王移芝等

摘 要：隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，各種決策將日益基于數(shù)據(jù)和分析而做出，而并非基于經(jīng)驗和直覺。隨著這一進程的全面深入，計算思維將成為人們認(rèn)識和解決問題的基本能力之一。本文結(jié)合作者實際教學(xué)工作，介紹了基于“計算思維”能力培養(yǎng)的大學(xué)計算基礎(chǔ)課程設(shè)計方法，通過計算機文化培養(yǎng)、教學(xué)內(nèi)容與資源建設(shè)、現(xiàn)代教育技術(shù)手段使用以及實驗室建設(shè)等四方面的研究和實踐，達到培養(yǎng)學(xué)生計算思維和創(chuàng)新思維能力、提升教師素質(zhì)和科研能力、構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的教與學(xué)創(chuàng)新模式的目的。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)處理；計算思維；大學(xué)計算機基礎(chǔ)；能力培養(yǎng)；教學(xué)手段；創(chuàng)新意識

從計算機能力培養(yǎng)到計算思維養(yǎng)成，是對高校計算機基礎(chǔ)教學(xué)的一個新挑戰(zhàn)。計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)廣度的一系列思維活動。計算機基礎(chǔ)課程對培養(yǎng)和訓(xùn)練非計算機專業(yè)學(xué)生的計算思維起著重要的作用。計算思維教育著眼于一種思維模式的養(yǎng)成和訓(xùn)練，因此對現(xiàn)有的教育觀念和方式提出了新的挑戰(zhàn)，不僅僅是傳授知識，而是要將知識的傳授與能力培養(yǎng)相結(jié)合，培養(yǎng)一種科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)與思維習(xí)慣。北京交通大學(xué)是一所行業(yè)特色型大學(xué)，本文以大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的建設(shè)為例，重點探討基于“計算思維”能力培養(yǎng)的計算機基礎(chǔ)教學(xué)的改革和實踐，為人才培養(yǎng)奠定堅實的基礎(chǔ)。

一、計算思維在計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的重要性

1.計算思維教育的目的和作用

隨著計算機應(yīng)用的深入與普及，現(xiàn)代社會對于計算機應(yīng)用的水平要求已經(jīng)不僅僅限于計算機專業(yè)的學(xué)生，而是全社會成員都必須具有的基本素質(zhì)，大學(xué)生應(yīng)該且必須具有對計算機技術(shù)深度的運用能力，尤其是數(shù)據(jù)處理能力。計算機已經(jīng)不僅僅是一門工具，學(xué)生接受計算機課程的培養(yǎng)已經(jīng)不僅僅為了學(xué)會應(yīng)用計算機，而是由此學(xué)會一種思維方式，這種思維方式對于學(xué)生從事任何事業(yè)都將是終身受益的。因此作為一門課程的改革必須跟上時代的步伐，合理設(shè)計、科學(xué)謀劃，這是時代賦予我們的研究任務(wù)。

2.要解決的核心問題

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會對人才的定義與需求也發(fā)生了巨大的變化。然而，在大學(xué)教育中計算思維能力培養(yǎng)要解決的核心問題是什么呢？這是教育者研究的重心、是教學(xué)改革的關(guān)鍵。筆者認(rèn)為要解決的核心問題主要體現(xiàn)在計算思維與學(xué)生思維能力的培養(yǎng)、計算思維與學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)和計算思維與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的三個方面。

（1）計算思維與學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。計算思維是人類求解問題的一條途徑，它影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力。計算思維不僅僅是程序化的，而是在抽象的多個層次上進行思維。從計算思維的角度來闡述計算機科學(xué)，可以有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)的開始就站在計算思維高度來看待專業(yè)的學(xué)習(xí)，注意培養(yǎng)自己嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某橄笏季S能力，使計算思維的精髓融入分析問題和解決問題的學(xué)習(xí)和實踐過程中。

