原创《以计算思维为核心的计算机基础教学改革和实践》
该文是关于计算机基础函授毕业论文范文与思维和计算机基础和教学改革方面学年毕业论文范文。
以计算思维为核心的计算机基础教学改革与实践
曾?一,刘慧君,李?杰,杨瑞龙,陈恒鑫,古?平,朱庆生
（重庆大学 计算机学院,重庆 400044）
摘?要：计算机基础课程教学改革应该以提高学生的计算机文化素养、计算机应用能力、创新实践能力为目标.文章通过讨论如何以计算思维为核心构建教学体系、以计算思维为导向开展教学改革,并结合作者所在学校的计算机基础教学的改革和实践,说明以计算思维为核心的教学改革的思路和做法.
关键词：计算机基础；教学改革；计算思维；创新实践能力
1教学改革的背景
在教育部计算机基础教学课程指导委员的引领下,经过持续改革与建设,全国高校在计算机基础教学方面取得了许多成果,但正如教指委在《大学计算机基础课程教学基本要求》中指出的,大学计算机基础课程仍然存在4个方面的共性问题：①对于作为通识类课程的地位没有足够的认识；②课程的基本内容不够稳定；③基础支撑作用体现得不够充分；④教学水平的质量评价体系有待改进.
另一方面,全国各行各业对计算机的应用需求越来越广泛和深入,主要表现在3个方面：①驾驭计算过程的能力已经从计算学科转变为各专业的大众计算共性需求；②抽象、建模、求解、优化、可视化等方法和技能已成为跨专业的计算共性需求；③将计算过程与专业应用需求相融合已成为大学生在本专业的学习、工作、研究、协作、应用、创新、创业等方面的必备能力.
计算思维的提出[1] 和进一步阐释[2]以及以计算思维为切入点的计算机课程改革[3],给计算机基础教学的改革带来了新的机遇和挑战.计算思维的含义是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计,以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动,其本质是抽象和自动化,即按照计算机求解问题的基本方法考虑问题的求解,以便构建出相应的算法和基本程序.
重新审视计算思维的内涵与外延,计算思维的能力培养能够高度概括和体现高校计算机基础课程教学的培养目标,计算思维能力不仅能够在不同层面体现学生具备的计算机文化和信息素养,而且能够反映学生运用计算机分析、解决本专业实际问题的核心能力.
2教学改革思路
计算机基础教学改革的首要任务就是厘清改革的思路,不断建立和完善与社会发展和技术进步相一致的教育理念；其次是设计具体的改革方案,然后在改革方案的框架下实施；最后评估改革的效果,逐步逼近改革目标.
师资队伍是提高教学质量的重要保证.要进行教学改革,必须要有一个强有力的教学团队作为支撑.特别是在当前新工科建设的背景下,应该加强师资队伍建设,对于非计算机专业的计算机基础教育,建立专互补管理机制,融入非计算机专业的教师,发挥非计算机专业教师的学科优势,加强计算学科知识和其他学科知识相互融合,树立以人为本、因材施教、培养能力、服务专业、面向应用的教育理念,针对专业需求和学生学习需求开展教学工作,为提高非计算机专业学生在本专业的计算机应用能力提供有效的师资保障.建设优秀的教师队伍不能一蹴而就,要在教学改革中建设,建设中提高.
计算机基础教学改革实际上是一个系统工程,主要涉及课程体系、支撑体系和能力目标体系3个主要方面.课程体系的改革主要是针对课程的内容、要求和对象；支撑体系的改革主要关注对课程的教学过程以及活动的保障和支持,以满足学生线上线下、课内课外的学习与探索、协作与创新；能力目标体系的改革则主要根据不同学校人才培养要求、专业需求、社会发展和个人学习需求设计不同的能力级别和要求,其能力目标的达成则需要课程体系、支撑体系和教学方法与教学模式相互配合和支持.
因此,计算机基础教学改革应该构建一个包括课程体系、实践支撑体系、能力目标体系的教学体系.在该教学体系下,不仅可以实现优质教学资源的共享、教学活动的监督与管理、教学水平的有效提高,而且可以提升学生的计算思维能力、计算机应用能力、创新实践能力.该体系应该以课程体系为龙头,通过实践支撑体系支持整个教学过程,支持教学方法的改革和教学模式的创新,实现学生计算机应用能力的不断提升.课程体系需要根据学校人才培养要求设置不同层面的计算机基础课程,制定不同层次的计算机应用能力培养目标,使得学生既能够在理论方面得到提高,也能够在实践创新方面得到锻炼,从而使得能力培养目标逐步递进,最终实现学生的计算机应用和创新实践能力的提升.
