基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革研究

摘 要 以計(jì)算思維為核心的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革力求在教學(xué)所有環(huán)節(jié)中滲透“計(jì)算思維”的思想和概念，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)分析問題和解決問題的意識(shí)和能力。在教學(xué)內(nèi)容上，直接將“計(jì)算思維”增加到課程知識(shí)體系中；在教學(xué)設(shè)計(jì)方面采用探究式方案，注重啟發(fā)學(xué)生計(jì)算思維，在教學(xué)實(shí)施中，靈活運(yùn)用案例教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、課堂研討等教學(xué)方法，力爭將計(jì)算思維的培養(yǎng)滲透到各個(gè)知識(shí)點(diǎn)和模塊的教學(xué)中。教學(xué)實(shí)踐證明改革效果，學(xué)生能夠具有基本的計(jì)算思維能力。教學(xué)改革完美詮釋大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的內(nèi)涵及其核心價(jià)值。

關(guān)鍵詞 計(jì)算思維 教學(xué)改革 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Study on Teaching Reform of Computer Foundation

Based on Computing Thinking

LI Juan， HUANG Yin

（Computer Engineering Department of Electronic Engineering Institute，

Naval University of Engineering， Wuhan， Hubei 430033）

Abstract Teaching reform of computer foundation course in our university is on the basis of computing thinking. We aim to permeate ideas and concepts of computing thinking in all aspects of teaching to foster student's consciousness and ability to analyze and solve the problems with computer. In respect of teaching content， \"computing thinking\" is added to the knowledge system of the courses directly. The inquiry program is used in teaching design to enlighten students on Computing Thinking. Multiple teaching method including case teaching， task driven and class discussion， and strive to permeate the cultivation of thinking in every knowledge point and the teaching modules. Teaching practice has proved the reform effect. Students can have basic computing thinking after classes of the course. The teaching reform can interpret connotation and core value of computer foundation courses perfectly.

Key words computing thinking； teaching reform； computer foundation

0 引言

“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程是我校全專業(yè)科學(xué)文化基礎(chǔ)課程之一，是大學(xué)本科教育第一門計(jì)算機(jī)課程，在高校基礎(chǔ)教育特別是計(jì)算機(jī)教育方面具有重要地位。該課程傳統(tǒng)的教學(xué)方案是以等級(jí)考試一級(jí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與MS Office應(yīng)用為導(dǎo)向，根據(jù)等級(jí)考試一級(jí)大綱要求組織教學(xué)內(nèi)容，制定教學(xué)實(shí)施方案，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐，注重于培養(yǎng)學(xué)生對相關(guān)軟件的熟練應(yīng)用。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與技能的普及，這種教學(xué)方案已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的教學(xué)需求。很多大學(xué)新生在初、高中階段已經(jīng)了解，甚至基本掌握了計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)以及相關(guān)軟件的應(yīng)用，導(dǎo)致該課程的教學(xué)地位越來越不受到重視，甚至產(chǎn)生了“此課程是否還有存在的必要”的質(zhì)疑，使得該課程面臨嚴(yán)重的危機(jī)，對課程的改革迫在眉睫。

美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任周以真教授提出了計(jì)算思維的概念。計(jì)算思維被認(rèn)為是近十年來產(chǎn)生的最具基礎(chǔ)性、長期性的學(xué)術(shù)思想，已經(jīng)成為當(dāng)今科學(xué)研究。計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為，它包括一系列廣泛的計(jì)算科學(xué)的思維方法。計(jì)算思維概念的出現(xiàn)與發(fā)展為“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程的改革提供了全新的思路和方向。以計(jì)算思維為核心的課程改革力求在教學(xué)內(nèi)容和課堂設(shè)計(jì)等多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中滲透“計(jì)算思維”的思想和概念，深入剖析計(jì)算機(jī)科學(xué)的內(nèi)涵。旨在培養(yǎng)利用計(jì)算機(jī)分析問題和解決問題的意識(shí)和能力。

1 基于計(jì)算思維的內(nèi)容組織

課程的教學(xué)內(nèi)容將依然立足于應(yīng)用需求。但這里的“應(yīng)用”并非指傳統(tǒng)方式的應(yīng)用軟件，而是指學(xué)生在將來的職業(yè)生涯中所必備的計(jì)算機(jī)素質(zhì)與技能，包括科學(xué)計(jì)算、信息檢索、辦公自動(dòng)化、模擬訓(xùn)練、指揮和管理等。計(jì)算機(jī)技術(shù)在這些系統(tǒng)中起著重要乃至關(guān)鍵的作用，本科課程的內(nèi)容應(yīng)該能夠直接支持簡單的信息處理需求。課程改革后的教學(xué)內(nèi)容及課時(shí)安排如表1所示。

表1 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)安排

課程總學(xué)時(shí)數(shù)為40學(xué)時(shí)，內(nèi)容包括引言、計(jì)算機(jī)基本信息表示、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)思維與計(jì)算機(jī)問題求解。與改革前相比，差別體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）直接將“計(jì)算思維”增加到課程知識(shí)體系中。在第一章引言部分增加介紹計(jì)算思維基本概念、作用與意義介紹的小節(jié)，增加“計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)問題求解”一章專門講授計(jì)算思維典型方法和利用計(jì)算思維解決問題的相關(guān)技術(shù)。

（2）拓展基礎(chǔ)理論的廣度與深度。對于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論部分的內(nèi)容，不再局限于等級(jí)考試大綱要求的基礎(chǔ)知識(shí)與常識(shí)，而是要求學(xué)生能夠理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和基本原理。因此所設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)信息表示，計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，和常用應(yīng)用技術(shù)。著重在“知其所以然”上下功夫，培養(yǎng)學(xué)員理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力，深入剖析計(jì)算機(jī)科學(xué)的內(nèi)涵，并以此展示和解釋“計(jì)算思維”的基本內(nèi)涵和方法。

