戰(zhàn)德臣+++王浩

摘 要：大學(xué)計(jì)算機(jī)課程講授計(jì)算思維已經(jīng)成為普遍的共識(shí)。然而限于基礎(chǔ)-學(xué)時(shí)-內(nèi)容的矛盾，人們對(duì)面向計(jì)算思維的課程內(nèi)容體系仍舊存在一些困惑。大學(xué)計(jì)算機(jī)課程應(yīng)該講授的最小的課程內(nèi)容集合是什么？本文作者在多年教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算學(xué)科對(duì)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員未來(lái)的影響，論證性地提出了大學(xué)計(jì)算機(jī)面向計(jì)算思維的課程內(nèi)容最小集合以及擴(kuò)展集合，試圖破解在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容體系方面的困惑。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；大學(xué)計(jì)算機(jī)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

一、大學(xué)計(jì)算機(jī)課程現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

國(guó)家推動(dòng)面向所有大學(xué)生開(kāi)設(shè)計(jì)算機(jī)文化課程（后被各學(xué)校稱為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程）已經(jīng)近20年，期間經(jīng)歷了若干次的演變和發(fā)展，到今天已經(jīng)明確了用計(jì)算思維改造大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的方針和原則，大學(xué)計(jì)算機(jī)課程應(yīng)該講授計(jì)算思維也已經(jīng)形成了普遍的共識(shí)[1-4]，以計(jì)算思維培養(yǎng)為主的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程已成為和數(shù)學(xué)、物理、外語(yǔ)一樣的通識(shí)類(lèi)基礎(chǔ)課程。然而限于“基礎(chǔ)-學(xué)時(shí)-內(nèi)容”的矛盾，人們對(duì)面向計(jì)算思維的課程內(nèi)容體系仍舊存在一些困惑，致使很多教師的教學(xué)內(nèi)容仍舊停留在所謂“狹義工具論”的層面，或者是停留在匯集計(jì)算機(jī)各門(mén)課程前言、緒論知識(shí)的層面，仍沒(méi)有形成有特色的自成體系的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容，不能滿足新形勢(shì)下大學(xué)計(jì)算機(jī)課程面向計(jì)算思維通識(shí)教育教學(xué)改革的需要。所謂“基礎(chǔ)-學(xué)時(shí)-內(nèi)容”矛盾是指：大學(xué)一年級(jí)學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)參差不齊，有些學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)很好，而有些學(xué)生則相對(duì)較弱，講授哪些內(nèi)容學(xué)生才能受益并能接受難以確定；計(jì)算機(jī)學(xué)科是過(guò)去60年發(fā)展最為迅速的學(xué)科，知識(shí)與內(nèi)容膨脹之快速令人難以想象，如此眾多內(nèi)容怎樣進(jìn)行教學(xué)選擇成為難題；為保證非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生本學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，不可能拿出太多學(xué)時(shí)來(lái)學(xué)習(xí)“大學(xué)計(jì)算機(jī)”課程，而且還面臨不斷壓縮課堂學(xué)時(shí)的壓力。

怎樣解決上述的矛盾，作者認(rèn)為要從兩個(gè)方面著力破解：一是從課程教學(xué)內(nèi)容體系方面，尋求大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容的最小集合；二是從教學(xué)手段、教學(xué)方法方面，利用MOOC等先進(jìn)的教學(xué)手段來(lái)破解這樣的矛盾。本文主要論述前一方面的內(nèi)容。

二、面向計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容體系

作者曾提出計(jì)算之樹(shù)[5]，以一種樹(shù)型的多維度框架概括了計(jì)算學(xué)科中所體現(xiàn)的重要的計(jì)算思維，試圖給出大學(xué)計(jì)算機(jī)的計(jì)算思維教育空間。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步論述大學(xué)計(jì)算機(jī)第一門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容的最小集合與擴(kuò)展集合問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，我們認(rèn)為大學(xué)計(jì)算機(jī)第一門(mén)課程應(yīng)至少包含四個(gè)部分（本文稱其為四個(gè)領(lǐng)域）的內(nèi)容，即課程教學(xué)內(nèi)容的最小集合為：計(jì)算與程序；計(jì)算系統(tǒng)；算法思維；信息素養(yǎng)。在此基礎(chǔ)之上的擴(kuò)展集合，將增加系統(tǒng)思維、數(shù)據(jù)抽象與計(jì)算思維、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算思維。下面從必要性和內(nèi)容構(gòu)成兩個(gè)方面來(lái)論述，前者說(shuō)明為什么要講，后者說(shuō)明講什么。

1.“計(jì)算與程序”講授的必要性和內(nèi)容構(gòu)成

為什么要講授“計(jì)算與程序”？首先，計(jì)算手段已經(jīng)成為除理論手段、實(shí)驗(yàn)手段外，人類(lèi)進(jìn)行科學(xué)研究的第三種手段[6]，計(jì)算與社會(huì)/自然的融合越來(lái)越深入，其本質(zhì)是將不同的社會(huì)/自然現(xiàn)象或問(wèn)題表達(dá)為計(jì)算機(jī)可以處理的形式，即符號(hào)化、計(jì)算化和自動(dòng)化。其次，“計(jì)算”是指針對(duì)具體問(wèn)題尋求并設(shè)計(jì)算法或程序，目的是使機(jī)器替代人進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算并獲得計(jì)算結(jié)果，而程序應(yīng)是一種廣義的概念，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜功能的一種重要手段，即隨使用者使用目的不同而對(duì)機(jī)器基本動(dòng)作的千變?nèi)f化的組合，計(jì)算系統(tǒng)是可以執(zhí)行任何程序的系統(tǒng)?！坝?jì)算與程序”課程對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的形成是最重要的。

