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《以计算思维为导向的大学计算机基础教学改革》

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以计算思维为导向的大学计算机基础教学改革

金?莹,陶先平,张?莉,张?洁,陶?烨

（南京大学计算机科学与技术系,江苏南京 210023）

摘?要：分析大学计算机基础课程目前面临的主要问题,提出行之有效的解决方案,阐述如何以计算思维能力培养为核心凝练教学内容,介绍课程体系的构建方案,说明具体实践中的教学效果.

关键词：计算思维；大学计算机基础教学；教学改革；教学体系；教学内容；教学形式

1计算机基础教育面临的现状

1.1计算机应用的专业分布广,但需求差异大

随着计算科学本身在各领域应用的快速扩张和深入应用,不同专业的人才培养都对其提出更高的要求,但专业需求差异较大.随着计算机辅助设计技术的不断发展,建筑、艺术及部分文科院系将更多的设计理念和应用转移至计算机平台上,因此对计算机设计有着较高要求.法学、商学等专业则由于数据库技术的不断完善及近年来大数据带来的巨大优势,提出在计算机应用分析方面的迫切需求.传统的理工科专业为适应智能制造、自动控制、数值模拟和数学计算的产业和科研人才需求,在进一步加强学生对相关软件的应用能力培养的同时,始终强调编程能力以及软件工具的开发和持续的改进创新能力.

1.2学生个体差异大

尊重个体差异,因材施教,满足个性化人才培养是现代教育面临的一大难题,然而实际情况是,由于多数高校基本是面向全国招生,环境、兴趣和性格的差异导致学生个体从入学基础到对知识的转化程度、能力的提升程度、创造力的发挥程度,以及个人对计算机领域不同方向的需求都各有不同,且可能有较大的差异.

2计算机基础教学存在的问题

通过调研发现,目前国内高校计算机基础教育的教学目标大致分为工具培训类、人文引导类、程序设计类等,并未能有效对应不同专业需求建立起系统而有针对性的课程体系,全面兼顾计算机基础教育的通识特性和专业需求的差异问题,特别是缺乏有效的顶层设计.具体而言,在教学过程中显现的问题如下.

2.1局限于工具的使用

以具体软件工具培训为目的的教学过于具体化,使得学生过于专注具体软件的用法,而不能找出软件使用的通用性,更无法探寻出软件发展的规律.目前的软件工具发展速度很快,常用的软件工具面临着不断升级更新,学生无法适应这种快速的软件更新换代；新的软件也层出不穷,学生对于新工具往往会产生畏惧心理,使用时无从下手,不能有效地扩展和迁移所学的知识.教师也会陷入在上课时选择何种版本软件施教的尴尬境地.

2.2盲从热点

计算科学及计算机软硬件技术的迅猛发展,使教育始终落后于发展,而一味地追求最新的技术和知识会使教师备课压力过重,在不变的教学课时下很难完成原本基础内容和不断增加的新内容,也会给学生的学习造成压力和困扰,使得学生对内容消化不足,较难把握重点内容.即便在课堂上学到了最新的内容,由于计算机技术仍然在飞速发展,学生今后应用时需要面对更多、更新的内容,没有对技术背后本质规律的认知和发展的眼光,没有包括自学能力、应用能力、转化迁移能力、计算思维能力等的支撑,仍然无法适应时代的要求.

2.3不能贴近专业的需求

各领域都需要使用计算机,但应用的方向、侧重、程度并不相同,一套教学方案应对所有专业的学生显然不符合现状要求.从事计算机基础教学的教师多数是计算机专业出身,对各专业的应用理解并没有专业课教师深入,且计算机基础教学通常面对的都是大一、大二的学生,他们对专业领域的接触也只是皮毛,因此贴近专业需求把握计算机在各领域应用的共性,同时兼顾专业人才培养的倾向性,让学生学有所得,在学习的过程中就能充分意识到学习的必要性.

2.4教学形式单一化

多数计算机理论课程仍然采用“教师讲、学生听”的授课模式,实验课采用“学生上机操作、教师或助教现场答疑”的方式.随着很多学校人才培养计划的变动,实验课被安排在课外完成,在没有建立有效的交流和监管机制的情况下,会导致教师无法对学生学习情况进行准确把握,而在课堂授课时,加剧单方面灌输的被动学习,往往教师在台上唱“独角戏”,学生的主观能动性无法被有效调动,从而无法达到教学目标,但随着慕课、翻转课堂等新教学形式的提出,相关教学平台和手段的问世及不断完善,这一局面正在发生改变.

