面向計算思維的大學計算機課程改革探索與實踐

谷宗運 闞峻嶺 譚紅春

摘要：為探索與實踐面向計算思維的大學計算機課程教育教學改革方法，首先分析計算思維的特點，再結合安徽中醫藥大學在大學計算機課程方面的教學改革情況，從教學內容、教學方法、實驗教學、教學手段、考核方式和成績評價方式6個方面進行探索與實踐。實踐表明，將計算思維融入大學計算機課程教學之中，在提升計算機課程教學質量的同時，還能有效培養學生計算思維能力。面向計算思維的大學計算機課程教育教學改革方法是有效可行的。

關鍵詞：計算思維;大學計算機課程;課程體系;教學改革

Exploration and Practice of the University?Computer Course Reform of Computational Thinking

GU Zong?yun， KAN Jun?ling， TAN Hong?chun

（Information Engineering College of Traditional Chinese Medicine，?Anhui University of Chinese Medicine， Hefei 230031， China）

Abstract：In order to explore and practice the computer?based education reform of computational thinking， this paper first analyzes the characteristics of computational thinking， and then combines the teaching reform of computer science courses in Anhui University of Traditional Chinese Medicine. Six aspects including teaching content， teaching methods， experimental teaching， teaching assessment methods and performance evaluation methods are explored and practiced. The practice has shown that the integration of computational thinking into the teaching of computer courses in universities can improve the computational thinking ability of students and the quality of computer courses. The computational thinking?oriented teaching education reform?of computer?courses in universities?is effective and feasible.

Key Words：computational thinking; university computer course; course system; teaching reform

0?引言

2013年合肥工業大學李廉教授[1]以計算思維為導向，提出大學計算機課程改革思路，討論了改革動因、改革基礎以及改革內容，掀起了“計算思維”教學改革探索的熱潮。近年來，眾多學者和專家對計算思維在計算機基礎課程[2?4] 和計算機專業課程[5?7]方面的改革進行了研究。經過數年發展，大學計算機課程作為高校通識類課程的地位得到肯定，大學計算機教學改革方向逐步明確為“以計算思維為導向”。以素質教育和思維培養為核心的計算機基礎課程教學理念和方法越來越得到重視。

高校開設大學計算機課程的目的是使學生掌握計算機基本理論知識和基本操作技能，培養學生信息素養和計算思維。但“計算思維”是什么？大學非計算機專業學生對計算思維的需求是什么？如何面向計算思維進行大學計算機基礎課程改革？如何引導中醫藥院校學生將掌握的信息技術融入學科學習、科研和社會活動中，并利用計算機技術解決醫學專業領域的相關問題，是當前中醫藥院校非計算機專業計算機基礎教育面臨的挑戰。本文結合安徽中醫藥大學在大學計算機基礎教育教學改革方面的探索與實踐，對以上問題進行探討。

1?計算思維

1.1?計算思維的產生與發展

美國Carnegie Mellon大學Jeannette Wing教授[8]于2006年3月，在美國計算機權威期刊?Communications of the ACM?上發表了名為?Computational thinking?的論文，文中首次正式提出并定義了“計算思維（Computational Thinking，CT）”的概念。2010年11月，陳國良院士在文獻[9?10]中正式提出用計算思維理念指導大學計算機基礎課程教學改革的倡議。2012年5月，在教育部高等教育司組織的“大學計算機課程改革研討會”上達成共識：推動以計算思維培養為導向的新一輪計算機基礎教育課程改革。2012年7月，全國第一屆“計算思維與大學計算機課程教學改革研討會”在西安交通大學召開，會上提出以計算思維培養為切入點是今后大學計算機課程深化改革和提高質量的核心任務[11]，之后以計算思維為導向的大學計算機基礎教育教學改革方向逐步明確。

1.2?計算思維的定義及特征

Jeannette Wing教授[12]定義計算思維是“運用計算機科學的基礎概念對問題進行求解、系統設計、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。” 陳國良院士[9]定義計算思維是“一種選擇合適的方式去陳述一個問題，或對一個問題的相關方面建模使其易于處理的思維方法。”李廉教授[12]認為：“計算思維是通過計算機解決問題的一種方法，其要點在于抽象化、自動化以及分析，因此計算思維是計算機科學廣泛學科中的一個核心要素。”

計算思維具有以下特性：概念化的而不是程序化的;基礎的而不是機械的技能;實現主體是人，不是計算機等電子設備的思維;數學和工程思維的互補與融合;是思想而不是人造品[8]。