（2）計算思維與學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。計算機科學(xué)從本質(zhì)上源自工程思維，因為我們建造的是能夠與實際世界互動的系統(tǒng)。目前，計算機應(yīng)用已經(jīng)深入到各行各業(yè)，融入人類活動的整體，解決了大量計算時代之前不敢解決的問題。然而，由于目前計算機能力的有限性，許多科學(xué)問題和工程應(yīng)用問題依舊亟待解決。計算機學(xué)科就是在挑戰(zhàn)問題、解決問題的過程不斷得到發(fā)展的，計算思維能力也在分析問題和解決問題的實踐當(dāng)中得到充實和提高。

（3）計算思維與學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。創(chuàng)新要靠科學(xué)素養(yǎng)，靠科學(xué)的思想與方法。學(xué)生掌握了科學(xué)的思想與方法，就能在今后的學(xué)習(xí)和生活中多層次、多視角、全方位地觀察和理解客觀世界的變化，運用已經(jīng)掌握的知識和科學(xué)方法去理解事物、發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題?？梢哉f，計算思維能力是每個大學(xué)生必備的科學(xué)素養(yǎng)之一，也是創(chuàng)新人才應(yīng)該必備的首要條件之一。

3.計算機基礎(chǔ)課程新體系

計算思維教育不是一兩門課程可以解決的，需要一系列課程的學(xué)習(xí)逐漸形成的一種解決問題的思維能力與習(xí)慣，更多的是隱藏在教育教學(xué)方法與能力培養(yǎng)的過程中，要靠學(xué)生“悟性”，使學(xué)生能自覺地運用到解決實際問題之中?？茖W(xué)合理的課程體系，對人才培養(yǎng)起著關(guān)鍵性的作用。在建設(shè)中，一是課程內(nèi)容應(yīng)具有相對穩(wěn)定的、基礎(chǔ)性的以及讓學(xué)生長期受益的思想、方法與手段；二是思維教育應(yīng)強調(diào)計算機知識的內(nèi)在統(tǒng)一性與外在差異性，了解計算機獨特的思維方式；三是能力培養(yǎng)則著重于基本的信息素養(yǎng)與能力，以及應(yīng)用計算機技術(shù)解決實際問題的能力。

根據(jù)人才培養(yǎng)的新需求與我校新的課程教學(xué)大綱，構(gòu)建了基于思維能力培養(yǎng)的計算機基礎(chǔ)課程新體系，如圖1所示。

新體系突出了人才培養(yǎng)的針對性，在加強計算機文化素質(zhì)教育基礎(chǔ)上，所有課程由學(xué)生根據(jù)專業(yè)需要和個人興趣進行選修。各個層面課程的教學(xué)目標(biāo)與考核標(biāo)準(zhǔn)也各不相同，從素質(zhì)培養(yǎng)-思維訓(xùn)練-拓展創(chuàng)新，使其達到提升學(xué)生思維能力的改革目標(biāo)。

然而，基于計算思維能力培養(yǎng)的計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革，不僅僅是課程本身的建設(shè)，還包含以學(xué)生為核心的方方面面。面對大數(shù)據(jù)時代，技能訓(xùn)練，讓學(xué)生學(xué)會數(shù)據(jù)處理；能力培養(yǎng)，讓學(xué)生學(xué)會更好地進行數(shù)據(jù)處理，充分體現(xiàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值；思維養(yǎng)成，讓學(xué)生學(xué)會在數(shù)據(jù)處理中所體現(xiàn)的計算思維能力，在工作中能夠靈活應(yīng)用，敢于思考、敢于創(chuàng)新。

二、大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程改革與實施方案

1.基于計算思維能力培養(yǎng)的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程改革新方案

計算思維教育的目的是培養(yǎng)一種學(xué)習(xí)與思維習(xí)慣，其作用是提供理解物理、社會以及其他現(xiàn)象的一個新視角，指出解決問題的一種新途徑，強調(diào)創(chuàng)造知識而非使用信息，從而提高學(xué)生的創(chuàng)造和創(chuàng)新能力。在這樣的教育理念思想指導(dǎo)下，我們結(jié)合自身課程體系新特點，按照“技能—知識—思維”三層教育理念，構(gòu)建了基于“計算思維”能力培養(yǎng)的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教育教學(xué)改革新方案，如圖2所示。

