術及應用課程，以校級選修課的形式來開設。這里既有已開設的程序設計語言延伸，例如VC++就是C++程序設計的延伸；數據庫技術、Access數據庫、SQL Server數據庫、MySQL數據庫就是VF程序設計的延伸；多媒體技術、PhotoShop、Flash、虛擬現實等是多媒體內容的深入；Android、網站設計與開發、VBA程序設計、Office高級應用技巧等的學習可以進一步提高解決實際問題的能力。

5 實施效果

分別對2009級、2011級、2012級學生的《大學計算機基礎》和《計算機技術基礎》兩門課程各個部分的得分率進行了分析，如表2所示。

表2中，人數按如下方式確定：三個年級中參加《大學計算機基礎》和《計算機技術基礎》的非計算機專業的學生，其中由于藝術學院以及體育學院的學生是以特長生形式招收的，因此不統計在總人數中，而且有個別的學生只參加了一門課程的考試，因此也去掉這部分學生人數，從而統計出2009級、2011級和2012級參加兩門課程考核的人數分別為3357人、3398人和3395人。《大學計算機基礎》的考核共100分，分為理論題和操作題，理論題為70分，主要考察學生對于計算機基礎知識的學習情況，操作題為30分，主要考察學生對于常用Office辦公軟件的掌握情況，表2列出了各考核部分的平均分以及該分占該部分的百分比?！队嬎銠C技術基礎》的考核100分，分為理論題和編程題。理論題92分，考察學生掌握計算機編程語言的語法以及閱讀程序能力，而編程題則考察學生利用計算機編程語言來解決實際問題的能力，學生寫完程序后運行結果正確得8分，否則得0分，表2列出了理論題的平均分以及編程題得分的學生數。從表2可以看出，三屆學生對于大學計算機基礎操作題的掌握程度比理論題要好，說明學生比較偏重實際操作，而對于《計算機技術基礎》來說，程序語法知識點的理解、程序閱讀等理論題的得分比編程題的得分高出40多個百分點，說明學生比較偏重計算機編程語言語法知識的學習，閱讀程序的能力比編寫程序的能力要強，用計算機解決實際問題的能力還有很大提升空間。

從2012級開始部分應用該體系以來，由于引入了計算思維，重視了學生運用計算機解決問題能力的培養，目前已經取得初步的效果。2012級非計算機專業學生2012年秋季學期的《大學計算機基礎》課程成績和2013年春季學期剛剛結束的《計算機技術基礎》課程成績如表2所示。2012級學生在兩門課程的考核中都比前兩級學生有明顯提升，尤其是《計算機技術基礎》課程中編程題的得分人數百分比比前兩級分別提高了6.97%和10.51%，雖然編程題得分人數的百分比還不是很高，但已經有了明顯的提升。

此外，2012級學生在2012年秋季學完《大學計算機基礎》后，在學期快要結束的時候開始了2013年春季學期的校級選修課的選課。這里選取了三門與計算機相關的課程，列出了近幾年該課程選課人數的變化，如圖3所示。

從圖3可以看出，選修《Office高級應用技巧》課程的人數從2011年的236人到2012年的442人，再到2013年的776人；《網站設計與開發》課程的人數從2011年的154人到2012年的307人，再到2013年的486人；《Android程序設計》課程的人數從2012年的111人，到2013年的242人，這幾門與計算機相關的選修課學生人數在逐年增加，充分體現出學生對計算機課程興趣有了很大的提高，希望能夠學習或掌握一些用計算機解決問題的技術，應該說這也是引入了計算思維、重視培養學生利用計算機解決實際問題能力后的一個初步效果。

6 結束語

高等學校非計算機專業計算機基礎教學的成功與否很大程度上決定著學生未來應用計算機解決專業領域問題的能力。計算思維的培養是一種用計算機解決問題的能力的培養，它是學生創新能力的重要組成部分，以培養學生計算思維的理念來組織大學非計算機專業的計算機基礎教學，其核心觀念是考慮未來學生用計算機來解決所學專業問題的能力，關注的是學生可持續發展的計算機應用能力的培養，教給學生思考問題以及解決問題的能力，因此以計算思維為核心的能力培養將是大學計算機基礎教學的核心培養目標。

參考文獻

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