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1大學(xué)計算機基礎課程教學(xué)過(guò)程體現計算思維培養
1.1亟待解決的問(wèn)題
課程的改革目標是讓學(xué)生在學(xué)習計算機核心知識和掌握應用工具的基礎上學(xué)習運用高效的思維去思考，將無(wú)意識的計算思維教學(xué)理念提升到有意識、系統性的計算思維教學(xué)。力求從根本上扭轉目前大學(xué)計算機基礎課程所面臨的教學(xué)困境。針對以上目標，需要以計算思維為核心重構教學(xué)內容，并通過(guò)合適的教學(xué)實(shí)踐手段和方法使得這些重構的內容能夠被學(xué)生接受和理解。通過(guò)分析，提煉出要解決的具體問(wèn)題如下：
1）在有限課時(shí)內需要培養學(xué)生哪些具體計算思維要素。我們的目標是傳授給學(xué)生基本的計算機核心知識，但是計算機科學(xué)作為一門(mén)學(xué)科包含了復雜的知識體系，并在不斷地發(fā)展和創(chuàng )新，需要確定哪些知識點(diǎn)能夠被定義為該課程教授的核心內容。
2）如何在學(xué)生尚未掌握任何一門(mén)編程語(yǔ)言的情況下實(shí)踐所學(xué)計算思維內容。大學(xué)計算機基礎課程所面臨的是大學(xué)一年級學(xué)生，除個(gè)別學(xué)生在入校之前有過(guò)編程經(jīng)驗，學(xué)生普遍沒(méi)有編程基礎。如何在缺乏編程實(shí)踐的前提下讓學(xué)生掌握計算思維是決定最終教學(xué)效果的關(guān)鍵問(wèn)題。
3）面向不同基礎和專(zhuān)業(yè)的學(xué)生如何體現不同的計算思維的教育和訓練內容。
1.2分類(lèi)教學(xué)、專(zhuān)業(yè)融合的教學(xué)內容設計
西北工業(yè)大學(xué)是一所以發(fā)展航空、航天、航海工程教育和科學(xué)研究為特色，以工、理為主，管、文、經(jīng)、法協(xié)調發(fā)展的研究型、多學(xué)科性和開(kāi)放式大學(xué)。不同專(zhuān)業(yè)對學(xué)生的計算機知識的要求不同，存在較大差異。相同專(zhuān)業(yè)學(xué)生之間的計算機知識也有較大差距，在這種情況下采用分類(lèi)教學(xué)是必要的。例如在程序設計課程中按照文、理科進(jìn)行分類(lèi)實(shí)踐教學(xué)，取得了良好的成效，積累了經(jīng)驗，但是在大學(xué)計算機基礎課程中尚未實(shí)施。此次以計算思維培養為核心的大學(xué)計算機基礎課程教學(xué)改革在教學(xué)內容設計上除按照文、理分類(lèi)外，還考慮到特殊方向和專(zhuān)業(yè)學(xué)生群體的較高計算機教育的需求，將教學(xué)內容分為4個(gè)方向：
�。�1）面向理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生；
�。�2）面向文管類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生；
�。�3）面向國際班學(xué)生全英文計算機教學(xué)；
�。�4）面向教育實(shí)驗學(xué)院卓越班。西北工業(yè)大學(xué)作為理工科重點(diǎn)院校，大多數學(xué)生都歸類(lèi)于方向（1）,以2013年數據為例，方向（1）約占62%，方向（2）約占17%，方向（3）約占4%，方向（4）約占17%。在確定每個(gè)方向學(xué)生教學(xué)內容時(shí)，遵循“兩個(gè)融合”的原則，將計算機基礎教育與計算思維培養融合，構建以計算思維能力培養為主線(xiàn)的非計算機專(zhuān)業(yè)通識教育；將計算機基礎知識與學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技術(shù)融合，在進(jìn)行計算機思維培養教學(xué)內容選擇時(shí)，注重計算機基礎知識與學(xué)生專(zhuān)業(yè)方向的融合度�！皟蓚�(gè)融合”的具體內容包括：（1）計算思維培養融合，是指將計算機科學(xué)中最具有基礎性和長(cháng)期性的計算思想教授給學(xué)生，側重使非計算機專(zhuān)業(yè)學(xué)生能夠領(lǐng)略計算的核心方法，學(xué)會(huì )如何把問(wèn)題轉化成能夠用計算機解決的形式，培養學(xué)生從本質(zhì)和全局來(lái)建立解決問(wèn)題的思路，為其今后的專(zhuān)業(yè)學(xué)習和應用計算技術(shù)打下堅實(shí)基礎。