2.計算機文化素質(zhì)培養(yǎng)與提高

“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程是大學(xué)新生的第一門計算機課程?？紤]到我國地區(qū)差異性和學(xué)生個體的差異性，我們構(gòu)建了基本的信息素養(yǎng)與學(xué)習(xí)實踐計算機文化教學(xué)平臺，讓學(xué)生充分接觸跟計算思維有關(guān)的培養(yǎng)模式，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜事物進行抽樣、分解的能力，認(rèn)識并熱愛對計算機的學(xué)習(xí)，有興趣和會用計算機解決問題。

計算機文化教學(xué)平臺在表現(xiàn)形式上體現(xiàn)有多媒體軟件資源、實驗室展板展臺布置等多方面。內(nèi)容包括計算機國內(nèi)外發(fā)展歷程，從圖靈機模型到馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生從計算機硬件設(shè)備的認(rèn)知、安裝與調(diào)試，了解和認(rèn)識計算機；再從圖靈獎的誕生與獲獎?wù)呓?jīng)歷，培養(yǎng)學(xué)生對計算機學(xué)習(xí)的積極性，進而激發(fā)創(chuàng)造力。通過計算機文化的滲透，使學(xué)生充分理解和認(rèn)識計算機，感受計算機科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，能夠在興趣引導(dǎo)下學(xué)習(xí)計算機的相關(guān)技術(shù)和知識，學(xué)會用計算機來處理數(shù)據(jù)、解決問題的能力，面對未來敢于迎接挑戰(zhàn)。

3.教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)資源的改革與創(chuàng)新

隨著計算機科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，作為培養(yǎng)現(xiàn)代科學(xué)思維能力的必修公共基礎(chǔ)課程之一的大學(xué)計算機基礎(chǔ)在大學(xué)整體教育中的重要性更加突出。如何使得大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的內(nèi)容與時俱進，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需要，實時地根據(jù)計算機科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展而變化呢？教學(xué)內(nèi)容的改革主要體現(xiàn)在立體化的教學(xué)資源建設(shè)、課堂教學(xué)和實踐教學(xué)三個方面。我們提出了“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容的整體改革新方案，如圖3所示。

首先，構(gòu)建豐富的立體化教學(xué)資源，以滿足分類分層的個性化學(xué)習(xí)需要。這些資源分別以文字、圖形圖表、動畫與流媒體、音頻視頻等多種媒體展現(xiàn)，其形式多樣、簡單直觀，各種媒體資源優(yōu)勢互補。同時，這些資源會隨著社會人才需求、具體教學(xué)內(nèi)容變化而不斷更新與維護，以及擴充新內(nèi)容。它不僅方便了學(xué)生自主學(xué)習(xí)，更有力地支撐了教師教學(xué)。

其次，加強案例教學(xué)，提高課堂教學(xué)效率。課堂教學(xué)是實時動態(tài)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的最佳途徑，是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。而現(xiàn)代教育技術(shù)手段的不斷發(fā)展，為教學(xué)提供了良好的支撐。充分利用多媒體手段，隨時可以引入新內(nèi)容、增加新知識，并可以將以前的一些陳舊教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)為自學(xué)內(nèi)容放在教學(xué)網(wǎng)站上。利用多媒體計算機進行案例教學(xué)，不僅豐富了教學(xué)內(nèi)容，而且提高了課堂教學(xué)效率。尤其是對課程中的一些重點難點、不易理解和呈現(xiàn)的知識點，可以充分利用泛在學(xué)習(xí)教育手段抽象或真實地展示出來，實現(xiàn)以往看不到的看見了、看不清的看得更清晰了。

再次，注重實踐教學(xué)，提高理論知識與實踐教學(xué)的統(tǒng)一。我們設(shè)立了各種實驗，包括基礎(chǔ)實驗、拓展實驗和創(chuàng)新實驗等。通過實驗來驗證和鞏固理論教學(xué)，掌握計算機技術(shù)，深入理解其技術(shù)設(shè)計思想與方法。另一方面，突出了計算機認(rèn)知實驗，通過直接觸摸計算機設(shè)備，讓學(xué)生感知計算機學(xué)科的作用與神奇的力量，消除對計算機的神秘感，加深對計算機學(xué)科的認(rèn)識。

