大學計算機基礎與程序設計“兩課合一”教學探索與實踐

陳宇峰，李鳳霞

（北京理工大學 計算機學院，北京 100081）

0 引言

自計算思維概念提出以來，大學計算機基礎類課程就隨著大學計算機教學改革的需求而快速地變革，雖然在面向計算思維的大學計算機基礎[1]和程序設計[2]思想方法教學內容中進行了大量的教學內容改革探索，但是原有計算機基礎課和程序設計課相對獨立教學的模式下，課程的設計將理論和實踐分割開來，成為計算思維全過程培養一個巨大的障礙。ISTE國際教育技術協會提出計算思維是一個問題解決的過程[3]，包括提出問題、分析數據、抽象、設計算法、優化和推廣等多個方面，這個過程應該貫穿計算機學習的始終。有研究發現[4]，歐美很多教學機構開始將程序設計教學向社會化轉向，從中小學基礎教育階段學起，因此在很多國際上著名高校的課程中很難找到類似國內的這種大學計算機課程加程序設計的課程組合，相關內容被認為是普遍掌握的，只在算法和應用中涉及的時候才做一些簡單介紹。

然而目前國內的大學計算機課程體系很難完全照搬照抄這樣一種模式，主要由于我國中小學計算機教育基礎薄弱，缺乏頂層設計，在基礎教育階段信息技術課程的地位遠遠不能與語、數、外等基礎學科相比，無法形成與高等教育階段的有效銜接[5]。這就要求對大學計算機課程體系和人才培養模式進行有針對性的研究和改進，特別是在新工科背景下，普遍進行的課程改革嘗試，也倒逼著大學計算機基礎與程序設計課程的改革[6]。

1 課程改革背景與思路

隨著新工科背景下的教學改革逐步深化，大學計算機基礎類課程也面臨越來越大的挑戰。從學科的設置上看，大學計算機應該是與大學物理、大學數學一樣具有基礎性的地位，甚至在信息化社會越來越高的要求下，計算機教育應該具有越來越重要的地位，然而現實的情況恰恰相反，大學計算機基礎類課程正受到前所未有的挑戰，部分學校已經取消了大學計算機基礎課程，程序設計類課程也在一定程序上受到了壓縮和影響，與計算機教育的重要性形成了鮮明的對比。

究其原因并不是計算機相關的知識學習和能力培養不重要，或者學生對學習這種與專業看起來關系不大的信息技術沒有興趣，這一點從學生對本類課程學習初期熱情和期待的調查中可以得到印證，而是這種很高的學習預期和實際的學習收獲形成的鮮明對比，對學生的學習熱情形成沉重的打擊，導致學生對計算機相關課程評價不高，在此情況下學校教學改革壓縮相關的教學計劃也就順理成章。

1.1 計算機基礎類課程面臨的問題

在基于計算思維的計算機課程改革之初就不斷有學者在呼吁開展大學計算機教學內容改革，面向計算思維的教學內容不斷涌現，教育部也出臺了《大學計算機基礎課程教學基本要求》等相關文件，但是計算機教育所面臨的問題卻沒有得到顯著的改善，這其中存在著難以解決的深層次矛盾，那就是我國計算機基礎教育薄弱，水平差異巨大，導致課程內容設計處于兩難的選擇之間。

大學計算機基礎類課程主要包括大學計算機基礎和程序設計兩大類課程。在大學計算機學習過程中，雖然有部分基礎薄弱的學生反映計算機基礎知識面廣，無法理解相關的概念，但是大部分學生覺得太簡單，課堂中沒有學到多少新的知識，也沒有培養出新的能力。C語言程序設計課程則表現為內容非常難，學習效果不明顯，而且與計算機綜合能力的培養關系不夠密切，缺乏目標導向。

1.2 計算機基礎類課程的改革思路

考慮到當前大學計算機教育的現狀，計算機基礎類課程的改革是一個漸進的過程，很多高校進行了大量的探索。有高校將大學計算機課程取消，直接上C語言程序設計，這樣帶來的主要問題是C語言本來就是一門學習曲線非常陡峭的語言，在沒有相關計算機基礎的情況下，無論是理解還是實踐上都存在著一系列的問題，使得C語言的教學效果進一步受到影響。還有一些教學計劃則取消了C語言教學，僅僅讓學生學習大學計算機基礎并補充一些相關軟件的應用，這樣雖然有利于課程的順利推廣，但是對于全面提高包括程序設計能力在內的計算思維能力是一種弱化。

