尹建新　張廣群

摘 要： 當(dāng)前因受“狹議工具論”錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)的影響致使非計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育受到?jīng)_擊，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的學(xué)時(shí)也被縮減。針對(duì)這一問題，提出了以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心，“技能-能力-計(jì)算思維”三層次培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)改革。對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了面向知識(shí)能力、計(jì)算思維教學(xué)的內(nèi)容重構(gòu)與組織，給出了具體的教學(xué)內(nèi)容模塊，同時(shí)探討了計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞： 知識(shí)； 能力； 計(jì)算思維； 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)； 非計(jì)算機(jī)專業(yè)

中圖分類號(hào)：G427 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2013）09-67-03

0 引言

二十世紀(jì)九十年代中期始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)作為一種工具在社會(huì)各領(lǐng)域得到迅速的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)知識(shí)以一種文化的形態(tài)在各行業(yè)進(jìn)行普及，“不懂計(jì)算機(jī)是新時(shí)代的文盲”的認(rèn)識(shí)深入人心。當(dāng)初計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程在學(xué)生的知識(shí)體系中擺在十分重要的地位。然而，隨著人們從小學(xué)、中學(xué)及家庭生活中對(duì)計(jì)算機(jī)的及早接觸，“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”作為大學(xué)非計(jì)算機(jī)專業(yè)第一門計(jì)算機(jī)課程越來越難以突出其明顯作用與重要性，甚至面臨著嚴(yán)重的危機(jī)，學(xué)時(shí)一再被壓縮，也有不少人認(rèn)為這門課程沒必要開設(shè)了，任課教師也發(fā)出諸多感慨，認(rèn)為要上好這門課，讓學(xué)生滿意，確實(shí)不是一件容易的事。

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任周以真教授在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志ACM提出并定義了計(jì)算思維 （Computational Thinking）的概念，她指出在信息社會(huì)中計(jì)算思維是人們思考與解決問題的基本技能之一， 是每個(gè)人應(yīng)具有的思維能力。2010年7月，九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)上達(dá)成共識(shí)：旗幟鮮明地提出把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[1]，同時(shí)倡導(dǎo)高等院校加強(qiáng)以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的研究。自此計(jì)算思維得到了國內(nèi)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育界的廣泛重視，諸多高校也正在實(shí)踐基于計(jì)算思維培養(yǎng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)[2-3]，然而，在具體的執(zhí)行過程中遇到了許多問題，如教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)與取舍，教學(xué)模式與方法的實(shí)施等。本文基于作者從事非計(jì)算機(jī)專業(yè)第一門計(jì)算機(jī)課程十多年的教學(xué)改革與實(shí)踐，從“技能-能力-計(jì)算思維”三個(gè)層面探討了非計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的定位、教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、基于計(jì)算思維的教學(xué)方法等[4-5]。

1 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)

目前國內(nèi)高校的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程主要由理論知識(shí)講授和操作技能訓(xùn)練兩部分組成。理論教學(xué)的主要內(nèi)容有：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，包括誕生與發(fā)展等、計(jì)算機(jī)組成及工作原理、數(shù)據(jù)表示與存儲(chǔ)、操作系統(tǒng)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)、多媒體技術(shù)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)與信息安全等。操作技能訓(xùn)練有：介紹計(jì)算機(jī)的一些基本操作和常用軟件的使用，主要是OFFICE軟件、多媒體軟件、網(wǎng)頁制作軟件及網(wǎng)絡(luò)使用。教學(xué)內(nèi)容廣而泛，基本上是有關(guān)各領(lǐng)域的濃縮版，什么都講一點(diǎn)，但又什么都沒深入，眾多概念的介紹使學(xué)生覺得課程內(nèi)容雜且空洞，而且大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為計(jì)算機(jī)只是一種工具，會(huì)操作和使用計(jì)算機(jī)就足夠了，對(duì)課程中的理論知識(shí)并不重視，這種認(rèn)為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)就是教一些計(jì)算機(jī)軟件及其使用方法的“狹義工具論”思想不由而生，這是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)者值得思考的問題，教學(xué)模式及教學(xué)方法更有待于每一位從教者去探索。