最后，注重學(xué)習(xí)過程，采用基于學(xué)習(xí)過程的能力考核方式。在整個學(xué)習(xí)過程中，注重平時學(xué)習(xí)成果的積累與考核，所有平時成績?nèi)繉W(xué)生公開，讓學(xué)生自己決定課程的學(xué)習(xí)成效。這種基于學(xué)習(xí)過程的能力考核深受學(xué)生歡迎，既提高了學(xué)習(xí)成效又增強了學(xué)習(xí)的自覺性與時效性。

4.現(xiàn)代教育技術(shù)手段使用

充分利用網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代教育技術(shù)手段，積極開展教學(xué)方法與手段的研究和實踐。采用案例教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動等教學(xué)模式，以點帶面，講思想講方法，從知識的傳授到學(xué)習(xí)方法與思維能力的培養(yǎng)與構(gòu)建。特別是隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，校園泛在學(xué)習(xí)環(huán)境的資源和學(xué)習(xí)模式的滲透，通過為學(xué)生提供智能化和個性化服務(wù)，無處不在的學(xué)習(xí)成為可能。

為了適應(yīng)隨時隨地的學(xué)習(xí)，以輔助課程教學(xué)，我們不僅開展了網(wǎng)上教學(xué)，而且還開發(fā)了基于移動互聯(lián)網(wǎng)的移動學(xué)習(xí)應(yīng)用，為學(xué)生提供了便捷良好的多樣化學(xué)習(xí)環(huán)境。其中，各個知識點以多媒體方式呈現(xiàn)，既提供離線學(xué)習(xí)，又具備在線答疑的功能。這樣，學(xué)生可以充分利用零碎的時間，實現(xiàn)了隨時隨地學(xué)習(xí)，或者是對一些重點難點可以反復(fù)學(xué)習(xí)，加深對知識點的掌握和理解、提高學(xué)習(xí)效率。

5.實驗設(shè)計與實驗平臺建設(shè)

在計算機基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)過程中，教學(xué)實踐是知識傳播的重要工具。而大學(xué)計算機基礎(chǔ)作為一門各專業(yè)的公共基礎(chǔ)類課程，其課程內(nèi)容較多、涉及的知識面較寬，尤其是對計算機技能的要求很強，如何實現(xiàn)基于思維能力培養(yǎng)的教學(xué)，是課程改革的關(guān)鍵。我們提出：第一，加強實驗內(nèi)容的設(shè)計，設(shè)計各種類型和不同層次的實驗來檢驗、鞏固和理解教學(xué)內(nèi)容，掌握知識的運用；第二，搭建各種適應(yīng)人才培養(yǎng)的實驗環(huán)境，通過實驗平臺建設(shè)來營造良好的實驗環(huán)境，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意思維意識與能力；第三，加強實驗學(xué)時比例，采用課堂教學(xué)和實驗教學(xué)1：1+1的學(xué)時分配方式，教學(xué)方法以教師引導(dǎo)、啟發(fā)為主，激勵學(xué)生自主探索完成實驗作業(yè)。

北京交通大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)實驗平臺面向全校教學(xué)實踐服務(wù)，除擁有大規(guī)模計算機軟件實驗室之外，還設(shè)有硬件實驗室、網(wǎng)絡(luò)實驗室等多功能面向全校的開放實驗室，為全校在校生提供公共基礎(chǔ)課實踐環(huán)境以及課外上機等服務(wù)。實踐環(huán)境以往都配有Windows系統(tǒng)作為教學(xué)實驗平臺，其上是支持各計算機實踐課程的相關(guān)軟件，為了讓實驗教學(xué)突破以往傳統(tǒng)單一軟件環(huán)境條件的束縛，為學(xué)生提供良好的促進能力和思維訓(xùn)練的環(huán)境，實驗室還選擇以開源軟件為主的多樣化軟件實驗環(huán)境，讓學(xué)生們思路開闊、心胸開闊，培養(yǎng)敢想、敢做、能做、做好的開放精神。

