以計算思維為導向的《大學計算機基礎》教學改革研究

張昭玉，任建平，吳勇，周蓓蓓

（蘇州科技學院電子與信息工程學院，蘇州　215011）

以計算思維為導向的《大學計算機基礎》教學改革研究

張昭玉，任建平，吳勇，周蓓蓓

（蘇州科技學院電子與信息工程學院，蘇州215011）

蘇州科技學院校級重點教學改革研究課題（No.621311602）

0　引言

《大學計算機基礎》課程的定位是高等學校計算機基礎教學公共核心課程，是面向大學低年級學生開設的通識教育課程。目前，《大學計算機基礎》課程普遍存在的問題是：課程設置缺乏特色，知識點孤立；文理工藝各專業區別不大，相關課程之間內容重復，對專業課和后續課程的支撐力不足；學生缺乏整體知識觀和專業觀；學習興趣低迷，知識易遺忘，缺乏計算思維能力。究其原因，就是現有的計算機學科基礎課程體系不夠科學，缺少對專業的高效支撐，影響了知識的獲取、鞏固和提高，以至于學生學習興趣不大、效率不高，綜合能力和創新能力不足，信息素養得不到有效提升。

因此，馮博琴教授認為：整個社會計算機應用水平的提高對于高校計算機基礎課程的教學內容提出了新的要求，即不能僅僅著眼于軟件工具的使用，而應有相對穩定的、體現計算機學科思想和方法的核心內容，同時需要更加突出思維方法的訓練。同時，馮博琴教授還指出：在有的高校，由于課程改革滯后，計算機基礎課程面臨被壓縮或取消的壓力。綜合考慮思維培養與技能培養的教學目標，構建新的課程內容，成為計算機基礎課程教學改革的緊迫任務[1]。戰德臣教授認為：開設《大學計算機》課程目的是通過計算思維的教育，促進學生復合型創新思維的形成——即促進學生思考所在學科如何應用計算思維求解問題[2]。

針對這種狀況，蘇州科技學院于2013年率先開展了以計算思維為導向的工科類計算機基礎教學改革研究，以電氣信息類專業為研究對象，開展了為期兩年的教學改革研究。

1　以計算思維為導向的工科類計算機基礎教學體系構建

課題組以工科類學生為主要研究對象，并以電子信息類學生為研究對象，成立了大學計算機基礎教學改革實驗班，針對工科類本科教育知識體系中信息素養和計算能力需求，分析計算機學科基礎課程特點，全面推進課程體系與教學內容改革。

1.1課程定位與教學目標

在精選內容、提高起點、避免重復的基礎上，將課程體系分為理論教學、實踐教學和自主學習三個層次。理論教學分為核心知識單元和可選知識單元，以支撐專業需求為目標重構教學知識體系；實踐教學根據專業培養目標和基本要求，結合理論教學，合理安排課程實驗課、課程綜合實習；自主學習依托現代教育技術和中國大學MOOC+SPOC教學資源庫，學生圍繞學習內容，根據自己的學習興趣和認知水平，確定學習起點、自主選擇學習內容及學習策略，調用各種學習資源進行獨立思考、協作討論和自我評價，并在交流的過程中完成對知識體系建構。教改研究的目標是使學生理解典型的計算思維，即理解蘊含在或產生于計算學科范疇內，能夠對學生現在和未來產生重要影響的經典思維，理解計算系統的一些核心概念，理解計算系統是如何產生與工作的，理解現實世界的各種事物如何利用計算系統來進行控制和處理，培養學生使用計算系統的意識，使用計算系統進行問題求解的框架和過程。其終極目的是使學生具備利用計算思維求解科學/工程/商業/社會問題的基本能力[3]。

1.2授課對象與學時

課程授課對象為電氣信息類非計算機專業本科學生。基礎部分標準授課學時32學時，實驗8學時。程序設計語言部分準授課學時46時，課內實驗34學時。另外還涉及安排了一周的《程序設計實踐》，以增強學生的程序應用設計能力。