2 技能-能力-計(jì)算思維三者在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中的理解

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中技能的熟練掌握是必須的，也是最基礎(chǔ)的，但計(jì)算機(jī)技能也不一定需要通過課程教學(xué)實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)如此發(fā)達(dá)的時(shí)代，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的學(xué)習(xí)獲得這種技能。從科學(xué)的角度看，計(jì)算機(jī)具有本身的科學(xué)體系，在教學(xué)的過程中，重要的是需要認(rèn)識(shí)其科學(xué)性和基礎(chǔ)性。計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展日新月異，技術(shù)的進(jìn)步并沒有改變計(jì)算機(jī)構(gòu)成的基本原理，也沒有改變它二進(jìn)制信息表示和處理器的核心地位。因此單純把技能性知識(shí)作為課程教學(xué)的重點(diǎn)，不符合計(jì)算機(jī)學(xué)科本身的特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)已不單純是一種工具，通過對(duì)計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)，我們要獲得用計(jì)算機(jī)解決其專業(yè)領(lǐng)域問題的一種能力，更重要的是獲得計(jì)算思維方法。技能學(xué)習(xí)可以產(chǎn)生立竿見影的效果，而知識(shí)需要逐步積累。知識(shí)能力和計(jì)算思維這兩者不能僅通過課程學(xué)習(xí)獲得，而需要一個(gè)長期積累和自我超越的過程。技能-能力-計(jì)算思維這三層關(guān)系如圖1所示。

要形成科學(xué)的方法就需要發(fā)現(xiàn)問題并尋找解決問題的思路。通過大學(xué)階段的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)類課程學(xué)習(xí)，建立有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念，了解計(jì)算機(jī)是如何處理問題的，是如何把對(duì)問題的求解歸結(jié)為程序處理的，進(jìn)而理解程序處理是計(jì)算機(jī)所獨(dú)有的方法，也是科學(xué)研究處理分析數(shù)據(jù)所依賴的方法。計(jì)算機(jī)具有一套完整的處理過程，理解它的處理過程對(duì)進(jìn)一步使用計(jì)算機(jī)方法解決專業(yè)問題的重要性是顯而易見的。即使不是直接去設(shè)計(jì)程序，但如何描述問題以使得計(jì)算機(jī)能夠處理問題是使用計(jì)算機(jī)的第一步。有了計(jì)算機(jī)方法，就有了計(jì)算機(jī)思維意識(shí)。有專家認(rèn)為，“計(jì)算機(jī)思維意識(shí)”是指在解決專業(yè)問題過程中能夠“知道”如何使用計(jì)算機(jī)。這是一個(gè)很大的問題，顯然不能簡(jiǎn)單地理解“會(huì)使用”計(jì)算機(jī)就能夠做到培養(yǎng)“計(jì)算機(jī)思維意識(shí)”。這不但需要計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)類課程的學(xué)習(xí)，更需要在后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中與計(jì)算機(jī)相結(jié)合。

3 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的思路

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)既要訓(xùn)練學(xué)生具備熟練使用計(jì)算機(jī)的技能，也要讓學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，具有應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決專業(yè)領(lǐng)域問題的能力，要將教學(xué)的重點(diǎn)定位在“基礎(chǔ)性知識(shí)和理論”的學(xué)習(xí)和提升上，突出其知識(shí)型和系統(tǒng)性，理解計(jì)算機(jī)和程序原理。

3.1 教學(xué)改革目標(biāo)

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程能裁減嗎？回答是否定的。雖然學(xué)生自小學(xué)至中學(xué)一直都接觸計(jì)算機(jī)課程，似乎對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中一些內(nèi)容并不陌生，但他們的能力和知識(shí)是很片面的。很多學(xué)生可以用QQ聊天，用媒體播放軟件聽音樂、看視頻、玩游戲，但對(duì)我們生活工作中經(jīng)常使用的辦公軟件如Office系列軟件，并沒有完全、充分地掌握。學(xué)生可以用Word軟件寫文章，但是如何寫一篇圖文并茂，排版規(guī)范的文章，他們又顯得力不從心，很多學(xué)生甚至在畢業(yè)時(shí)都無法將自己的論文按指定的格式進(jìn)行排版，功能強(qiáng)大的電子表格軟件，更是學(xué)生的弱項(xiàng)。因此，相應(yīng)的技能訓(xùn)練和技能考核是必不可少的。