（2）專(zhuān)業(yè)技術(shù)融合，是指根據學(xué)生專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和需求，在計算思維培養融合的基礎上，動(dòng)態(tài)選擇課程內容，形成可定制教學(xué)模塊，實(shí)施分類(lèi)分層教學(xué)�！皟蓚�(gè)融合”原則體現了具有鮮明特色的非計算機專(zhuān)業(yè)大學(xué)計算機教學(xué)方案，形成了縱向分類(lèi)、橫向分層的教學(xué)內容。每個(gè)方向內容由基本理論知識層、計算思維融合層、專(zhuān)業(yè)融合層組成。以面向理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的方向（1）為例說(shuō)明各層的含義。
1）基本理論知識層。該層屬于計算機基本知識內容，包括基本概念和基本計算思維模塊，在介紹計算機軟、硬件的歷史和未來(lái)發(fā)展趨勢過(guò)程中貫徹計算機基本知識，包括二進(jìn)制、馮諾依曼計算機、圖靈機、計算復雜性等計算機重要基礎概念等。這部分內容比較近似于之前課程中計算機基本知識部分，但我們在教學(xué)改革中對其內容重新組織，從計算機重要的“分層”和“抽象”概念出發(fā)引導學(xué)生學(xué)習這部分知識，力圖讓學(xué)生領(lǐng)略到這些技術(shù)背后的基本計算思維內涵。通過(guò)學(xué)習計算機發(fā)展歷史，讓學(xué)生對整個(gè)計算科學(xué)發(fā)展有全局了解。
2）計算思維層。包括問(wèn)題求解方法和算法模塊，學(xué)生在學(xué)習了計算機重要基礎知識后，開(kāi)始深入學(xué)習計算系統底層具體思維和運行機制。這部分從系統和算法角度讓學(xué)生學(xué)習計算機解決問(wèn)題的方法，包括求解框架、典型案例的計算算法、具體思維過(guò)程和實(shí)現方法等，讓學(xué)生在計算思維較高層次討論計算機學(xué)科的根本問(wèn)題和思維方式，深入了解計算機的工作和運行機理。這一部分內容體現了本課程的計算思維培養目標。
3）專(zhuān)業(yè)融合層。最高層的專(zhuān)業(yè)融合層完成融合專(zhuān)業(yè)知識、提升學(xué)生在專(zhuān)業(yè)學(xué)習中應用計算思維的能力的任務(wù)。該部分從數據處理和網(wǎng)絡(luò )計算角度，讓學(xué)生領(lǐng)略到計算機目前最廣泛的應用模式，從而在自己的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域加以運用。這部分模塊屬于變化較大的模塊，目前仍然需要開(kāi)發(fā)和擴充大量與其他專(zhuān)業(yè)更為緊密相關(guān)的案例和應用模式。按照圖1所示，不同類(lèi)別學(xué)生在基本理論知識層內容是相同的，在第2層上，教育實(shí)驗學(xué)院學(xué)生所學(xué)的算法和系統內容更為深化和多樣，實(shí)現了差異化教學(xué)。在專(zhuān)業(yè)融合層，為理工類(lèi)和文管類(lèi)不同專(zhuān)業(yè)特色的學(xué)生設計了不同模塊內容。理工類(lèi)學(xué)生學(xué)習數據處理和計算網(wǎng)絡(luò )知識，而文管類(lèi)學(xué)生側重學(xué)習用計算機處理數據和利用計算知識研究社會(huì )關(guān)系等。
1.3兩階段培養、可視化計算思維實(shí)踐的實(shí)驗環(huán)節
