哈佛大學計算機基礎課CS50及其啟示

唐大仕

摘要：哈佛大學計算機基礎課CS50是一門很有影響力的課程。文章介紹該課程的教學內容、教學組織及課程推廣情況，并介紹其對國內計算基礎教育的啟示，包括重視基礎、突出計算思維、生動的課堂、豐富的工具以及對品牌的重視等。

關鍵詞：CS50;計算機基礎課程;計算思維

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）39-0005-03

CS50（Computer Science 50）是哈佛大學一門計算機科學的導論性的課程[1]，內容包括基本的計算機知識、基礎算法、編程應用等，還探討人工智能等最新的計算機科學領域的應用。該課程是哈佛大學本科學生的一門選修人數最多、最受歡迎的課程之一，在美國及全球都有較大的影響力。筆者曾參加在哈佛大學舉辦的Workshop，與該課程的領導者David J.Malan進行了交流，感受了該課程的教學方式及其影響力。本文就CS50的相關情況進行介紹，并且談談對我國國內計算機基礎教育的啟示。

一、CS50的教學內容

1.教學大綱。CS50的教學內容，包括了較廣泛的內容，從基礎的算法、數據結構、C語言到網絡、機器學習、Python、數據庫、JavaScript等。課程大綱如表1所示。

課程中主要體現的思想是計算的中心思想，是計算思維，并且包含了The College Board（美國大學理事會）提出的計算機科學基礎原則（CSP，computer-science-principles）。其中包含了7大思想（7 big ideas），如表2所示。

2.知識點。從其具體講解的知識點（表3所示）來看，主要在C語言、數據結構方面進行了詳細的講解，這與國內的“計算概論”相似。而在課程后半部增加了網絡、Web前端、Web后端、數據庫等內容，使得計算機的知識講解得更全面。在人工智能、機器學習等方面有所涉及，使得學生可以對計算機的最新發展有一個全面的認識。

二、CS50的教學組織

1.教學時間與教學形式。CS50的課程時長在11—13周，每周有2次課，每次課2—3小時。課程中還包括1次測驗、1次考試、8個實習編程、1個期末大作業。CS50采用大班級教學、小班級輔導。在哈佛大學的課程每次上課有800—1000人，在哈佛劇院上課。老師講課后錄制成視頻，放到網上，可供校內學生及校外學生進行觀看。除了上課，還安排了輔導時間。學生課下完成練習，主要是編程題目，課程中給學生出的練習題目（Problem Set）如表4所示，可見大部分題目是開放性的，學生可以較自由地發揮。

2.教學工具。CS50課程內容較多，講課速度也較快，這對學生的掌握內容還是有一定挑戰的，所以教學團隊提供了較多的教學工具及線上線下支持。用于學生的工具包括：CS50IDE（在線的集成開發環境）、help50（幫助文檔）、check50（程序檢查及建議）、debug50（調試工具）、style50（格式檢查）、submit50（作業提交工具）等。甚至還有C語言與Scratch語言相轉化的工具。用于教師的工具包括：check50（程序檢查及建議）、style50（格式檢查）、render50（在線語法加亮）等。還提供了一個平臺cs50.me，用于教師批改作業、添加評語以及師生之間的互動。

3.教學資源。由教師團隊及助教對課堂錄像及教學素材進行編輯整理，并提供給學生豐富的教學資源和素材。在教學視頻方面，包括：課堂錄像（提供多機位及全景視頻）、字幕、筆記、程序代碼、幻燈片等。還由助教錄制了一些補充講解的視頻（稱為shorts）。

對于練習題目，除了給出問題外，還給出規范、指導等。還給教師團隊提供題目的解決方案以及詳細的評分規則、打分量表等。

4.教學活動。除了常規的上課、練習、答疑等常規教學活動外，每學期還舉辦事件性的活動。包括：（1）CS50 Puzzle Day，類似于“面對面選課”，每學期前進行，會發一些宣傳材料，提供一些問題和解決方案等。（2）CS50 Hackathon，編程馬拉松，每學期中后期舉辦，將有較高熱情的學生組織起來針對一定的任務進行項目編程。活動一般會從頭天晚上延續到第二天早上。（3）CS50 Fair，編程集市，每學期期末舉辦，學生可以展示他們的程序作品并交流，還會請一些外面的公司（如微軟等）來參與。（4）CS50 Coding Contest，校際的編程比賽。