從最小化集合角度，“計(jì)算與程序”課程內(nèi)容應(yīng)包含以下知識(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)，如表1所示。

表1 “計(jì)算與程序”知識(shí)領(lǐng)域的知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)

知識(shí)單元 知識(shí)點(diǎn)

1.1 計(jì)算與計(jì)算思維 什么是計(jì)算機(jī)；什么是計(jì)算與自動(dòng)計(jì)算；自動(dòng)計(jì)算需要解決的基本問(wèn)題；什么是計(jì)算思維；計(jì)算思維對(duì)形成各學(xué)科復(fù)合思維的作用；大學(xué)計(jì)算思維的教育空間

1.2符號(hào)化、計(jì)算化與自動(dòng)化 語(yǔ)義符號(hào)化——社會(huì)/自然面向計(jì)算的基本表達(dá)方法；符號(hào)計(jì)算化——基本的邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算；計(jì)算0（和）1化——任何信息都可表示為0和1，二進(jìn)制和編碼；0（和）1自動(dòng)化——電子技術(shù)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)0和1及其基本運(yùn)算；分層構(gòu)造化——用簡(jiǎn)單的計(jì)算（或系統(tǒng)）構(gòu)造復(fù)雜的計(jì)算（或系統(tǒng)），逐層構(gòu)造；構(gòu)造集成化——將已構(gòu)造好的計(jì)算（或系統(tǒng)））進(jìn)行封裝，便于用其構(gòu)造更為復(fù)雜的計(jì)算（系統(tǒng)）

1.3程序與

遞歸 計(jì)算系統(tǒng)與程序的關(guān)系：什么是程序，程序的基本特征：復(fù)合、抽象與構(gòu)造；什么是復(fù)合，什么是抽象，什么是構(gòu)造，程序構(gòu)造的基本方法：迭代與遞歸；利用遞歸進(jìn)行定義；利用遞歸進(jìn)行計(jì)算；利用遞歸進(jìn)行構(gòu)造

知識(shí)單元1.1的目的是使學(xué)生理解為什么要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)，什么是計(jì)算，為什么要學(xué)習(xí)計(jì)算思維，計(jì)算學(xué)科中經(jīng)典的計(jì)算思維有哪些，以及計(jì)算思維對(duì)其未來(lái)會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響。

知識(shí)單元1.2的目的是使學(xué)生理解語(yǔ)義符號(hào)化、符號(hào)計(jì)算化、計(jì)算0和1化、分層構(gòu)造化和構(gòu)造集成化，這是社會(huì)/自然與計(jì)算融合的基本思維模式。符號(hào)化也不僅僅是指數(shù)學(xué)符號(hào)，而是指最終可以轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制比特的各種符號(hào)。理解由0和1連接起來(lái)的，由“計(jì)算”到“軟件/硬件實(shí)現(xiàn)計(jì)算”的跨越，理解任何復(fù)雜的計(jì)算都可以由機(jī)械/電子系統(tǒng)自動(dòng)完成。通過(guò)這一過(guò)程的理解，進(jìn)而對(duì)計(jì)算思維的本質(zhì)“抽象”與“自動(dòng)化”有一個(gè)初步的理解。

知識(shí)單元1.3的目的是使學(xué)生深入理解什么是程序，理解計(jì)算系統(tǒng)就是執(zhí)行程序的系統(tǒng)，程序是計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)千變?nèi)f化復(fù)雜功能的一種手段；理解程序的基本特征是復(fù)合、抽象與構(gòu)造：復(fù)合是對(duì)簡(jiǎn)單元素的各種組合，抽象是對(duì)各種元素的組合進(jìn)行命名并將其用于更為復(fù)雜的組合中，構(gòu)造的基本手段是迭代和遞歸，用有限的語(yǔ)句來(lái)表達(dá)近乎無(wú)限的、具有自相似性的對(duì)象及動(dòng)作。

這里要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，計(jì)算學(xué)科的“抽象”與我們平常所表達(dá)的“抽象”既有相通的一面又有細(xì)微的差別，計(jì)算學(xué)科的“抽象”是一種可掌握可操作的方法，即用名字表達(dá)一種組合，而該名字可以參與新的更為復(fù)雜的組合，這是計(jì)算學(xué)科最本質(zhì)的方法[7]。

2.“計(jì)算系統(tǒng)”講授的必要性和內(nèi)容構(gòu)成

為什么要講授“計(jì)算系統(tǒng)”？首先，計(jì)算系統(tǒng)和現(xiàn)實(shí)中各種系統(tǒng)既有相類(lèi)似的思維模式，例如分工-合作與協(xié)同思維、并行化分布化提高資源利用效率思維等，同時(shí)也互相支持出現(xiàn)創(chuàng)新的復(fù)合思維模式，如各種智能系統(tǒng)，這些智能系統(tǒng)本質(zhì)上則是基于計(jì)算的系統(tǒng)。其次，圖靈獎(jiǎng)獲得者Edsger Dijkstra說(shuō)過(guò)，計(jì)算工具的理解和使用會(huì)影響人們的思維習(xí)慣，進(jìn)而影響我們的思維能力。例如“天貓/淘寶”電子商務(wù)、Wiki Pedia等更多的成功事例說(shuō)明，對(duì)計(jì)算環(huán)境的理解和使用影響了人們的工作/生活的思維習(xí)慣，已經(jīng)成為創(chuàng)新的重要源頭。