美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)（PITAC）2005年6月給美國總統(tǒng)提交的報(bào)告《計(jì)算科學(xué)：確保美國競(jìng)爭(zhēng)力》（Computational Science：Ensuring Americas Competitiveness）中指出，21世紀(jì)科學(xué)上最重要的、經(jīng)濟(jì)上最有前途的前沿研究都有可能通過先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)和計(jì)算科學(xué)而得到解決[4]。因此，為其他學(xué)科培養(yǎng)掌握先進(jìn)計(jì)算技術(shù)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程就顯得非常重要。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)課程，絕不僅僅是一種工具。學(xué)生的計(jì)算機(jī)能力包括三個(gè)層次：第一層次是熟練使用計(jì)算機(jī)的基本技能；第二層次是綜合應(yīng)用和設(shè)計(jì)能力，即利用計(jì)算機(jī)解決專業(yè)領(lǐng)域問題的能力；第三層次是創(chuàng)新能力，運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解的思維活動(dòng)，即計(jì)算思維能力。

因此，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的要求是：以計(jì)算機(jī)技能應(yīng)用為載體，以知識(shí)能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，以計(jì)算思維培養(yǎng)為目標(biāo)，優(yōu)化重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用多元化教學(xué)模式，對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行以技能、知識(shí)能力和計(jì)算思維培養(yǎng)的素質(zhì)教育。

3.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

由于目前大學(xué)中普通進(jìn)行的課時(shí)和學(xué)分壓縮，特別是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)“狹議工具論”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)導(dǎo)致大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的學(xué)時(shí)再三的縮減，使得大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)這門課在教學(xué)內(nèi)容與課時(shí)限制之間存在著矛盾，往往導(dǎo)致新設(shè)計(jì)的課程內(nèi)容框架沒有足夠的時(shí)間展開，也難以達(dá)到教學(xué)設(shè)計(jì)期望達(dá)到的效果，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中沒有真正理解和掌握計(jì)算機(jī)學(xué)科最本質(zhì)的特征和最核心的方法。因此，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)必須在有限的學(xué)時(shí)中，充分利用課堂內(nèi)外結(jié)合的方式，根據(jù)明確的教學(xué)目標(biāo)，突出重點(diǎn)，避免面面俱到的方式，以技能與能力為導(dǎo)向，以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，如表1所示，以我校36學(xué)時(shí)為例。

教學(xué)內(nèi)容的組織需簡(jiǎn)單明了，技能操作要求熟練使用Office軟件家族中常用的三個(gè)軟件及計(jì)算機(jī)資源管理器，其余知識(shí)模塊的重點(diǎn)是圍繞計(jì)算與計(jì)算科學(xué)方法在理論上的認(rèn)識(shí)、提升和創(chuàng)新計(jì)算思維意識(shí)的培養(yǎng)。刪除原教學(xué)內(nèi)容中的網(wǎng)頁制作、數(shù)據(jù)庫管理、多媒體設(shè)計(jì)內(nèi)容，如PhotoShop平面設(shè)計(jì)、Flash動(dòng)畫制作等，因?yàn)檫@些章節(jié)本身就是一門課，在課堂上2學(xué)時(shí)的概述只能給學(xué)生留下混雜的印像，學(xué)生不清楚學(xué)習(xí)到了什么，同時(shí)也會(huì)對(duì)這門課程的目標(biāo)不明確?？紤]到擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)層面，為他們選擇后續(xù)課程作指導(dǎo)，完全可以采用專題講座形式讓學(xué)生了解，激發(fā)他們的興趣并引導(dǎo)選課。

3.3 以計(jì)算思維培養(yǎng)為課程教學(xué)的核心

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容中包含了很多計(jì)算思維，這些思維不僅能反映計(jì)算、計(jì)算機(jī)原理，更體現(xiàn)了基于計(jì)算技術(shù)的問題求解思路與方法，從而有助于培養(yǎng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力，為未來應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行學(xué)科研究與創(chuàng)新奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。如借鑒計(jì)算機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)，建立支持生物技術(shù)研究的計(jì)算平臺(tái)，建立支持材料技術(shù)研究的計(jì)算平臺(tái)等。

教師在教學(xué)中要特別注意不僅僅講授知識(shí)，還要注意計(jì)算思維意識(shí)的引導(dǎo)。例如在講授計(jì)算機(jī)中的信息表示，如二進(jìn)制與編碼時(shí)，如果單純從知識(shí)角度來講，那么這些內(nèi)容可以講授也可以不講授，因?yàn)橛?jì)算、轉(zhuǎn)換都是計(jì)算機(jī)本身去完成的，與使用者無關(guān)。而換一種角度來看，從“0和1的思維”角度進(jìn)行講授是有價(jià)值的：現(xiàn)實(shí)世界可以表示為0和1→用0和1可進(jìn)行邏輯與算術(shù)運(yùn)算→0和1可以用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)→用二極管、三極管等實(shí)現(xiàn)基本門電路→組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)→芯片（復(fù)雜組合邏輯電路）。具體來說，0和1的思維蘊(yùn)含著以下概念：