2?面向計算思維的非計算機專業大學計算機教學改革

2.1?教學內容改革

如何培養計算思維？如何合理地設置大學計算機課程？講授什么內容可以培養學生的計算思維？大學生對計算思維的需求究竟是什么？這些是面向計算思維的非計算機專業大學計算機教學改革面臨的問題，亟待解決。對此，哈爾濱工業大學戰德臣教授[13]對大學計算機的計算思維教育空間進行了有效探索，他提出的“計算之樹”描繪了大學計算機學科的計算思維知識空間，即以一種樹型的多維度框架概括計算學科中重要的計算思維，主要包括樹根、樹干、樹枝和樹杈4個部分，并進一步研究了面向計算思維的大學計算機課程教學內容體系，論證性地提出了大學計算機面向計算思維的課程內容最小集合及擴展集合[14]。北京航空航天大學于2012年開始對高等院校計算機課程與計算思維進行研究，并初步構建大學計算機課程體系[15]。周新華[16]針對大學計算機基礎課程教學中存在的問題，提出了結合學生專業特色進行學習任務布置等建議。國內計算思維應用研究的內容主要聚焦于對計算思維培養策略 、計算思維教學模式和計算思維支持系統的設計與開發等方面[17]。

安徽中醫藥大學經過多年探索與實踐，針對不同專業要求，并結合醫學院校人才的培養需求，改革現有課程內容[18?20]，建立與目標相適應的教學內容體系，改革課程結構，并對教學內容進行整體優化，加大實踐性、應用性內容和案例，提高學生的實踐操作能力，初步形成了相對成熟的大學計算機課程體系，見表1。計算機基礎課程在大一下學期開設，不同專業的教學計劃略有不同，但通常總學時為96，理論與實踐并重。

由表1可見，課程分為3個階段、9個教學單元。其中，第3階段為選修課程，要求在教學過程中以計算思維為核心，以計算機知識為背景。通過每個教學單元的教學內容，結合案例講解透徹計算思維的內涵，使學生理解典型的計算思維，掌握基于計算思維的問題求解思路與方法，培養學生以計算思維運用計算工具分析和處理中醫藥領域實際問題的能力。

2.2?教學方法改革

教學方法改革重點在于樹立“以生為本”的教學思想，教學中靈活運用多種恰當的教學方法，以及利用各種平臺開展實踐教學，充分調動學生的學習積極性，改變學生被動學習的教學模式，加強對學生合作意識和合作能力的培養，培養發現問題、分析問題、解決問題的能力，使學生在掌握計算機知識、程序設計和操作方法的基礎上，運用計算思維解決本學科問題。實際教學中主要采用啟發式教學法、案例教學法、任務驅動教學法、項目教學法等。

（1）啟發式教學法。其主要目標是使學生積極主動地學習，以促進能力發展。根據教學目的、教學內容及學生知識水平，采用啟發式方法傳授知識、培養能力。通常做法是在知識點講解結束后，提出相關思考題，展開課堂討論，改變老師教、學生被動學的落后教學模式，充分調動學生的主觀能動性，引導學生積極思考。啟發式教學法可以更好地培養學生分析問題、解決問題的能力。

（2）案例教學法。案例教學法是一種以案例為基礎的教學法，其特點是生動具體、直觀易學。如果運用得當，不僅能充分調動學生學習主動性，還能實現教學相長。教師在課堂上不再是單向教學，而是與學生一起討論、思考;同時，學生在課堂上也不再是忙于記筆記，而是和老師共同探討問題。案例教學法容易開闊思路，收到較好的教學效果。如，Excel功能繁多，通過一個具體的“工資報表”等現實生活中的案例，講解案例制作過程涉及的概念和方法，最后進行理論歸納總結。這樣，通過制作各種類型案例，逐步學習相關知識，培養學生解決實際問題的計算思維。

（3）任務驅動教學法。任務驅動教學法是一種建立在建構主義學習理論基礎上的教學法，將以傳授知識為主的傳統教學理念轉變為以解決問題、完成任務為主的多維互動式的教學理念。在教學內容設置上，從實際出發，適當設置一些學生感興趣的任務，使他們都能根據自己對當前問題的理解，運用所學知識和自己特有的經驗提出解決問題方案、完成任務。如在學習電子文稿時，根據要求，學生可以選擇自己喜歡或感興趣的主題，獨立完成一份PPT制作。學生在任務的驅動下，對自己感興趣的主題，自己動手實踐，完成由不知到知的過程，實現知識內化。

（4）項目教學法。項目教學法指將一個相對獨立的項目交由學生處理，并在老師指導下完成任務。在完成項目的過程中，學生要經歷收集信息、設計方案、實施項目及最終評價等流程。如在學習程序設計和數據庫時，教師設計學生成績管理系統等項目，并在呈現項目、指導項目實施、檢查評估的過程中運用計算思維方法展開教學，學生通過項目的實施探索新知識，并掌握計算思維的方法和技巧。