2.5难以实现因材施教

由于各种差异的存在和个性化培养需求的客观存在,如果不对课程内容和形式进行改进,仅采用传统的方式只能兼顾一般性要求,无法实现个性化的,因材施教难以真正实现.部分院校由于师资力量不足,计算机基础课程多采用大班授课的形式,导致因材施教更加难以施行.如果能将内容与形式有效结合,利用先进的技术平台和手段,配以充足的资源,因材施教就不再成为困扰教师的难题.

3解决问题的方法

3.1完善知识结构,构建教学体系

计算机基础课程受众广,目前零基础的学生已经很少,但基础的差异却越来越大.多数学生已有的知识和技能往往是为了解决单个问题而获取,且多集中在应用层面,如对硬件熟悉、对某些应用软件操作娴熟、对网络很感兴趣,因此多以知识碎片和技能孤岛的形式存在.通过计算机基础课程内容和结构的修订,帮助学生有效地进行知识补充、串联、梳理和建构,进而形成体系,打好基础,从而支撑未来更广泛的应用需求.

3.2抓住计算本质,结合专业需求,打造教学内容

信息技术的飞跃式发展使计算机基础教学内容疲于跟进,内容不断膨胀,而课时有限,矛盾凸显.教师应抓住计算的本质和规律,以计算思维能力培养为核心,凝练出“微内核”结构的教学内容,根据不同专业制订教学大纲,配套契合的教学案例,安排合理的实验内容,使其具有较好的兼容性、适应性和可扩展性,以寻求解决这一问题的根本途径.

3.3建设平台资源,丰富教学形式

个体基于专业应用和兴趣爱好的需求性差异很大,而传统的教学形式使因材施教难以真正施行,可以通过引入MOOC、翻转课堂等先进的教学手段,选择和制作大量的教学资源,并提供各种参考资料及进一步探求知识的方法,购买或开发教学平台和考试练习系统,对于实验教学则以项目设计为驱动,突出学生学习的主体地位.

3.4举办各种活动,创造良好氛围

除了课堂教学外,如果没有及时有效的应用和对新技术的切实体验,就很难巩固学生对所学知识的掌握,特别是对于学生所处的相对集中化的教育阶段.在多年的不断学习中,有的学生会偏离最基本的学习目标,沦为学习“傀儡”,为学而学,单纯应付考试,不知学有何用.因此,通过不定期的课外讲座和一年一度的“计算机教育周”活动,为学生创造一个良好的学习、竞争、感受、交流氛围,以每年信息技术领域的热点为主题,开展系列活动,深化学生对知识的理解和对技术应用的程度.

4具体解决方案

计算科学已经和理论科学、实验科学并列成为推进社会文明进步和科技发展的三大手段,与之对应的是三大科学思维：理论思维、实验思维与计算思维,计算思维是人类科学思维活动固有的组成[1].多年的教学经验和调查研究结果[2]表明,通过计算思维能力的培养可以从上层统一不同专业和受教育者个体的需求差异,成为大学计算机教育的终极目标.具体的做法是以计算机系统理论为内容标准,以计算思维能力培养为核心凝练教学内容,帮助学生有效地完善知识结构、构建知识体系,同时结合专业需求调整教学大纲中的内容重点、建设教学案例、设计实践内容；既考虑到计算机基础课程的通识课程定位,满足通识教育的特点“超越学科界线、拓宽专业基础、优化知识结构”[3],又能够满足不同专业的差异化需求.

围绕计算思维能力培养,在课程体系架构上,从通识教育课、新生研讨课、计算机入门课、计算机技术应用课4个方面,建立完善的课程体系,如图1所示.

其中,计算思维导引是通识教育课程,面向全校新生讲授高级算法设计思想和技术.在各专业平台课程群中,为适应不同专业学科的人才培养开设相应的课程,包括为匡亚明院、电子学院、数学系等类计算机专业开设程序设计基础课,为理工科专业开设C语言程序设计课,为医学、建筑等专业开设VB程序设计课,为文科开设Python程序设计课等平台课程,为全校非计算机专业开设大学计算机应用、大学计算机信息技术等平台课程.在各专业选修课程群中,开设数据科学与大数据分析、高级数据处理技术、信息安全、计算与思维、用Python玩转数据等面向文理科的高级应用技术课程.

教学内容上,将学生已有的知识碎片和技能孤岛进行有效地补充、串联,梳理成知识体系,挖掘各种应用背后不变的思想和规律,在有效实现知识建构的同时,潜移默化、自然而然地培养学生的计算思维能力,并通过与专业结合的案例驱动不断经由实践和应用内化为一种基本的思维习惯,以此让身处在计算和数据时代的学生能将计算的思想、技术、方法和知识与专业研究、职业需求及创业梦想有机结合,以支撑其未来可能面对的各种发展变化和应用需求.因此,基础课的大纲在计算思维微核心保持一致的基础上与专业契合,在教学案例、课程实践和应用设计上嵌入式区分,分层次教学.与专业结合的计算思维微核心结构如2所示.