1.3課程內容的分層聚類，優化重構

根據課程定位和計算思維教育空間解讀，構建計算機學科基礎能力支撐點，并重構計算機基礎知識體系結構和知識單元，重新審視電氣信息類領域知識需求，科學合理地完成將領域知識映射到課程體系。課程體系以多個課程群統構各知識單元，形成模塊化結構，既保證了知識體系的完整性，又增加了靈活性、伸縮性和適應性。在此基礎上，加強電氣信息類計算機基礎課程體系的內核和課程設置的研究。

2013年秋季學期的教學，我們對該課程開展全面改革，引進了戰德臣教授的 《大學計算機——計算思維》作為主講教材，李鳳霞教授的《大學計算機基礎實驗》作為輔助教材。在電氣信息類四個專業的計算機基礎教學中實現“四統一”，即統一大綱、統一教學內容、統一課件、統一考試。并形成電氣信息類四個專業的計算機基礎教學總目標——“提高程序設計能力，突出實踐，完成三個結合”。三結合指的是課內課外結合、線上線下結合、校內校外結合。2014年10月，我們重新修訂了“計算思維”課程大綱，形成初稿，2014年11月正式制訂了“計算思維”及其對后續課程的支撐體系。課程內容及其支撐體系如圖1所示。

圖1　電氣信息類知識體系構建

底層支撐為算機基礎學科。主要包括以下知識模塊：

（1）計算思維模塊：包括計算機、計算與計算思維；符號化、計算化和自動化；計算系統與程序構造，程序構造方法——遞歸與迭代。其主要目的是作為通識教育類典型課程，強調計算思維的了解和理解，強調“知識”隨著“思維”的講解而介紹，“思維”隨著“知識”的貫通而形成，“能力”隨著“思維”的理解而提高。使學生在不知不覺中體驗計算思維[4]。

（2）現代計算機體系結構模塊：包括現代計算機系統的構成，存儲體系，分工-合作與協同管理的基本思想，計算機系統的工作過程及現代計算機的演進等。

（3）互聯網思維模塊：包括網絡基礎和網絡應用，移動互聯網，互聯網+等內容。

（4）數據庫技術及應用模塊。

（5）算法研究模塊：包括數學建模與算法分析，數據結構設計，算法設計。

（6）高級語言程序設計模塊：包括程序和流程控制，程序設計語言及其編譯，高級語言程序設計。

需要指出的是，計算機底層支撐知識框架的內容覆蓋面是很寬的，如果僅僅停留在寬度教學的層次，那也只是使學生基本理解了思維相關的概念，并不能使學生對相應的思維有深入的理解和體驗，即所謂的計算思維的淺層次理解。為強化計算思維的深層次理解，則還需要深度教學。所謂深度教學，是指在學生理解了思維相關的基本概念后，能夠進一步探討思維的一些深層次內容，如思維的本質和思維的應用：通過思維的本質性探討，強化思維理解的深度，進而強化思維對學生的影響；通過對應用的抽象，強化思維理解的深度，進而強化思維的作用和價值[5]。

1.4依托ＭＯＰＯＣ＋ＳＰＯＣ教學平臺創新教學模式

很多人習慣用“實用性”來評價一門課程，認為計算思維是沒有實用價值的，而 “如何拆裝機器”“如何使用計算機語言編寫程序”“如何使用一個軟件完成諸如編排文檔、表格計算”等則是實用的，對此，戰德臣教授認為：此即“狹義工具論”的影響。他指出，所謂實用的內容既是容易掌握的，也是不容易掌握的，為什么？說其容易掌握是指如果我們理解了相關的“思維”，則對具體操作的掌握是容易的，各種軟件、硬件、網絡等計算系統都是遵循某種思維而設計和實現的；而說其不容易掌握是指蘊含在硬件、軟件中的思維如果不理解，則為什么這樣操作又是不容易理解的，因為計算機語言、軟件、硬件都是不斷在演變的，其操作也都是在不斷變化的。但萬變不離其宗，其根本的思維如果能夠理解，則可以收事半功倍之效[6]。