⑴ 信息表示。數(shù)值信息和非數(shù)值信息均可用0和1表示，均能夠被計(jì)算。

⑵ 符號(hào)化數(shù)字化。物理世界/語義信息→符號(hào)化→0和1（進(jìn)位制與編碼）→數(shù)字計(jì)算（算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算）→硬件與軟件實(shí)現(xiàn)。即任何事物只要能表示成信息也就能夠表示成0和1，也就能夠被計(jì)算，也就能夠被計(jì)算機(jī)所處理。

⑶ 層次化構(gòu)造化。硬件系統(tǒng)是“用正確的、低復(fù)雜度的電路組合形成高復(fù)雜度的芯片，逐漸組合、功能越來越強(qiáng)”。那么，復(fù)雜的軟件和復(fù)雜的系統(tǒng)也可借鑒這種思維。

3.4 教學(xué)方法

技能訓(xùn)練模塊內(nèi)容，適合案例式教學(xué)，通常是完成一件作品設(shè)計(jì)、一項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行。在作品、任務(wù)的設(shè)計(jì)上需適當(dāng)提高難度，因?yàn)閷W(xué)生已具備一定的操作能力，不再是零起點(diǎn)。教學(xué)過程中注重有思維價(jià)值的情境創(chuàng)設(shè)，以計(jì)算學(xué)科基本問題為導(dǎo)向，以經(jīng)典案例為基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn)了解和應(yīng)用編程的基本原理，提高學(xué)生的探索水平，讓學(xué)生感受到思維過程中探索、受阻、突破等一系列思維過程，動(dòng)手操作、體驗(yàn)感悟是幫助學(xué)生理解算理、探索算法、抽象算法的手段，教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生去思考自己的操作過程，并用自己的語言表達(dá)出來，幫助學(xué)生從“實(shí)現(xiàn)操作”向“算法操作”自然過渡，讓學(xué)生體驗(yàn)從直觀到抽象的逐步演變過程，進(jìn)而逐步擺脫對(duì)操作的依賴，促進(jìn)學(xué)生計(jì)算思維能力的發(fā)展。比如，我們?cè)诮榻B計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)IP地址時(shí)，IP地址有網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)兩部分組成，體現(xiàn)了信息的層次化編碼思想，學(xué)生的學(xué)號(hào)及身份證號(hào)的編碼都采用了相似的方式。我們從一臺(tái)機(jī)器的IP地址可判斷出其所在的網(wǎng)絡(luò)，從學(xué)生的學(xué)號(hào)中可以判斷出它所在的系、入學(xué)年份、所在班級(jí)等信息。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)不僅在于知識(shí)的傳授，更在于學(xué)習(xí)知識(shí)中所蘊(yùn)含的計(jì)算思維方法。因此，要充分挖掘教材中的計(jì)算思想方法，采取各種途徑對(duì)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思想方法的滲透，并指導(dǎo)學(xué)生思維實(shí)踐，幫助學(xué)生總結(jié)策略思想，生成思維策略，進(jìn)行策略化解題。

4 結(jié)束語

筆者認(rèn)為，“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程不同于程序設(shè)計(jì)課程和信息素養(yǎng)課程，不同于計(jì)算機(jī)硬件、軟件知識(shí)介紹課程，也不是后續(xù)課程概述的一個(gè)組合體。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的基本要求是日常使用計(jì)算機(jī)和文檔處理的能力，強(qiáng)調(diào)的是計(jì)算思維訓(xùn)練和科學(xué)方法的培養(yǎng)，教學(xué)目的是從培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知能力出發(fā)，讓學(xué)生理解和建立“信息、計(jì)算科學(xué)、智能”這三大核心科學(xué)概念。計(jì)算思維的培養(yǎng)不能指望一門課程來完成，計(jì)算思維的培養(yǎng)應(yīng)該貫穿計(jì)算機(jī)教學(xué)的所有課程。算法思維是計(jì)算思維的一個(gè)核心，后續(xù)課程如程序設(shè)計(jì)等更能體現(xiàn)計(jì)算思維。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)是第一門計(jì)算機(jī)類課程，其主要承擔(dān)導(dǎo)論性和基本性的教學(xué)任務(wù)，我們力求在有限課時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。

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