教学改革的落脚点是在课程的具体建设和实施层面,以课程建设为抓手,制定具体改革措施,使改革落到实处.教学改革必须转变教育思想,探索教学方法,创新教学模式,在面向非计算机专业的计算机基础教学时,要研究和探索新的教学方法和模式,使学生更容易理解和掌握计算机基础教学的内容,重视运用计算思维解决问题的能力培养[4],将计算思维融入解决本专业的计算机实际应用问题中,提高学生的计算机应用能力和创新实践能力.
教学改革实践中,必须注意课程体系、支撑体系和教学方法手段三者之间的相互融合,还必须将计算思维与课程知识、技术、方法相融合,将计算思维与教学方法、手段、过程相融合,计算思维与学生自主学习、科技活动、研究协作、创新创业相融合.从引入计算思维概念,到强化计算思维训练,再到深化计算思维应用,将理论与实践相结合,将计算机与专业应用相结合,实施教育部课指委 “分层分类”的教学原则,实现分层次的计算机应用能力的逐次递进式发展和提高[5].在实施过程中,还应该充分利用现代教育支撑技术和手段,将教学与数字化、过程化管理紧密结合,促进学生自主学习,使得教与学能够得到有效的结合.
总而言之,教学改革要能够达到提高学生的计算机应用能力、创新实践能力的目的,要服务于培养适应社会发展需求的优秀高级人才的最终目标.
3教学体系构建
根据计算机基础课程教学改革的基本思路,构建一个以计算思维为核心的计算机基础教学体系,如图1所示.
该教学体系主要包括课程体系、实践支撑体系和能力目标体系3个方面.
1）课程体系主要包括一系列计算机基础课程,课程和内容的设置按照大学人才培养目标和要求进行.第一层是基础知识层,课程面向大学一年级,要求掌握计算思维的概念、计算机基础知识、基本概念、工作原理,学会基本应用软件；第二层是程序设计技术层,在学生具备第一层面的基础上,可开设若干程序设计课程,如C程序设计、C++程序设计、VB程序设计、Ja程序设计、Python程序设计等,要求以计算思维为核心,掌握设计程序解决问题的基本方法、技术和过程；第三层是专业应用层,在学生具备程序设计的基础上,开设若干面向专业应用的课程,如数据库系统和应用、管理信息系统、计算机硬件技术基础、计算机监督与控制以及计算机辅助设计等,将计算思维的训练进一步深入,要求掌握利用计算机软件和硬件等技术解决专业相关问题的方法和过程；第四层是兴趣拓展层,面向大三或大四的学生,开设若干学生感兴趣的技术应用类课程,如网络编程、游戏制作、图形图像处理、大数据和云计算等,进一步拓展学生的思维,培养学生的创新意识和能力.
2）实践支撑体系要为课程体系所有教学活动提供必要的、有效的支撑.主要包括教学团队的组建、实验室与实验环境的建立和完善、教学过程的监督和管理以及学生科技活动和创新研究的指导与咨询.其中,教学过程的监督和管理尤为重要.目前,随着数字化、网络化教育教学的不断深化,大学计算机基础教学的数字化、网络化教学和过程管理已经成为基本要求.因此,实践支撑体系中需要引入相关的计算机网络化教学系统如EOL、Sakai、Moodle等,基于移动终端的师生课堂互动平台如蓝墨云、雨课堂等,以及国家精品资源共享课程平台等,这些支撑体系不仅可以共享数字化教学资源,还可以实现教学的有效管理和监督,也有利于积极开展新的教学模式、教学方法的改革、研究和实践.
3）能力目标体系的建立首先应该按照课程教学要求确定,其次应该按照循序渐进、逐步提高的原则确定其具体目标.因此,能力目标体系与课程体系相对应,也分为4个层面：第一层以计算思维为导向,培养学生的信息素养和计算机的基本使用能力；第二层培养学生的计算思维能力和利用计算机进行基本计算的能力；第三层深化计算思维,培养学生利用计算机解决专业相关问题的基本能力；第四层拓展计算思维,培养学生合作、研究、创新的意识和能力.
实际上,教学体系的构建对于计算机基础教学的改革十分重要,它不仅可以为计算机基础教学的改革提供一个总体策略和框架,也为具体的教学实践提供明确的路径.一方面,课程体系通过实践体系的有效支撑才能达到课程的教学目标以及学生的计算机应用能力目标；另一方面,将学生的计算机应用能力目标分解为4个层面,与课程层次相对应,这符合学生的认知规律,有利于学生通过不断学习改进和提升计算思维能力,逐步提高计算机应用能力.