對(duì)于初學(xué)者而言，如能理解“程序是如何被執(zhí)行的”，則有助于學(xué)生構(gòu)造和設(shè)計(jì)可執(zhí)行的算法和程序；如能理解“存儲(chǔ)體系環(huán)境下程序是如何被執(zhí)行的”，則有助于學(xué)生理解并習(xí)慣于資源受約束條件下問(wèn)題解決方案的構(gòu)造，而不是一般的統(tǒng)而化之、不講成本、不顧環(huán)境、不考慮用戶體驗(yàn)地解決問(wèn)題的方式[1]。對(duì)現(xiàn)代計(jì)算環(huán)境如云計(jì)算環(huán)境等的理解，則有助于我們建立問(wèn)題求解的大思維，即能夠改變?nèi)藗兩?、工作與研究方式的思維。對(duì)通用計(jì)算環(huán)境的理解，有助于我們研究具有各個(gè)學(xué)科自身特色的專(zhuān)業(yè)化計(jì)算系統(tǒng)，有助于建立各學(xué)科具體問(wèn)題求解的計(jì)算環(huán)境，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的共同創(chuàng)新。

從最小化集合角度，“計(jì)算系統(tǒng)”課程內(nèi)容應(yīng)包含以下知識(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)，如表2所示。

表2 “計(jì)算系統(tǒng)”知識(shí)領(lǐng)域的知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)

知識(shí)單元 知識(shí)點(diǎn)

2.1通用計(jì)算機(jī)器模型 通用計(jì)算機(jī)器模型——圖靈機(jī)；指令、程序及其執(zhí)行；圖靈機(jī)與自動(dòng)計(jì)算；圖靈機(jī)與算法

2.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī) 機(jī)器指令與機(jī)器級(jí)程序；馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)；可自動(dòng)讀寫(xiě)的存儲(chǔ)器；運(yùn)算器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)與功能；控制器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)與功能；指令的執(zhí)行——時(shí)鐘、節(jié)拍與信號(hào)；機(jī)器級(jí)程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行過(guò)程

2.3現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng) 現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)的基本構(gòu)成；存儲(chǔ)體系——不同性能資源的組合優(yōu)化；計(jì)算資源的分工管理：外存管理、內(nèi)存管理、CPU管理；計(jì)算資源的合作與協(xié)同——執(zhí)行程序；計(jì)算資源的管理程序——操作系統(tǒng)；現(xiàn)代計(jì)算環(huán)境的演進(jìn)——分布、并行和云計(jì)算環(huán)境

2.4計(jì)算機(jī)語(yǔ)言與

程序設(shè)計(jì) 由機(jī)器語(yǔ)言到高級(jí)語(yǔ)言；高級(jí)語(yǔ)言與編譯器；不同層次的語(yǔ)言（抽象）與編譯器（自動(dòng)化）；計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（程序）的基本構(gòu)成要素：常量、變量與表達(dá)式，語(yǔ)句與程序控制，函數(shù)與函數(shù)調(diào)用；利用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)

知識(shí)單元2.1是從理論層面看計(jì)算系統(tǒng)，指令、程序及程序的執(zhí)行，為后面不同層次計(jì)算系統(tǒng)的理解奠定一些理論基礎(chǔ)。知識(shí)單元2.2是在簡(jiǎn)單硬件層面，即CPU和內(nèi)存的層面來(lái)看計(jì)算系統(tǒng)，使學(xué)生理解程序是如何被存儲(chǔ)在內(nèi)存中，又是如何被CPU讀取并被執(zhí)行的。

知識(shí)單元2.3是在2.2的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步理解存儲(chǔ)體系即資源的限制和利用問(wèn)題，并簡(jiǎn)要理解存儲(chǔ)體系環(huán)境下如何通過(guò)分工-合作與協(xié)同來(lái)執(zhí)行程序的，同時(shí)理解資源管理的作用，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步理解人們是如何擴(kuò)充資源數(shù)量提高資源性能、改善資源利用效率的，進(jìn)而能簡(jiǎn)要地理解并行分布計(jì)算環(huán)境與云計(jì)算環(huán)境等。本單元的目的是使學(xué)生對(duì)計(jì)算系統(tǒng)的理解能從硬件過(guò)渡到軟件。知識(shí)單元2.4使學(xué)生進(jìn)一步理解如何通過(guò)程序來(lái)構(gòu)造計(jì)算系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和編譯器的發(fā)展，理解為什么編寫(xiě)程序越來(lái)越方便，而機(jī)器為什么又能執(zhí)行越來(lái)越復(fù)雜的程序，使學(xué)生理解不同抽象層次的計(jì)算系統(tǒng)。

3. “算法思維”講授的必要性和內(nèi)容構(gòu)成

為什么要講授“算法思維”？作者認(rèn)為是沒(méi)有疑義的，關(guān)鍵在于：對(duì)基礎(chǔ)薄弱、學(xué)時(shí)有限的非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生講授哪些算法，怎樣講授算法思維，如何使學(xué)生建立算法研究的基本思維模式，如何使學(xué)生理解算法與問(wèn)題和環(huán)境的關(guān)系。

從最小化集合角度，“算法思維”課程內(nèi)容應(yīng)包含以下知識(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)，如表3所示。