因此融合以上兩門課程的教學內容，通過大幅簡化高階的復雜知識和編程訓練，以計算思維能力及相關程序設計基本能力培養為重點的課程改革，則成為一種當前階段計算機基礎類課程教學改革的優化方案。

2 兩課合一的課程重組方案

2.1 課程內容重組

兩課合一的基本原則是在現有的課程體系基礎上，在不增加新的課程內容基礎上，通過優化整合而產生一門新的適用于當前計算機教育環境的課程計算機科學與程序設計，其來源主要包括兩個方面：一方面涉及計算機基礎、大學計算機等偏重于計算機基礎知識教學的課程，保留計算機數字化基礎和計算機三大平臺的核心內容，精簡關于多媒體、數據庫、網絡安全等與計算思維和程序設計關系不密切的內容；另一方面的內容涉及C語言程序設計課程，這部分內容則考慮C語言的學習曲線，重點強調和基本能力相關基本輸入輸出、三大程序結構、基本的數據結構數組和基本的程序結構函數，有關指針、結構和文件等進階的內容則進行了刪減，形成圍繞計算思維的知識和能力培養的重點內容，有利于學生的快速和高效學習，還能夠提高課程的適應性。具體方案見表1。

2.2 教學方案探索

課程內容的調整是課程改革的基礎，教學方案也需要一個長期的探索過程。如何將原本兩門關系看似不密切的課程合并到一起，成為一個復雜的優化問題。

表1 C語言和計算機基礎知識重組方案

在初期階段，僅僅考慮將兩門課程在課時安排上合并在一起，實際上僅僅是做了刪減，按照上課的進度分別介紹大學計算機和C語言程序設計兩門課程精簡后的內容，可以初步實現兩課合一，但是這種方式會帶來學習的困難，C語言的學習本來就需要較長的時間才能逐步培養相關的能力，而這種簡單的合并導致實際動手練習C語言的時間只有半個學期左右，學生的感覺不是輕松而是更緊迫，這也是課程壓縮帶來的直接結果。

為了解決這一問題，根據課程教學的特點，將每節課分為兩部分，前兩個學時學習C語言，后面一個學時補充計算機基礎知識，這樣可以延伸C語言的學習時間，也有利于提高課內的學習效率，取得一定的成效，但是存在新的問題，這兩門課的內容在同一時間展開，相關之間沒有過渡關系，導致學生感受會比較亂，特別是對于其中具有一定關聯的知識點。

為了實現更加深入的課程融合教學方案，就需要對相關的知識點進行梳理，更加科學合理地安排學習的順序，甚至是將相關的內容以專題的形式進行集中教學，從而達到基礎知識和應用能力培養密切結合的效果。

2.3 深度融合內容分析

通過長時間對兩門課程相關內容的對比分析可以發現，經過精簡后的計算機基礎與程序設計兩部分內容有非常高的相關性，而如何將這些相關的內容有機結合起來，則是教學內容設計的重點。以下例舉3種典型的融合。

2.3.1 打通計算思維的過程

目前關于計算思維的講授主要體現在計算機基礎知識部分，計算思維的訓練則主要在程序設計部分，這兩部分課程的分開教學則將計算思維的過程人為阻斷，不利于計算思維的培養。

例如，在大學計算機基礎知識部分入門內容之一是介紹計算思維，核心的問題是可計算問題，而其中最具有代表性的知識點是圖靈機，是理解計算思維的關鍵問題。圖靈機同時也是計算機的原型機，從該問題的角度入手讓學生理解程序設計的思想，則是一個順理成章的過程，但是在以往的教學過程中由于兩個教學階段分離，并沒有將這兩部分融合介紹，甚至有些計算機基礎部分關于圖靈機則直接一筆帶過，實際上失去了一個非常好的計算思維培訓過程。

2.3.2 數字化與數據結構的關系程序設計的基礎是數據的存儲，也是C語言程序設計入門階段的一個重點內容，如果僅從C語言的變量類型及其表示范圍這樣一些編程規范去介紹，不僅會影響學生接受和應用，更重要的是無法理解內在的原理，會嚴重影響到程序編寫。

例如，如果我們僅僅介紹浮點數由4個字節組成，表示范圍多大等概念，只是給學生一個感性的認識，學生很容易寫出如下的代碼：

程序中直接將浮點數用等號進行比較，忽略了計算機實際存儲過程和計算過程導致的誤差，而理解這個誤差就需要從計算機基礎理論的數制碼制中尋找答案。這個尋找答案的過程就是訓練學生從基本原理到實踐操作的思維過程，在新的課程設計中這些內容的介紹也應該是融會貫通的。