一直以來(lái)，實(shí)驗教學(xué)通常是理論教學(xué)的輔助，和理論教學(xué)在章節內容上是對應的。但在我們的教學(xué)改革中將實(shí)驗課程和理論課程定位為“互補關(guān)系”，實(shí)驗課程具有相對獨立性，在內容中體現“兩階段培養”的實(shí)驗教學(xué)理念。第一階段實(shí)驗為計算機基礎知識實(shí)踐，包括Windows的使用、常用工具軟件的使用、常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò )應用等。此階段目標是培養學(xué)生對計算機基本操作技能和常用工具軟件的掌握；第二階段實(shí)驗是關(guān)于計算思維的實(shí)驗。這部分內容要求學(xué)生依據具體應用問(wèn)題設計程序，實(shí)現典型算法。兩階段培養中的第一階段目標就是要學(xué)生熟練掌握工作和學(xué)習中常用的工具類(lèi)軟件，為以后的學(xué)習和科研打下基礎。針對在本文2.1節中提出的第2個(gè)問(wèn)題，即此階段的學(xué)生尚未具備程序設計的基本知識和經(jīng)驗，我們認為，采用可視化編程工具是解決這一問(wèn)題的有效方法�？梢暬幊坦ぞ咧С挚梢暬�(Visual)程序設計，主要是讓程序設計人員利用軟件本身所提供的控件，構造應用程序的各種界面，可視化編程技術(shù)已經(jīng)成為當今軟件開(kāi)發(fā)的重要工具和手段。為此，我們在課程實(shí)驗改革中引入可視化編程工具Raptor，使得尚未具備編程基礎的大一學(xué)生能夠實(shí)施算法實(shí)踐和驗證。Raptor是一種可視化的程序設計環(huán)境，其將程序設計中的要素以圖形符號的方式展現，使得學(xué)生在不具備編程知識的基礎上可以實(shí)踐計算機中算法類(lèi)問(wèn)題。目前，它已經(jīng)在卡內基梅隆大學(xué)等世界22個(gè)以上的國家和地區的高等院校中使用。在實(shí)驗課程中設計了4個(gè)學(xué)時(shí)講解Raptor工具并要求每個(gè)學(xué)生至少課堂完成8個(gè)基本算法實(shí)驗任務(wù)。在實(shí)驗課之外，要求學(xué)生用Raptor完成算法類(lèi)大作業(yè)并撰寫(xiě)實(shí)驗報告，以綜合訓練學(xué)生解決算法類(lèi)問(wèn)題的能力。教學(xué)過(guò)程和最后的調查結果表明，引入算法類(lèi)可視化工具有助于實(shí)驗教學(xué)取得良好效果。
2改革實(shí)踐和總結
在2013—2014學(xué)年，我們將改革后的教學(xué)內容對部分理工類(lèi)班級開(kāi)展了試點(diǎn)教學(xué)，試點(diǎn)專(zhuān)業(yè)涉及材料、自動(dòng)化、電子信息專(zhuān)業(yè)等，在課程末期分別針對任課教師和學(xué)生做了教學(xué)效果調查,調查結果表明教學(xué)效果基本達到預期教學(xué)目標。教師普遍感受為所帶課程的難度和以往課程內容相比備課較難，但課堂氛圍較好，內容受到學(xué)生關(guān)注，尤其實(shí)驗環(huán)節引入了Raptor可視化程序設計工具，課堂氛圍活躍，學(xué)生的學(xué)習興趣和積極性較以往有大幅提高。部分學(xué)生調查結果如圖2和圖3所示。圖2是學(xué)生對計算思維認識的調查結果，顯示出大多數學(xué)生（達到60%以上）理解了計算思維的概念，認識到計算思維和計算機基礎課程的重要性，不僅僅只是學(xué)習工具應用，而是對今后理解和掌握計算機應用技術(shù)奠定基礎，從無(wú)意識地應用計算機解決問(wèn)題到有意識地培養自己的計算思維思想。圖3為調查學(xué)生認為教學(xué)內容中哪部分收獲最大，19%的學(xué)生認為計算思維有最大收獲，居第二位置，說(shuō)明這部分的學(xué)習為培養優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng )新能力打下了良好的基礎。
3結語(yǔ)
通過(guò)教學(xué)改革，對比教師和學(xué)生的調查結果以及結合其他調查結果分析，我們總結了經(jīng)驗與不足。首先，計算思維是培養學(xué)生創(chuàng )新能力的重要方面，這在大學(xué)生全面素質(zhì)教育和能力培養中承擔著(zhù)重要職責，教學(xué)過(guò)程和調查反饋顯示出課程改革的必要性和方向是正確的，受到了大多數教師和學(xué)生的認可；其次，該課程改革具有適應和完善過(guò)程，從事該課程教學(xué)的教師需要不斷地深化對計算思維的理解以及對典型案例的合理選擇，并且要解決在課時(shí)少的情況下，如何有效組織教學(xué)內容，科學(xué)兼顧內容的廣度和深度；最后，本次教改中出現的不足之處表明，今后的工作還需要繼續推動(dòng)基于計算思維的大學(xué)計算機基礎教材建設，進(jìn)一步探索計算思維的培養方式。
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