以计算思维为微内核凝练的教学内容,改变了关于计算机“狭义工具论”的观点,使课程更好地定位于通识基础,辅以各种教学手段,具有很好的兼容性、适应性和可扩展性；摆脱浅层技能培训、疲于表面更新的窘境,通过MOOC、微课提供丰富的教学资源,结合线上线下知识来源的多样性,弥补学生的差异,增强课程的可扩展性.翻转课堂充分发挥学生的主体地位,将教学内容通过具体的应用场景进行表达,加强学习的深度；加强实践环节,使知识水平、能力、思想认知都得以提高,采用团队形式完成具有一定难度和规模的课程设计,并挖掘优秀作品参加各级竞赛,增加学生学习提升的机会,且通过团队合作和团队竞争,培养学生的大局意识、协作精神和服务奉献精神；通过教育周活动拓展课堂内容,围绕每年的热点展开,通过讲座、竞赛、项目体验等各种活动了解最前沿的科技、社会对计算机应用人才的需求、毕业后如何运用计算机知识和技能在职场打拼、怎样更好地学习计算机等.

此外,在厚基础、重实践的同时,通过举办计算机教育周活动将计算机基础课程的内容从教室延伸至校园,将计算机应用人才的培养从大学引向社会.教育周一般以当年的计算机热点为主题,通过学术界、企业界的各种报告,数据处理、信息安全、程序设计等各项赛事以及前沿科技的体验活动对课堂延伸,扩展思维,启发创新,在校园内掀起计算的热潮,营造从基础学习到发展创新的氛围.

5教学效果

本教学方案从2010年开始调研论证,经过尝试和完善,从2013年开始在南京大学正式全面实施,学生对以计算思维为导向的教学体系、内容及翻转课堂、教育周、MOOC等形式都非常认同.

教师和课程获得了较好的评价,如“教学内容非常好,把抽象的计算机基础用贴近生活实际的例子讲得生动可感；课件设计特别好,详略得当,且内容丰富；注重对计算机思维与能力的培养”“上C语言的课不仅仅是为了拿到必修的学分,更是为了领略编程、算法的乐趣”……近5年来,团队教师的上课平均分为4.87分（总分5分）.在课程体系中对实践教学非常重视,组织学生以团队方式结合专业兴趣选择项目,并进行实战开发,要求每位学生至少完成200行的代码,使得学生既得到锻炼,又完成具有实际应用价值的作品,在成就感的驱动和教师的指导下不断改进完善自己的作品.采用以赛促教的形式,通过答辩评选和推送优秀作品参加中国大学生计算机设计大赛,近5年来获得一等奖2项、二等奖7项、三等奖10项.学生在竞赛中不仅学到了更多的知识和技能,还培养了团队协作互助的精神.此外,建立了较为完善的教学助理（TA）机制,通过助教选拔、工作职责的制度化,与教师教学的深度配合,学生与课程、学生与学生、高年级学生与低年级学生、教师与学生之间形成了完整的教学多节点互通模式,借助于学习平台、社交平台等实现课内与课外、线上与线下的互联与互通,借由计算机教育周中数十场报告、竞赛、体验等活动扩展课堂、启发创新,全方位保证实践教学效果的提升.

6结?语

以计算思维能力培养统一专业需求的差异,建立完善的信息技术课程体系；课程内容围绕计算思维微内核,与专业结合制订大纲、设计案例、实践应用；课程形式多样化,MOOC、翻转课堂、课内外实践训练相结合,对课程内容和形式进行有效设计,实践内容与学科竞赛相结合,举办集讲座、竞赛、新技术体验等于一体的教育周活动等,全方位、多角度地为学生提供计算机基础教学.实践证明,本套教改方案适应于当下人才培养的需求,有助于培养学生以计算思维为基础、与专业相结合的创新意识和创造能力.

参考文献：

[1]朱亚宗. 论计算思维: 计算思维的科学定位、基本原理及创新路径[J]. 计算机科学, 2009, 36(4): 53-55.

[2]李廉. 以计算思维培养为导向?深化大学计算机课程改革[J]. 中国大学教学, 2013(4): 7-11.

[3]黄维. 打造有灵魂的本科教育[N]. 文汇报, 2006-09-13(6).

（编辑：宋文婷）

计算机基础论文参考资料：