2.3.3 計算機體系結構與程序結構

復雜的程序結構設計也同樣依賴計算機體系結構的理解，很難想象如果不了解程序在內存中是如何加載的，一條指令在CPU上是如何運行的，可以很好地理解函數調用的相關概念。

例如，在函數教學中的一個重點內容是如何區分值傳遞和地址傳遞，這就需要能夠理解計算機操作系統對程序加載的方式，分為程序區和數據區，數據區分為靜態數據區和動態數據區，動態數據區還根據函數的調用情況，動態地分配和釋放變量存儲區域。了解了這些內容，才能夠很好地理解每一行語句在計算機內存中的存儲情況以及計算機體系的運作過程，才能夠真正地用代碼去指揮計算機的計算，而不是違背計算思維的培養規律，死記硬背一段程序代碼。

3 線上線下與實驗混合教學

兩課合一的教學安排雖然從內容上進行大量的刪減，但是也同時融入很多新的內容，從面向計算思維的角度對課程進行重新設計，這必然導致課時安排難以滿足需要。為了解決以上問題，課程教學可以從以下兩個方面進行。

3.1 兩課合一的線上教學

開展基于MOOC的線上線下教學以來，MOOC已經成為計算機教學一個必不可少的內容，目前已經開設了多門大學計算機、C語言程序設計相關課程，然而缺乏一個兩課合一的MOOC，以適應新課程的需要。我們在現有兩門國家精品在線MOOC的基礎上，按照以上的改革思路進行線上課程的融合，新開設計算機科學與程序設計MOOC課程。通過在MOOC課程中增加擴展知識、應用介紹等內容，把無法在課堂上講的非核心知識點以MOOC的方式讓學生自學完成，課堂上就可以把重點放在如何打通計算思維的全過程，以專題的方式讓學生全面理解和掌握知識體系。

3.2 基于虛擬實驗的實踐式教學

即使將課內的時間都放在重點內容的學習上，很多內容也仍然是難以通過課堂的有限時間學會的，根據戴爾的經驗之塔理論，通過實踐環節能夠獲得更加深刻的認識。從課堂教學的效果來看，很多內容難以深刻地講授，虛擬實驗等方式則能夠以學生主動學習的方式達到講授起不到的效果，主要表現在以下幾個方面。

3.2.1 抽象問題具體化

計算思維本身是一個非常抽象的概念，很多課程內容難于通過簡單的方式進行教學，如上文提到的圖靈機，這本身是一個很好的教學素材，但是由于難以在有限的時間內給學生講清楚，甚至有些教師直接放棄這部分的內容。利用虛擬實驗的方式，讓圖靈機及其原理狀態機以可視化的方式呈現在學生面前，則可以使學生不需要對其設計有深入的了解，就能夠非常具體地看到圖靈機解決具體問題的計算過程，從而深刻地理解計算的本質。

3.2.2 復雜問題直觀化

還有一些知識點，每一個細節并不難理解，但是整個過程錯綜復雜，在教學過程中面面俱到講一遍本身非常枯燥，學生很難跟上上課的全部內容，最終理解整個過程。通過一條指令的執行過程這樣的虛擬實驗，就可以把整個過程以直觀的方式展現出來，先讓學生有個宏觀的了解，再通過實驗報告等方式，讓學生把各個知識點串聯起來，實現這個知識面的理解，而且整個過程甚至不需要教師的介入。

3.2.3 細節問題訓練化

很多學生都反映C語言難學，通過分析發現，類似C語言這樣偏重于基礎的高級語言學習曲線非常陡峭，這就意味著在開始學習的很長時間里，學生都沒有完整的訓練，會打擊學生學習的積極性。一個完整的程序需要方方面面的知識，如果沒有完整的學習，會錯誤百出，難以達到效果。通過C語言虛擬實驗的方式，一方面可以以填空或者交互操作的方式進行針對性的細節訓練，將學生的注意力完全集中于需要訓練的某一個知識點，同時讓學生對代碼有整體的概念；另一方面也可以利用流程圖式的編程，將注意力聚焦于設計而不是代碼實現，以更加直觀地訓練計算思維能力本身。

4 結語

計算機科學與程序設計課將大學計算機與C語言程序設計“兩課合一”，從全過程計算思維培養的角度對相關教學內容進行融合，目前已開設相關MOOC并在教學實踐中獲得初步應用，取得了一定的效果，但同時還存在相關教學融合的內容還不夠豐富，體驗還不夠流暢的問題，還有待利用線上線下混合教學、實驗教學等多種模式進行補充，通過學生和相關應用教師的反饋進行不斷探索完善。