三、教學(xué)實施及效果分析

1.教學(xué)實施分析

針對新的課程建設(shè)方案，在2012級與2013級兩輪的實施中基本達到了預(yù)期的教學(xué)目的，取得了良好的效果。筆者認(rèn)為，本次教學(xué)主要有三個方面的認(rèn)識與提高：一是課程教學(xué)與以往教學(xué)的區(qū)別，其教學(xué)內(nèi)容從以往單純的操作技能掌握，到理論基礎(chǔ)與實踐應(yīng)用的統(tǒng)一；二是教學(xué)模式的變化，從傳統(tǒng)的黑板加粉筆模式，到多元化的集課堂、網(wǎng)絡(luò)、實踐教學(xué)為一體的模式；三是教學(xué)方法與手段的再創(chuàng)新，堅持教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教育理念，教學(xué)是以培養(yǎng)學(xué)習(xí)與思維能力為核心的。

那么，如何體現(xiàn)思維能力培養(yǎng)呢？主要從教學(xué)整體的效益、思維能力的體現(xiàn)和教師自身素質(zhì)與教學(xué)能力再提高三個方面。而不是說教師教授的越多越好，重在看學(xué)生的學(xué)習(xí)成效與收獲。所以說，思維教育改革的關(guān)鍵，一是教學(xué)團隊建設(shè)，良好的教學(xué)團隊是人才培養(yǎng)的基石；二是實驗教學(xué)平臺的滾動發(fā)展（硬環(huán)境），學(xué)以致用、實踐出真知；三是教學(xué)資源建設(shè)（軟環(huán)境），要不斷積累與更新，拓寬視野，發(fā)展個性化培養(yǎng)的手段。

2.教學(xué)效果分析

在整個教學(xué)實踐中，學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情很高。主題討論也非常積極，師生之間有著良好的互動性。為了了解學(xué)生對課程設(shè)計是否認(rèn)同，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，設(shè)定了評價維度：第一，思維與處理問題能力提升程度；第二，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度的作用；第三，課程學(xué)習(xí)的自覺性與興趣；第四，基于學(xué)習(xí)過程的考核方式。本次參與教學(xué)評估的學(xué)生分別為2012級和2013級兩個年級，2012級共有兩個教學(xué)班計178人，其中未能完成問卷者4人，其余174人均參與了本學(xué)期的教學(xué)活動，并對教學(xué)效果進行了評估。在174份問卷中，認(rèn)為課程內(nèi)容對思維與處理問題能力有很大程度提高的學(xué)生有23%，認(rèn)為對培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度有很大和較大作用的學(xué)生占總?cè)藬?shù)的89%，認(rèn)為課程學(xué)習(xí)的自覺性與興趣很好及較好的學(xué)生占總?cè)藬?shù)的93%，認(rèn)為基于學(xué)習(xí)過程的考核方式很好的學(xué)生占總?cè)藬?shù)的45%。

此外，還對2013級共有兩個教學(xué)班計176人的教學(xué)效果進行了對比評估，即對學(xué)習(xí)本課程前與學(xué)完該課程后的計算機應(yīng)用能力進行了對比分析，其調(diào)查結(jié)果如圖4所示。

調(diào)查分析結(jié)果可以看出，課程后的學(xué)習(xí)成效遠遠高于課前的計算機應(yīng)用水平。尤其是學(xué)習(xí)提高項目排列在前三位的分別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和組網(wǎng)實驗（97.70%）、微機組裝實驗（96.55%）和數(shù)據(jù)處理的綜合應(yīng)用能力（93.68%）?？梢钥闯鲇布邮謱嶒瀸W(xué)生綜合應(yīng)用能力的提高與計算機學(xué)習(xí)興趣起著非常重要的作用。

總之，基于“計算思維”能力培養(yǎng)的計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革，不但提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生初步形成正確的“思維”方法和解決問題的能力。

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