如何才能兼顧實用又能傳授思維呢？以MOOC+ SPOC為代表的互聯網教學手段對于解決這個問題提供了有效的手段。MOOC+SPOC通過短視頻網上在線學習、翻轉課堂、在線互動討論、回看視頻等手段可有效支持學生不受時間、空間、師資等方面的限制，重復觀看視頻、隨時隨地在線互動討論以加深課程內容的理解，這可有效彌補課堂教學的不足。同時，課堂教學結合MOOC+SPOC技術，釋放課堂的能量，加強與學生的互動和深度交流，則可起到寬度教學與深度教學相結合的效果，寬度教學由視頻完成，深度教學則由課堂教學來實現，如此可有效地保證教學質量的提升。

我們在2014年9月首次加入了哈工大戰德臣教授的《大學計算機——計算思維導論》課程MOOC線上授課團隊，并在“愛課程”網開設了蘇州科技學院首個同步課程“大學計算機SPOC”。同年，線上SPOC授課人數約150人。2015年9月，再次開設該SPOC課程，并擴大教學范圍，線上授課人數達到300人。由于“愛課程”網在2015年發布了手機App，因此我們大膽嘗試在課堂上進行手機端師生互動，學生參與熱情極高，輔助教學效果良好。

1.5教學評價的改革與創新

需要引起足夠重視的是，以MOOC+SPOC為代表的互聯網輔助教學手段必須考慮新的學生行為，如MOOC資源利用情況、線上或課下討論活躍度、課下習題反饋及正確率，同學互評等。因此，合理的創新的評價手段要求能反映學習過程的每個環節，才能增強學生學習的內驅力，充分發揮優質MOOC+SPOC資源的作用，有效提升教學效果。為了能夠客觀地評價學生學習情況，我們采用多樣化的評價方式，設計了一套較為完整的指標考核體系，把評價過程分為前置性評價、形成性評價、終結性評價三個階段。前置性評價在教學活動之前進行，主要評價學習的預備工作；形成性評價是在一項教學活動當中進行的評價，目的是獲取反饋信息，以及調整和改進學習活動；總結性評價則是在學習活動完成后進行的評價，目的在于對這一活動的結果進行反思和總結。這三個指標作為一級指標定義，賦予不同權重，然后再根據一級指標定義的活動范圍尋找二級指標，再賦予相應權重，最后根據已獲得的指標體系權重值，結合其獲得的分數，計算各指標加權算術平均得到的平均數，然后對指數進行標準映射，將其映射到標準區間[a～b]之間，即為學生的最終得分。該方法在2012年即以 “基于綜合指數法的發展性教學評價模型研究”形成研究成果，此后經過數年優化，已經在日常教學活動中廣泛使用，尤其在近兩年開展的MOOC+ SPOC環境下取得了良好的效果。

2　課程改革效果方面的分析

為了解課程改革對學生的影響，我們在2013-2014兩個學年度的秋季學期連續對兩屆電子信息類新生共約500名新生以匿名方式進行了問卷調查。問卷分為教師能力、教材及教學內容建設、教學方式、考核方式四大部分，共30個問題。下面以教學方式，考核方式為例，將兩屆調查問卷結果分析如下。

2.1教學方式結果對比

關于計算思維課程的教學方式滿意度的調查如圖2、3所示。

從兩年對教學方式評價的跟蹤結果看，實施MOOC+SPOC教學改革后，學生對教學方式滿意度評價的好評占比明顯提高。這說明使用新的教學模式后，學生課堂學習興趣較傳統大幅提升，多數對這種全新教形式給予認可，課堂教學質量明顯提高。