4教学模式与教学方法改革与实践
虽然计算机基础教学体系的构建为计算机基础课程的教学改革提供了重要的基础框架,但是,要想取得良好的教学效果,达到预期的教学目标,还需要以不同层次的具体课程为载体,紧紧围绕计算思维的本质和核心,创新教学模式,改革教学方法和手段,并在教学过程中不断完善.其中,网络化教学平台是教学模式、教学方法和手段改革与实践的重要保障.因此,计算机基础教学改革的基本策略是首先建立技术支撑平台,在此基础上进一步开展教学模式与教学方法改革与实践.
4.1构建网络化教学支撑平台
构建网络化教学支撑平台能够实现网络环境下的课程教学、教学过程监督和管理、教学资源共享、师生课上课下互动等.技术支撑平台要为实施教学模式、教学方法和手段改革提供必要的支持,使得教学模式、教学方法和手段的改革能够以计算思维为导向顺利展开实施.网络化教学支撑平台与教学模式和教学方法的关系如图2所示.
网络教学平台可以选择Sakai系统,该系统既可以建立网络课程教学站点,也可管理课程的教学过程,实现教学资源的数字化管理和教学过程的数字化管理.借助于Sakai系统,可以构建课程的“课程资源共享站点—课程教学班站点”的两级站点架构模式[6],“课程资源共享站点”用来实现教学资源共享,所建资源可以是课程大纲、课件、课程应用案例、课程重难点微视频、学生作品、课程软件下载包、软件工具使用说明、课程参考资料、助教工作流程和要求、试卷样例以及课程的各种教学和管理要求等；“教学班站点”则由任课教师创建,实现个性化教学,对关键教学活动和过程进行监管,教师活动主要包括个性化课程资源建设与更新、教学讨论、答疑、推送课程预习资源、作业布置、作业批改等；学生活动包括作业提交、资源访问、提问、讨论等.通过制定基于Sakai网络教学平台的实施与评价细则,进一步规范计算机基础课程的教学过程,实现课程教学的过程监管.另外,在Sakai系统中还可以添加国家级、省部级精品课程资源的链接,指导学生的进一步自学.
基于移动终端的师生课堂互动平台则是为进一步促进教学效果的改善、满足学生线上线下自主学习的需求而建立的.在课程的教学过程中,为了提供课堂师生应答新手段,调动学生学习积极性,优化课堂教学互动机制,提高互动效率,可以构建基于无线网络移动终端的课堂应答系统[7]或基于移动终端的师生课堂互动平台,如蓝墨云、雨课堂等,实现课堂点名、问题应答、分组讨论、授课效果反馈、课程评价等功能.通过该系统,教师在课堂上把学习内容分解成一系列的教学问题,每个教学问题引发一个“互动微循环”,形成课堂互动场景,师生课下还可以继续利用该平台开展问答、讨论、咨询和指导等教学活动.
4.2网络化教学背景下教学模式和教学方法改革
网络教学支撑平台的建立,为计算机基础教学模式和教学方法的探索、改革和实施提供了广阔的空间,在教学体系所确定的课程中,可以分层次开展教学方法与手段的研究、改革与实践.在不同层次的课程中,探索实施研讨式、案例式、任务驱动式、MOOC+翻转课堂、SPOC+翻转课堂、“三段+互动微循环+创新共享”互动协作、线上线下互动、科技活动+技术指导等教学方法和手段的相互融合,将计算思维的概念、方法、过程融入课程的教学过程中,激发学生的学习积极性、自觉性、主动性、创新性,寻求适合于不同团体的个性化教学方法,获取满意的教学效果,使学生能够达到应用计算思维解决本专业的实际应用问题的目的.
1）融入计算思维概念的研讨式教学方法.
在第一层次的课程中,引入计算思维概念,采用研讨式教学方法.该方法结合计算机文化、发展、研究热点以及计算机应用等选择研讨课题,分小组协作完成资料查找、PPT制作、成果展示、课堂讨论、自评互评等研讨式教学环节,激发学生的学习兴趣.
2）培养计算思维能力的层次式案例教学方法.
针对第二、三、四层次课程的特点和教学难点,按照由简到难的原则设计4种不同层次的问题和案例：知识导入型案例、知识点认知型案例、综合认知型案例、自主提高型案例.针对不同案例的特点,以计算思维为导向,设计3种教学方法：案例分析法、案例讨论法、案例验证法,逐步提升学生的计算思维能力.
3）“三段+互动+共享”的互动协作教学方法.
在所有层次的课程教学过程中,构建课前、课中和课后的“三段式”一体化教学过程,借鉴“微课”和“翻转课堂”的教学理念,如MOOC+翻转课堂、SPOC+翻转课堂,充分利用网络化教学平台、基于移动终端的课堂互动平台,共享教学资源,实现课前预习、课中互动、课后协作交流和创作成果分享的教学方式,培养学生的自主学习能力.