表3 “算法思維”知識(shí)領(lǐng)域的知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)

知識(shí)單元 知識(shí)點(diǎn)

3.1算法類(lèi)問(wèn)題求解框架 算法的概念；問(wèn)題理解與數(shù)學(xué)建模；算法策略；算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；算法的控制結(jié)構(gòu)；算法的表達(dá)方法；算法的實(shí)現(xiàn)——程序設(shè)計(jì)；算法的正確性分析；算法的復(fù)雜性分析；算法類(lèi)問(wèn)題求解的一般框架

3.2怎樣研究算法——算法與問(wèn)題和環(huán)境的關(guān)系 為什么要研究算法；為什么要研究快速的算法；算法需要考慮哪些方面——問(wèn)題復(fù)雜性與資源/環(huán)境復(fù)雜性；受限資源環(huán)境下的算法設(shè)計(jì)與分析；算法與問(wèn)題的關(guān)系，如何從問(wèn)題語(yǔ)義挖掘求解思想；如何通過(guò)對(duì)問(wèn)題及計(jì)算環(huán)境的深入理解而構(gòu)造與設(shè)計(jì)算法；以典型的求解算法來(lái)介紹怎樣研究算法

3.3怎樣研究算法——難解性問(wèn)題的近似解求解 可求解與難求解問(wèn)題，即P類(lèi)、NP類(lèi)及NPC類(lèi)問(wèn)題的概念；NP類(lèi)問(wèn)題求解的基本思想——即近似解求解思想；如何從社會(huì)/自然中尋求問(wèn)題求解的思想，例如自然生物的求解思想；算法研究的本質(zhì)——為什么一個(gè)算法可以求解NP問(wèn)題；算法如何應(yīng)用——典型NP類(lèi)問(wèn)題的抽象與應(yīng)用相關(guān)算法進(jìn)行求解。

知識(shí)單元3.1是從過(guò)程和步驟角度闡述算法類(lèi)問(wèn)題的基本求解框架，使學(xué)生理解構(gòu)造與設(shè)計(jì)任何一個(gè)算法要經(jīng)過(guò)哪些步驟，在每一步驟中要做哪些事情，使學(xué)生理解算法求解的關(guān)鍵步驟是數(shù)學(xué)建模、算法策略設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)與表達(dá)、算法分析等。

知識(shí)單元3.2是在知識(shí)單元3.1基礎(chǔ)上的進(jìn)一步探討，使學(xué)生準(zhǔn)確理解“問(wèn)題→算法”以及“問(wèn)題→資源→算法”，探討算法與問(wèn)題和資源環(huán)境的關(guān)系，體驗(yàn)受限資源環(huán)境下的算法構(gòu)造，體驗(yàn)不同環(huán)境可能產(chǎn)生不同的算法，體驗(yàn)通過(guò)問(wèn)題的深入理解來(lái)發(fā)現(xiàn)求解問(wèn)題的思想進(jìn)而構(gòu)造算法，體驗(yàn)審視問(wèn)題的不同視角也可能產(chǎn)生非常簡(jiǎn)單但卻很重要的算法。終極目的是使學(xué)生理解為問(wèn)題而研究算法，而不是為算法而算法。

知識(shí)單元3.3也是在知識(shí)單元3.1基礎(chǔ)上的進(jìn)一步探討，使學(xué)生準(zhǔn)確理解可求解問(wèn)題與難求解問(wèn)題，以及對(duì)于難求解問(wèn)題，如何設(shè)計(jì)算法求近似解；使學(xué)生體驗(yàn)社會(huì)/自然中的問(wèn)題求解思維同樣有助于產(chǎn)生計(jì)算問(wèn)題的求解算法，將具體問(wèn)題抽象出其數(shù)學(xué)模型更是有助于算法的發(fā)現(xiàn)與構(gòu)造，進(jìn)一步使學(xué)生深入理解算法研究的本質(zhì)是什么。

特別要注意知識(shí)單元3.2和3.3不能從理論上來(lái)引入相關(guān)內(nèi)容，而應(yīng)從案例即具體問(wèn)題及求解算法中引入相關(guān)內(nèi)容，使學(xué)生通過(guò)具體案例進(jìn)

行體驗(yàn)，否則由于學(xué)生缺乏必要的理論基礎(chǔ)而造成理解上的困難，達(dá)不到培養(yǎng)計(jì)算思維的目的。這也是知識(shí)單元3.2和3.3被認(rèn)為對(duì)初學(xué)者非常困難的原因之一，通過(guò)案例來(lái)化解難度是教學(xué)實(shí)施過(guò)程需要特別注意的。

4. “信息素養(yǎng)”講授的必要性和內(nèi)容構(gòu)成

什么是素養(yǎng)？簡(jiǎn)單來(lái)講，素養(yǎng)是一個(gè)人應(yīng)具有的關(guān)于某一方面內(nèi)容的知識(shí)基礎(chǔ)，或應(yīng)形成的關(guān)于某一方面事物或做某些事情的思維習(xí)慣。雖然由于缺乏工具的掌握而暫時(shí)做不出來(lái)，但他知道這是能夠做出來(lái)的，并且知道如何做是最好的。雖自己暫時(shí)做不到，但卻能夠欣賞或者能夠比較，一旦其掌握了工具或方法，則其所完成的將比一般人更好。當(dāng)前是信息社會(huì)，每個(gè)人都離不開(kāi)信息，一個(gè)人獲取信息、處理信息和利用信息的能力將影響其未來(lái)的工作和生活。因此，信息素養(yǎng)是信息時(shí)代每個(gè)人應(yīng)具有的基本素養(yǎng)。信息素養(yǎng)包括數(shù)據(jù)化方面的素養(yǎng)——管理和利用數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)化方面的素養(yǎng)——連接和利用網(wǎng)絡(luò)，信息出版方面的素養(yǎng)——編排和出版作品和成果，信息安全方面的素養(yǎng)——如何保護(hù)自己的數(shù)據(jù)和設(shè)施。