從以上活動來看，這門課的內容是十分豐富和多樣的。

三、CS50的推廣

CS50在美國國內及全球產生了廣泛的影響力。CS50除了在哈佛大學內部、聯合耶魯大學開設外，還通過以下方式進行推廣。

一是CS50x，即在知名的慕課平臺edx上開設專門的課程[2]，該課程可以被其他大學采用，也可以供社會學習者自學，其作業提交期限是12個月，以方便自定進度。該課程注冊的學習者人數已超過100萬。

二是CS50AP，即大學先修課[3]，主要針對各個中學進行開設。AP課程是在大學課程的基礎上進行了精簡和一定程度的改造，分為9章，內容包括7個重要思想、24個理解知識點、44個學習小目標、312個關鍵知識語句、6個計算思維實踐、數字創新活動以及1個考試。采用了該AP課程的中學超過150所。

該團隊還歡迎其他學校使用該課程。使用方式有兩種——adopt（直接采用）或adapt（修改后采用）[4]。在北美和歐洲有較多的學校采用了該課程，其他地區也有學校正在或將要采用。每年還在哈佛大學及其他地方舉辦研討班，來自美國及其他國家的中學教師、大學教師參加研討，擴大了其影響力。

四、CS50的啟示

CS50作為哈佛大學本科學生的計算機基礎課程，不僅在本校成為最受歡迎的課程，而且在校外也具有廣泛的影響力。這對于我們國內的計算機基礎教育來說，有較大的啟發意義。

1.教學內容基礎全面、突出計算思維。在教學內容方面，可以看出其基礎性，突出計算思維，突出計算基本原理（Computer Science Principles）和計算機科學的最重要的7個思想（seven big ideas），在內容組織上，將計算機基本概念、程序設計語言、數據結構與算法、網絡、Web前端與后端、人工智能等融合在一起，注重讓學習者對計算機科學有全面和整體的把握，真正將計算思維落到實處。

另外，值得學習的是，其教學內容也是隨時代在更新，如在講應用系統時，將Web的前后端開發放到突出的位置，編程語言之一php改成了python，人工智能的內容近來增加了機器學習的內容。

2.課堂教學靈活生動、教師富有激情。在課堂教學方面，主講教師David J.Malan在講課時富有激情，講課語速很快，課堂互動熱烈。如講解二進制時使用實際的電燈的點亮與熄滅，講解二分法時手撕電話簿，講解算法時讓學生參與食品的制作過程，講解排序時讓學生直接參與排序，在講解人工智能時還請來了機器人，這樣生動的教學方式，讓學生印象深刻。

3.豐富的教學工具、全程的教學支持。教師團隊制作了豐富的教學工具，如上文提到的集成開發環境、格式檢查工具、調試工具、幫助文檔、作業提交平臺等。還給學生提供了豐富的教學過程支持，如答疑、輔導、作業點評等。組織的面對面選課、編程馬拉松、編程集市、編程競賽等，豐富了教學過程，也給學有余力者以更好的發揮。這對國內的計算機設計大賽也有借鑒意義，即如何將比賽與課程教學活動較好地結合起來。

4.極大的教學投入、強烈的品牌打造。這門課的教學團隊有80多人，其中有全職教師12人，還有很多助教。教師安心教學、專心教學，投入全部精力研究教學內容、教學方法，制作教學視頻，研發教學支持工具，使得課程不斷積累和進步。

還有一點特別值得國內的同行們借鑒，就是課程團隊十分注重品牌的樹立，其教學過程、教學支持工具、網站群中都注重名稱的統一、內容的精細，在慕課和大學先修課程的推廣、研討會等各種場合都體現了濃濃的、獨特的CS50品牌特色。

參考文獻：

[1]CS50 at Harvard，https：//cs50.harvard.edu.

[2]CS50x Introduction to Computer Science，https：//cs50.edx.org.

[3]This is CS50 AP，https：//ap.cs50.net/.

[4]Bring CS50 to your school，http：//cs50.org/.

Introduction and Reflection of Harvard University Computer Science Course CS50

TANG Da-shi

（School of Electronics Engineering and Computer Science，Peking University，Beijing 100871，China）

Abstract：Harvard University Computer Science Course CS50 is a well-known course.This course teaches students how to think algorithmically and solve problems efficiently.This paper introduces the outline and syllabus of the course，and how it is promoted to all over the word.Comparing with the courses on fundamental computer science in China，we should improve teaching and learning，such as concentrating on teaching the basic knowledge，emphasizing computational thinking，making learning interesting，providing bunch of learning tools，and binding brand as well.

Key words：CS50;fundamental computer science course;computational thinking