2.2考核方式結果比對

關于計算思維課程的考核方式評價如圖4、5所示。

圖2　2013年教學方式滿意度評價

圖3　2014年教學方式滿意度評價

圖4　2013年考核方式滿意度評價

圖5　2014年考核方式滿意度評價

以MOOC+SPOC為代表的互聯網輔助教學手段必須考慮生主動學習行為，從兩年對考核方式評價的跟蹤結果看，學生對發展性評價和多種考核方式的認可度很重視，參與程度較高，滿意度也比較高，這也證實了我們教學改革是富有成效的。

3　結語

計算思維是互聯網與信息時代每個人都應具備的一種思維方式。它不是簡單地要求會使用計算機及其通用軟件工具，而是要求將計算學科的思維方式與各學科本身的思維方式進行融合以解決社會與自然中出現的各種問題[7]。十三五規劃中，國家大力推動的“互聯網+”“信息化與工業化/業務化深度融合”等更加需要計算思維。所以說，以計算思維培養為目標，進行計算機導論課程的教學改革，在大學計算機教育體系中具有重要意義。

[1]馮博琴.對于計算思維能力培養“落地”問題的探討[J].中國大學教學,2012,09:6-9.

[2]戰德臣,聶蘭順.計算思維與大學計算機課程改革的基本思路[J].中國大學教學,2013,02:56-60.

[3]戰德臣，聶蘭順，徐曉飛.“大學計算機”——所有大學生都應學習的一門計算思維基礎教育課程[J].中國大學教學,2011,04:15-20.

[4]戰德臣,聶蘭順,徐曉飛.寬度與深度教學相結合——計算思維教學方法淺談[J].工業和信息化教育,2013,06:16-20.

[5]龔沛曾,楊志強.大學計算機基礎教學中的計算思維培養[J].中國大學教學,2012,05:51-54.

[6]戰德臣,王浩.面向計算思維的大學計算機課程教學內容體系[J].中國大學教學,2014,07:59-66.

[7]何欽銘,陸漢權,馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養——《九校聯盟(C9)計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》解讀[J].中國大學教學,2010,09:5-9.

Computational Thinking;MOOC+SPOC;Multi-Dimension Evaluation of Teaching and Study

Research on Computer Basis Teaching Reformation Based on Computational Thinking

ZHANG Zhao-yu，REN Jian-ping，WU Yong，ZHOU Bei-bei
(E&IE，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou，JiangSu，215011)

張昭玉（1975-），女，湖北襄陽人，碩士研究生，副教授，研究方向為軟件工程

任建平（1965-）男，山西太原人，博士研究生，教授，研究方向為軟件工程

吳勇（1970-）男，江蘇蘇州人，碩士研究生，講師，研究方向為軟件工程

周蓓蓓（1974-）女，江蘇蘇州人，碩士研究生，講師，研究方向為軟件工程

2015-11-24

2015-12-20

針對《大學計算機基礎》課程普遍存在的問題如課程設置缺乏特色，文理工藝各專業區別不大，相關課程之間內容重復，對專業課和后續課程的支撐力不足，學生普遍缺乏計算思維能力等問題，以本校電氣專業學生為實驗對象，開展為期兩年的教學改革研究。重新設計以計算思維為導向的工科類計算機基礎教學體系，討論課程定位與教學目標，課程內容的分層聚類，優化重構，MOOC+SPOC在教學改革中的支撐作用，以及多維評價方式的重要性。通過調查卷展示改革的系列成果，論證改革的有效性。

計算思維；MOOC+SPOC；多維教學評價

Analyses the problems confronting College Computer Basis teaching from aspects,the curriculum setting lack of features,less attractiveness in the curriculum,and the defects exist in courses setting and talent structure,most of the students are short of computational thinking ability,etc.Based on the above considerations,selects electrical information students as research object,and launches the teaching reformation for two years.Redesigns the knowledge framework of college computer basis.Discusses the teaching of the course objectives, teaching content,instructional design,the auxiliary function of MOOC+SPOC in teaching,multi-dimension evaluation of teaching and study,and other aspects of reformation.Through the survey volume shows the results of reforms,this proves that it is an effective and applicable teaching method.