從最小化集合角度，“信息素養(yǎng)”課程內(nèi)容應(yīng)包含以下知識(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)，如表4所示。

表4 “信息素養(yǎng)”知識(shí)領(lǐng)域的知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)

知識(shí)單元 知識(shí)點(diǎn)

4.1怎樣管理和利用數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)為什么要管理；數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系模型；結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言SQL；數(shù)據(jù)庫(kù)的社會(huì)影響

4.2怎樣連接和利用網(wǎng)絡(luò) 為什么要連接和利用網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)通訊基礎(chǔ)；計(jì)算機(jī)組網(wǎng)與連接；TCP/IP協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程；網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用基礎(chǔ)—HTML與XML語(yǔ)言；網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)搜索；網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用及其社會(huì)影響

4.3怎樣編排和出版 傳統(tǒng)媒介出版與電子媒介出版；信息出版物的基本要素及其屬性；期刊文章與圖書(shū)的構(gòu)成要素與編排要求；電子講演稿的基本構(gòu)成要素及編排要求；非線性媒介出版物的內(nèi)容組織方法

4.4 怎樣保護(hù)信息與網(wǎng)絡(luò)的安全 什么是信息安全；計(jì)算機(jī)病毒及其防治；網(wǎng)絡(luò)入侵及其防范措施；信息安全的職業(yè)道德規(guī)范及法律法規(guī)

知識(shí)單元4.1關(guān)注的是數(shù)據(jù)化方面的思維與素養(yǎng)，其核心是數(shù)據(jù)庫(kù)及基于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)利用問(wèn)題，目的是使學(xué)生理解數(shù)據(jù)管理的重要性以及數(shù)據(jù)管理的手段，體驗(yàn)基于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)運(yùn)用方法，理解數(shù)據(jù)庫(kù)的社會(huì)影響。

知識(shí)單元4.2關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)化方面的思維與素養(yǎng)，其核心是網(wǎng)絡(luò)連接方法及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用問(wèn)題，目的是使學(xué)生理解機(jī)器網(wǎng)絡(luò)連接及信息傳輸?shù)膸讉€(gè)核心概念，進(jìn)而理解機(jī)器網(wǎng)絡(luò)之上的信息網(wǎng)絡(luò)、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用問(wèn)題，理解網(wǎng)絡(luò)對(duì)個(gè)人和社會(huì)的影響。

知識(shí)單元4.3關(guān)注的是信息出版方面的思維與素養(yǎng)，其核心是理解不同出版物如圖書(shū)、期刊文章、電子講演稿、電子媒介等不同出版物的構(gòu)成要素和出版要求，其本質(zhì)是學(xué)習(xí)內(nèi)容組織的方法和技巧，而不是學(xué)習(xí)各種文字處理軟件。能否使用文字處理軟件是一個(gè)問(wèn)題，然而能否用文字處理軟件編排出符合要求的、格式精美的出版物是另一個(gè)問(wèn)題，前者只是軟件的學(xué)習(xí)與掌握，而后者則是一種素養(yǎng)-信息出版素養(yǎng)的培養(yǎng)。

知識(shí)單元4.4關(guān)注的是信息與網(wǎng)絡(luò)安全方面的思維與素養(yǎng)，其核心是理解可能對(duì)信息與網(wǎng)絡(luò)安全造成影響的計(jì)算機(jī)病毒、網(wǎng)絡(luò)攻擊等的基本原理與防護(hù)手段，進(jìn)而提高信息與網(wǎng)絡(luò)安全方面相應(yīng)的防護(hù)能力。

5. 大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展集合

前面給出了大學(xué)計(jì)算機(jī)第一門(mén)課程教學(xué)內(nèi)容的最小集合。在此基礎(chǔ)上，本部分給出該課程教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展集合。擴(kuò)展集合的內(nèi)容除包括前述的最小集合外，還應(yīng)增加系統(tǒng)科學(xué)思維、數(shù)據(jù)抽象與計(jì)算思維、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算思維的內(nèi)容。

表5 擴(kuò)展集合的知識(shí)單元和知識(shí)點(diǎn)

知識(shí)單元 知識(shí)點(diǎn)

5.1系統(tǒng)類(lèi)問(wèn)題求解框架 系統(tǒng)的概念；系統(tǒng)科學(xué)方法；系統(tǒng)的問(wèn)題域建模與結(jié)構(gòu)化思維；系統(tǒng)的軟件域建模與面向?qū)ο笏季S；面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)；模塊與系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題探討；系統(tǒng)的可靠性與安全性

5.2 數(shù)據(jù)抽象與計(jì)算思維 為什么說(shuō)數(shù)據(jù)也是生產(chǎn)力；由數(shù)據(jù)庫(kù)到數(shù)據(jù)挖掘；為什么需要抽象-理論與設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)抽象的具體方法——理解-區(qū)分-命名-表達(dá)；設(shè)計(jì)的基本方法——形式-構(gòu)造與自動(dòng)化；理論的基本方法——定義-公理-定理與證明