2.3?實踐教學改革

在安徽中醫藥大學非計算機專業大學計算機基礎課的教學中，實踐教學是整個教學過程的重要組成部分。實踐教學可以培養學生兩方面能力：一是實際動手操作能力，二是獨立獲取知識的能力。在實踐教學過程中，針對不同教學內容，選取合適的實驗案例讓學生進行驗證性實驗、設計性實驗、綜合性實驗，并且盡可能增加設計性實驗，減少驗證性實驗。在學生掌握一定基礎知識和基本操作的基礎上，通過實驗實訓考查學生分析問題、處理問題的能力，引導學生通過實驗實訓拓展知識、培養計算思維能力和綜合實踐能力，加強學生實踐操作技能，促進實踐教學與理論教學有機結合、全面提升學生實踐能力和適應能力，提高實驗實訓課教學質量。

2.4?教學手段改革

充分、恰當使用現代教育技術手段，構建“理論、實驗、網絡”的多元教學模式，激發學生學習興趣。近年來的教學改革主要采用了以下信息技術手段：

（1）對多媒體教學進行深入研究[21]。現在學校計算機基礎課教學均采用多媒體形式授課，先進教學手段的運用使課堂教學生動活潑，激發學生學習興趣，提高了課堂教學效果。

（2）多媒體教學課件的制作。制作了集文字、圖形、圖像、聲音、動畫、視頻為一體的圖文并茂的多媒體課件進行課堂教學，提高了課堂教學效果、教學質量和學生計算機應用能力。

（3）利用計算機基礎精品課程教學網站將課堂教學延伸到課外，學生根據需要通過網絡教學平臺學習相關教學內容。教學網站包括課程的教學大綱、課程簡介、電子教案、在線學習、在線模擬測試、上機指導、章節練習、教學指導錄像和其它相關學習資料及鏈接，允許學生下載多媒體課件和其它相關的學習資料，實現優秀教學資源網絡共享。網絡教學平臺是課堂教學的有效補充，師生可以在網絡教學平臺上及時地互動交流，同時也可以使用微博、微信等新技術拓展和延伸課堂教學。

（4）對大型開放式網絡課程（massive open online courses，MOOC）、問題式學習（problem?based learning，PBL）以及翻轉課堂等教學方法進行積極有效的探索。

（5）在“互聯網+教育”時代背景下[22]，移動互聯網信息化教學已經成為大學教育發展、教學改革中不可回避和阻擋的新趨勢，對大學教育教學改革和發展既帶來了沖擊也帶來了機遇。面對“互聯網+教育”的快速發展，要敢于采用一些新技術優化課堂教學結構，提高課堂教學效果。如針對大學生手機使用普遍的情況，在教學中合理利用“藍墨云”、“學習通”等手機APP進行輔助教學，使師生溝通更順暢，教學更輕松、有趣、簡單和高效。

2.5?考核方式改革

由原來的期末一次性考核方式改為期末無紙化考試與全國計算機水平考試相結合的“教考分離”考核方式，促進學生應用能力、操作能力和素質的提高，推動高等學校能力教育、素質教育培養。

2.6?成績評價方式改革

計算機基礎課程考核主要目的是檢驗學生自主學習能力、實際操作能力和計算機應用能力。在成績評價上，改變傳統考試評價體系，研究新的多元化考核評價標準，將考核重點放在知識應用、學生動手能力上，使其能夠更客觀、真實地反映學生學習情況。具體實施采取平時、實踐、校內考試與全國計算機水平考試相結合的方式綜合評定學生成績。校內考試實行期末無紙化考試成績與平時成績綜合評價的機制，將實驗實訓考核貫徹到整個教學過程，這種考核方式可以促進學生更重視平時理論學習和實驗操作，促使學生形成良好的學習習慣。另外，還將逐步完善形成性評價考核方式，以期能對學生作出相對合理的評價，達到檢驗學生學習效果的目的。

3?結語

高校面向非計算機專業學生開設大學計算機課程，并將計算思維融入大學計算機課程教學之中，教學目標是培養非計算機專業學生的計算思維能力及訓練其計算思維應用能力，提高學生創新能力，最終成為復合型創新人才。本文從教學內容、教學方法、實驗教學、教學手段、考核方式和成績評價方式6個方面對以計算思維為導向的大學計算機教學改革進行了探索與實踐。以計算思維為導向的計算機基礎教學研究仍處于起步階段，還有許多問題值得思考與研究。只有不斷地學習和充實自身的學識，不斷更新課程教學內容、教育理念，總結教學經驗，探索新的教學方式，才能更好地實現高校非計算機專業大學計算機課程教學的人才培養目標，進一步提高大學計算機教學質量，更好地推進非計算機專業學生計算思維能力和創新能力的培養。

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