4）课内外相结合的协作教学方法.
充分利用所建教学支撑平台,开展课堂内外、线上线下、自主协作、研究创新的教学活动,采用应用问题引导、计算任务驱动、科技活动+技术指导等教学方法和手段,教师主要承担指导作用,在指导学生解决问题、完成任务、创作作品的整个过程中,将计算思维贯穿其中,进一步提升学生的计算思维能力、自主学习能力、团队协作能力和创新实践能力.
5）体现能力为优的多元化考核评价方法.
在计算机基础教学改革过程中,不仅要有完善的教学体系、良好的教学方法,还应该建立合理、有效、实用的评价方法.如何在课程教学中对学生的学习效果进行评价和考核是值得深入研究的课题.研究与实践表明,开展对学生的多元化考核是一种值得尝试的方式.通过对不同课程设置若干关键教学活动和考核点,可以达到对学生计算机应用能力的评价.如分组研讨、实验、大作业、作品创作、参赛获奖、科研项目、理论考试、上机测试等,都可以作为对学生学习效果的评价内容.在不同层次的课程中,综合考量这些考核内容,既可以促进学生的学习自主性、自觉性、积极性和创新性,也可以客观、合理、有效地评价学生的“基本使用能力”“基本计算能力”“基本应用能力”“协作创新能力”.
6）计算思维教学活动的进一步延伸.
计算思维概念的建立和计算思维能力的提高,不能停留在计算机基础课程本身的教学过程中,还需要得到进一步的延伸和拓展.实际上,在学生的专业应用问题解决、科研项目、科技竞赛、作品创作等许多活动中都需要给予及时的指导,因此,有必要建立计算机科技活动咨询指导中心,这种机构既可以使计算思维在学生自主学习、协作研究的过程中得到延伸,也可以营造创新氛围,强化创新意识,为学生的创新能力的提高提供必要的支持.这种机构可以由经验丰富的教师、优秀的高年级学生、研究生组成,通过网络教学平台、基于移动终端的互动平台建立.
5结?语
面向非计算机专业的计算机基础教学具有量大、面广的特点,要开展教学改革,首先面向全国同类高校开展调研,然后根据自身人才培养要求和学生特点做出良好的规划,制订改革方案,最后通过实践加以验证、评价和完善.在规划中,构建面向非计算机专业、以计算思维为核心的计算机基础教学体系是改革的重要环节,而以网络化教学环境为支撑的教学方法的实践则是检验教学效果的另一个重要环节.
重庆大学近几年开展的以计算思维为核心的计算机基础教学改革与实践结果表明,所建立的“课程—环境—能力”三维立体化教学体系,以及开展的以网络化教学平台为基础的教学模式和教学方法的探索和改革,都取得了令人满意的效果,无论是教学效果还是学生的计算机文化素养、计算思维能力、计算机应用能力和创新实践能力,都达到了学校人才培养的目标.据不完全统计,近5年重庆大学非计算机专业的学生结合专业应用和实际应用,运用计算机相关技术完成毕业设计论文914份,其中校优秀论文41份；完成SRTP项目253项、国家级大学生创新项目55项、国家级大学生创业项目57项；获得中国大学生计算机设计大赛获奖37项,获中国大学生计算机设计大赛重庆市级赛获奖45项,获奖人数逐年递增.2016年学校还获得“中国大学生计算机设计大赛全国优秀组织奖”.
但是,计算机基础教学的改革是一个系统工程,需要各方的支持,其改革之路还很漫长,还有许多问题需要解决.尽管如此,以计算思维为核心的对计算机基础课程的改革仍将继续.
参考文献：
[1]Jeannette M.Wing. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM, 2006, 49(3): 33-35.
[2]教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会. 计算思维教学改革宣言[J]. 中国大学教学, 2013(7): 7-10.
[3]蒋宗礼. 计算思维之我见[J]. 中国大学教学, 2013(9): 5-10.
[4]大学计算机基础教育改革理论研究与课程方案项目组.大学计算机基础教育理论研究与课程方案[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2014.
[5]曾一, 刘慧君.计算机基础系列课程分层分级分类的改革与建设[J]. 计算机科学, 2013(5A): 1-3, 11.
[6]郭松涛, 曾一, 刘慧君. 基于Sakai系统的“大学计算机基础”课程网络学习的教学实践[J].计算机科学, 2013(5A): 57-59.
[7]杨瑞龙, 朱庆生, 张敏, 等. 集成课堂互动教学系统的设计与实现[J]. 现代教育技术, 2015(5): 115-120.
（见习编辑：田?原）
计算机基础论文参考资料：
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