5.3網(wǎng)絡(luò)計(jì)算思維 由機(jī)器網(wǎng)絡(luò)到信息網(wǎng)絡(luò)；標(biāo)記語(yǔ)言；基于互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新思維；社交網(wǎng)絡(luò)-群體互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)化社會(huì)與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法示例

知識(shí)單元5.1是對(duì)“算法思維”內(nèi)容的進(jìn)一步擴(kuò)展，由算法擴(kuò)展到系統(tǒng)，關(guān)注的是系統(tǒng)科學(xué)思維。問(wèn)題求解主要包括兩個(gè)方面：一個(gè)是算法類(lèi)問(wèn)題求解，一個(gè)是系統(tǒng)類(lèi)問(wèn)題求解。系統(tǒng)通常是復(fù)雜的，具有不同于算法的一系列特性，例如系統(tǒng)有體系結(jié)構(gòu)問(wèn)題、可靠性問(wèn)題等，軟件系統(tǒng)還有不可見(jiàn)性等。如何把握系統(tǒng)，如何把握系統(tǒng)的復(fù)雜性、化復(fù)雜為簡(jiǎn)單、使不可見(jiàn)內(nèi)容以可理解方式展現(xiàn)出來(lái)，算法強(qiáng)調(diào)的是數(shù)學(xué)建模，而系統(tǒng)則更多地進(jìn)行非數(shù)學(xué)化建模，系統(tǒng)類(lèi)問(wèn)題求解的基本能力對(duì)學(xué)生而言是需要了解的，掌握了這種能力對(duì)于今后各種復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)習(xí)便可非常輕松。

知識(shí)單元5.2則是對(duì)“怎樣管理和利用數(shù)據(jù)”內(nèi)容的進(jìn)一步擴(kuò)展，由數(shù)據(jù)庫(kù)到數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步到基于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)運(yùn)用。當(dāng)前數(shù)據(jù)的運(yùn)用已成為一種趨勢(shì)，一切以數(shù)據(jù)說(shuō)話，尤其是大數(shù)據(jù)環(huán)境下出現(xiàn)的“不考慮因果而僅關(guān)注關(guān)聯(lián)”的數(shù)據(jù)處理思維，已經(jīng)產(chǎn)生了很多的創(chuàng)新思維，大學(xué)生應(yīng)該了解這些思維。計(jì)算科學(xué)關(guān)注更多的是規(guī)模達(dá)到一定程度時(shí)數(shù)據(jù)的分析和運(yùn)用。另一方面，通過(guò)數(shù)據(jù)領(lǐng)域的模型-語(yǔ)言-系統(tǒng)等探討一般意義上的數(shù)據(jù)抽象-理論和設(shè)計(jì)，使學(xué)生對(duì)抽象有更深入的理解，同時(shí)使學(xué)生理解如何從抽象走向理論，如何從抽象走向設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握基本的研究方法，養(yǎng)成科學(xué)的研究習(xí)慣，對(duì)學(xué)生的數(shù)據(jù)化思維的形成與實(shí)現(xiàn)是很重要的。

知識(shí)單元5.3則是對(duì)“怎樣連接和利用網(wǎng)絡(luò)”內(nèi)容的進(jìn)一步擴(kuò)展，由機(jī)器網(wǎng)絡(luò)延展到信息網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步延展到社會(huì)群體互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，再到物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)，虛擬世界網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實(shí)世界各種網(wǎng)絡(luò)相互融合，很多的創(chuàng)新思維是基于網(wǎng)絡(luò)化而產(chǎn)生的，學(xué)生應(yīng)該了解這些創(chuàng)新思維。另一方面，如何研究網(wǎng)絡(luò)化問(wèn)題，面對(duì)網(wǎng)絡(luò)化問(wèn)題如何借助于數(shù)學(xué)手段進(jìn)行研究，研究各種網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題、行為問(wèn)題等將是學(xué)生未來(lái)不得不面對(duì)的問(wèn)題，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域問(wèn)題的數(shù)學(xué)化抽象，使學(xué)生理解如何將小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的結(jié)論推廣到大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，如何將數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的研究，使學(xué)生理解網(wǎng)絡(luò)計(jì)算科學(xué)的基本研究方法，對(duì)學(xué)生網(wǎng)絡(luò)化思維的形成與實(shí)現(xiàn)也是很重要的。

之所以將上述內(nèi)容列為擴(kuò)展集合的內(nèi)容，一是因?yàn)槠浔旧肀憧蓸?gòu)成一門(mén)獨(dú)立的課程，在本門(mén)課程中僅能選取典型的案例讓學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容有一個(gè)感性和理性的體驗(yàn)，重要的是使學(xué)生了解這些思維產(chǎn)生的原因，而不能追求其寬度，僅可通過(guò)一個(gè)角度來(lái)使學(xué)生了解。二是其內(nèi)容有一定的深度，需要在前述最小集合講授清楚的前提下，并有必要的學(xué)時(shí)支撐下才能很好地講授。另外，這些內(nèi)容對(duì)教師的要求也較高，因此現(xiàn)階段可采取有步驟、有選擇地引入課堂教學(xué)，而不必追求全面引入，故被列為擴(kuò)展集合中。

三、面向計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容體系的實(shí)施方法

前面給出了大學(xué)計(jì)算機(jī)第一門(mén)課程內(nèi)容的最小集合和擴(kuò)展集合，怎樣實(shí)施也是一個(gè)問(wèn)題，下面針對(duì)教學(xué)內(nèi)容體系的實(shí)施方法談幾個(gè)問(wèn)題。