（3）淡化軟件應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容。課程知識(shí)體系中，不再涉及到具體的工具軟件，不在課堂講授具體軟件的操作。“計(jì)算機(jī)應(yīng)用實(shí)踐”環(huán)節(jié)著重于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用工具軟件解決實(shí)際問題的能力，而不是熟練掌握辦公自動(dòng)化等軟件的基本操作。

2 基于計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)

改革后，“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，要求學(xué)生具有使用計(jì)算機(jī)處理信息的能力及其思維方式，具備良好的信息素質(zhì)和計(jì)算思維能力。因此，在教學(xué)設(shè)計(jì)中，采用探究式設(shè)計(jì)方案，注重啟發(fā)學(xué)生計(jì)算思維，引導(dǎo)學(xué)生走向思維方法的層面。以計(jì)算思維為核心的教學(xué)設(shè)計(jì)過程如圖1所示。

圖1 基于計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)過程

這里以“計(jì)算機(jī)基本信息表示”一章中“計(jì)算機(jī)碼制”一節(jié)的內(nèi)容為例，具體教學(xué)設(shè)計(jì)如下：（1）提出問題：如何在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)一個(gè)整數(shù)。（2）描述問題：如何解決符號(hào)（正負(fù)）在計(jì)算機(jī)中的表示。（3）方法1：原碼，最高位表示符號(hào)，其余位為整數(shù)的數(shù)字部分。（4）方法1分析：以0的原碼和原碼的加法運(yùn)算引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)原碼的缺點(diǎn)。（5）方法2：反碼，最高位表示符號(hào)，其余位為整數(shù)的數(shù)字部分取反。（6）方法2分析：以帶進(jìn)位的反碼加法運(yùn)算引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)反碼的缺點(diǎn)。（7）方法3：補(bǔ)碼，最高位表示符號(hào)，其余位為整數(shù)的數(shù)字部分取反再加1。（8）方法3分析：編碼唯一，運(yùn)算簡單。（9）總結(jié)原、反、補(bǔ)碼編碼方式及優(yōu)缺點(diǎn)。

3 基于計(jì)算思維的課程實(shí)施

案例教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、課堂研討等教學(xué)方法，是典型的基于計(jì)算思維的教學(xué)方法，這些方法有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、主動(dòng)性、創(chuàng)新性和協(xié)作性。這些教學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合和恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用，有助于奠定學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位，創(chuàng)建和諧、活躍的教學(xué)氛圍，提高教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)，以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法貫穿于課堂教學(xué)活動(dòng)的所有環(huán)節(jié)，用于啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生對知識(shí)的興趣和渴求。如，可以通過“我們的姓名在計(jì)算機(jī)中如何存儲(chǔ)？”這個(gè)任務(wù)題引導(dǎo)學(xué)生對字符編碼相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。通過“如何解決由于CPU與主存之間速度上的不平衡而導(dǎo)致的CPU性能不能完全發(fā)揮？”這個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生對高速緩存原理的學(xué)習(xí)和理解。

案例教學(xué)以行動(dòng)為導(dǎo)向，由教師引導(dǎo)、組織學(xué)生對教學(xué)案例進(jìn)行思考、分析和設(shè)計(jì)，促使學(xué)生對相關(guān)基礎(chǔ)理論、技術(shù)和基本原理理解。如，通過“小型局域網(wǎng)組建”案例，貫穿“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全”章節(jié)的學(xué)習(xí)之中，使得學(xué)生更透徹地理解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論和技術(shù)。通過“銷售管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”案例，貫穿“計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)”章節(jié)中“數(shù)據(jù)庫技術(shù)基礎(chǔ)”的學(xué)習(xí)之中，使得學(xué)生更透徹地理解數(shù)據(jù)庫相關(guān)理論和技術(shù)。

課堂研討更多體現(xiàn)了教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生之間的互動(dòng)，凸顯學(xué)生在思維教學(xué)中的中心地位，更好地讓學(xué)生在思維活動(dòng)中學(xué)習(xí)，同時(shí)也學(xué)習(xí)思維本身。課堂研討活動(dòng)開始于研討主題的設(shè)置，學(xué)生的分組和任務(wù)布置，由學(xué)生根據(jù)分組及任務(wù)在課后完成基本概念的理解、相關(guān)技術(shù)資料的收集與消化，課堂上以交流學(xué)習(xí)成果，探討與主體相關(guān)的重難點(diǎn)為主，之后形成結(jié)論，完成并提交研究報(bào)告。如在“計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)”章節(jié)中“多媒體技術(shù)基礎(chǔ)”中，設(shè)置研討主題：多媒體信息處理。按“聲音數(shù)字化技術(shù)”、“數(shù)字圖像處理技術(shù)”和“視頻與動(dòng)畫技術(shù)”進(jìn)行分組，進(jìn)行課堂研討。

4 結(jié)論

基于計(jì)算思維的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革，以培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”能力為目標(biāo)，在教學(xué)全過程中，注重于展示和解釋“計(jì)算思維”的基本內(nèi)涵和方法，力爭將計(jì)算思維的培養(yǎng)滲透到各個(gè)知識(shí)點(diǎn)和模塊的教學(xué)中，為學(xué)生將來利用計(jì)算機(jī)和計(jì)算思維解決實(shí)際問題奠定基礎(chǔ)。

以培養(yǎng)計(jì)算思維為核心的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)，摒棄“狹義工具論”思想，完美詮釋該課程的內(nèi)涵及其核心價(jià)值。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性得到較大提高，初步具備利用計(jì)算機(jī)分析問題和解決問題的意識(shí)和能力，具有基本的計(jì)算思維能力。

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