1. 知識(shí)與思維

毫無(wú)疑問(wèn)，前述內(nèi)容雖說(shuō)是最小集合，但其內(nèi)容覆蓋面卻是很寬的。如果單純以灌輸知識(shí)的方式進(jìn)行講授，則其內(nèi)容肯定講授不完。例如“符號(hào)化-計(jì)算化-自動(dòng)化”知識(shí)單元中的每個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如果按知識(shí)來(lái)介紹，則每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都可能需要幾個(gè)學(xué)時(shí)，僅僅一個(gè)二進(jìn)制和編碼就可以講授很多的內(nèi)容。但換個(gè)角度，從思維的角度來(lái)介紹二進(jìn)制，只需讓學(xué)生理解任何信息都可以用0和1來(lái)表示，即可由計(jì)算機(jī)來(lái)處理，便可壓縮掉很多的內(nèi)容，而更關(guān)注于知識(shí)的貫通，關(guān)注于由各個(gè)知識(shí)點(diǎn)貫通起來(lái)所形成的思維即“語(yǔ)義符號(hào)化→符號(hào)計(jì)算化→計(jì)算0（和）1化→0（和）1自動(dòng)化→分層構(gòu)造化→構(gòu)造集成化”，關(guān)注于理解如何將現(xiàn)象符號(hào)化，進(jìn)一步0和1化，然后即可由計(jì)算機(jī)硬件和軟件予以識(shí)別和執(zhí)行。 因此，“知識(shí)”隨著“思維”的講解而介紹，“思維”隨著“知識(shí)”的貫通而形成，“能力”隨著“思維”的理解而提高。這種教學(xué)內(nèi)容的取舍方法和教學(xué)方法對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)第一門(mén)課程應(yīng)是很重要的。

2. 大思維與小技巧

毫無(wú)疑問(wèn)，計(jì)算機(jī)學(xué)科充滿了太多的“小技巧”。毫不夸張地說(shuō)，任何一個(gè)表示方法或者算法都是充滿技巧性的，對(duì)學(xué)生也是有吸引力的，學(xué)生急于想知道為什么是這樣或那樣的。還是以“符號(hào)化-計(jì)算化-自動(dòng)化”為例，為什么幾個(gè)門(mén)電路可以形成“加法器”呢？為什么符號(hào)可以參與運(yùn)算而且結(jié)果還能正確呢？幾輪的教學(xué)實(shí)踐證明，這些技巧是可以促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步思考的，也可以激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生想做一做的沖動(dòng)，正確引導(dǎo)便可能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

然而，大學(xué)計(jì)算機(jī)第一門(mén)課程還是應(yīng)更多地關(guān)注計(jì)算學(xué)科中經(jīng)典的計(jì)算思維，而這種計(jì)算思維目的是啟發(fā)大學(xué)生在信息環(huán)境下的創(chuàng)造性思維，即所謂的“大思維”。面對(duì)這種大思維的介紹，必然會(huì)有許多的小技巧被舍棄或者被略講，僅做到可以使學(xué)生能聽(tīng)得懂即可，而不必過(guò)多介紹細(xì)節(jié)性內(nèi)容。我們應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生既關(guān)注小技巧，又要更著眼于大思維。

3. 寬度教學(xué)與深度教學(xué)

通識(shí)教育課程應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生的思維。思維的特性決定了它能給人以啟迪，給人創(chuàng)造想象的空間，并可能潛移默化地被融入到未來(lái)的創(chuàng)新活動(dòng)中。如何使學(xué)生更好地理解思維——寬度教學(xué)與深度教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)是必要的。針對(duì)計(jì)算思維通識(shí)教育，寬度教學(xué)是指能夠從社會(huì)/自然生活中的廣義計(jì)算講起，進(jìn)一步講解到計(jì)算技術(shù)與計(jì)算系統(tǒng)中的計(jì)算，要能夠?qū)⑸鐣?huì)/自然生活中的概念、原理映射到計(jì)算技術(shù)與計(jì)算系統(tǒng)中的概念、原理。通過(guò)這種映射，一方面使學(xué)生易于理解和接受計(jì)算學(xué)科的概念和原理（通過(guò)對(duì)比社會(huì)/自然生活中的概念和原理來(lái)理解），另一方面可使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)科學(xué)家是如何借鑒現(xiàn)實(shí)中的概念進(jìn)行抽象和自動(dòng)化的，進(jìn)而還可強(qiáng)化學(xué)生通過(guò)類(lèi)比跨學(xué)科事物進(jìn)行抽象和自動(dòng)化的能力培養(yǎng)。如果僅僅停留在寬度教學(xué)的層次，那也只是使學(xué)生基本理解了思維相關(guān)的概念，并不能使學(xué)生對(duì)相應(yīng)的思維有深入的理解和體驗(yàn)，即所謂的計(jì)算思維的淺層次理解。為了強(qiáng)化計(jì)算思維的深層次理解，還需要深度教學(xué)。所謂深度教學(xué)，是指在學(xué)生理解了思維相關(guān)的基本概念后，能夠進(jìn)一步探討思維的一些深層次內(nèi)容，如思維的本質(zhì)和思維的應(yīng)用。通過(guò)思維的本質(zhì)性探討，強(qiáng)化思維理解的深度，進(jìn)而強(qiáng)化思維對(duì)學(xué)生的影響；通過(guò)對(duì)應(yīng)用的抽象，強(qiáng)化思維理解的深度，進(jìn)而強(qiáng)化思維的作用和價(jià)值。

計(jì)算思維教學(xué)應(yīng)能從寬度教學(xué)延展到深度教學(xué)，把計(jì)算思維講清楚、講透徹，對(duì)學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和未來(lái)的工作奠定一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4. 思維與實(shí)用

有些同學(xué)和教師習(xí)慣于以“實(shí)用性”來(lái)評(píng)價(jià)一門(mén)課程，認(rèn)為計(jì)算思維是沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的，而“如何拆裝機(jī)器”“如何使用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)程序”“如何使用一個(gè)軟件完成諸如編排文檔、表格計(jì)算”等則是實(shí)用的，作者也曾經(jīng)有過(guò)這樣的認(rèn)識(shí)，此即“狹義工具論”的觀點(diǎn)。但經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，類(lèi)似前述的所謂實(shí)用的內(nèi)容既是容易掌握的，也是不容易掌握的。說(shuō)其容易掌握，是指如果我們理解了相關(guān)的“思維”，則對(duì)具體操作的掌握是容易的，各種軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算系統(tǒng)莫不是遵循某種思維而設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。說(shuō)其不容易掌握，是指蘊(yùn)含在硬件、軟件中的思維如果不理解，則對(duì)為什么這樣操作就不容易理解。因?yàn)橛?jì)算機(jī)語(yǔ)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(wàn)變不離其宗，其根本的思維如果能夠理解，則可以收到事半功倍之效。

5. 原理與案例

相比于經(jīng)典的數(shù)學(xué)、物理學(xué)科而言，計(jì)算機(jī)學(xué)科可能是不斷產(chǎn)生新概念、新原理的學(xué)科。諸多概念和原理既源于社會(huì)與自然，同時(shí)由于其進(jìn)行了抽象以適合于不同層次的計(jì)算系統(tǒng)，形成了許多新概念、新原理。這些新概念、新原理對(duì)于計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)的掌握是必要的，對(duì)于能夠像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考也是必要的。

然而在課程中若僅僅講授這些新概念、新原理，或者以概念講概念、以概念講原理，則對(duì)于初學(xué)者而言可能有些困難，雖然這些概念、原理記住了，可能記住的只是一個(gè)名詞，而其背后蘊(yùn)含的思考、蘊(yùn)含的思維卻被忽略了，而這種思維比這個(gè)名詞更重要。

能否通過(guò)案例來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢？通過(guò)案例的引導(dǎo)與討論，不僅能夠把概念、原理闡述清楚，而且能夠?qū)⒏拍?、原理的抽象過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)，案例驅(qū)動(dòng)、寓理于例，通過(guò)社會(huì)/自然及生活中的案例和計(jì)算技術(shù)與計(jì)算系統(tǒng)的案例對(duì)比，在案例和討論中引出計(jì)算學(xué)科的術(shù)語(yǔ)、概念和原理，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)計(jì)算思維從一個(gè)較淺的理解層次逐步過(guò)渡到較深入的理解層次。

6. 互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)與課堂教學(xué)

當(dāng)前出現(xiàn)的以MOOC（Masive Open Online Course）為代表的互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)手段對(duì)于解決基礎(chǔ)-內(nèi)容-學(xué)時(shí)的矛盾提供了有效的手段。MOOC通過(guò)短視頻網(wǎng)上在線學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂、在線互動(dòng)討論、在線考評(píng)等手段，可有效支持學(xué)生不受時(shí)間、空間、師資等方面的限制，重復(fù)觀看視頻、隨時(shí)隨地在線互動(dòng)討論以加深課程內(nèi)容的理解，這可有效彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。同時(shí)，課堂教學(xué)若能結(jié)合MOOC技術(shù)，釋放課堂的能量，加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)和深度交流，則可起到寬度教學(xué)與深度教學(xué)相結(jié)合的效果。寬度教學(xué)由視頻完成，深度教學(xué)則由課堂教學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如此可有效地保證教學(xué)質(zhì)量的提升。關(guān)于這方面內(nèi)容不在這里深入討論了。

經(jīng)過(guò)多年的努力，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到面向計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程應(yīng)該成為和大學(xué)數(shù)學(xué)課程、大學(xué)物理課程一樣地位的經(jīng)典課程，然而受限于諸多因素，該門(mén)課程在人們心目中并未達(dá)此地位。這說(shuō)明大學(xué)計(jì)算機(jī)課程仍需要改革，仍需要做出艱苦的努力，其中之一是必須破解“基礎(chǔ)-內(nèi)容-學(xué)時(shí)”的矛盾。本文提出的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容體系，給出了大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容的最小集合和擴(kuò)展集合，并探討了相關(guān)的教學(xué)方法，為破解這一矛盾給出了一種可行的、有效的解決方案。作者相信，通過(guò)從事大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)教育的所有教師的共同努力，大學(xué)計(jì)算機(jī)課程必然會(huì)成為和大學(xué)數(shù)學(xué)課程、大學(xué)物理課程一樣的經(jīng)典課程。

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[本文是教育部高教司大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目“以計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研究”、“理工類(lèi)高校計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)課程研究及教材建設(shè)”和黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“面向計(jì)算思維培養(yǎng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)教育教學(xué)改革研究”的研究成果。]

[責(zé)任編輯：夏魯惠]