魯強(qiáng)

摘要：大學(xué)新生通常不能對計(jì)算機(jī)學(xué)科從整體上進(jìn)行認(rèn)識，難以建立起各個(gè)理論之間的關(guān)聯(lián)。文章針對以上問題，對計(jì)算思維導(dǎo)引課程中的相關(guān)案例進(jìn)行討論，闡述如何實(shí)施課程方案，具體介紹授課內(nèi)容及方式，說明課程效果并提出改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；新生研討課；計(jì)算機(jī)導(dǎo)論

0引言

計(jì)算思維、數(shù)學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)思維是科學(xué)思維體系下的3種認(rèn)識事物發(fā)現(xiàn)規(guī)律的方法。計(jì)算思維的重要性引起廣大教育工作者的重視，國內(nèi)已有相關(guān)學(xué)校開設(shè)了相關(guān)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，或者以計(jì)算思維為指導(dǎo)思想的課程群。對于新生來講，一味地灌輸“計(jì)算思維”相關(guān)內(nèi)容，可能會引起其迷惑，這是因?yàn)樗季S以感知為基礎(chǔ)又超越感知的界限來探索與發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)部本質(zhì)聯(lián)系和規(guī)律性。思維是認(rèn)識過程的高級階段，新生對于什么是計(jì)算機(jī)科學(xué)還沒有感知和認(rèn)識，也就無從體會“計(jì)算思維”了。

計(jì)算思維導(dǎo)引新生研討課的開設(shè)并不是替代已有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，而是作為已有課程的必要補(bǔ)充。通過案例來培養(yǎng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)科學(xué)的感知，幫助學(xué)生理解計(jì)算機(jī)學(xué)科體系及課程結(jié)構(gòu)。授課過程中，強(qiáng)調(diào)案例應(yīng)用與課程理論的映射，強(qiáng)調(diào)各理論的“輸入輸出”環(huán)境，強(qiáng)調(diào)專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)。通過課程的實(shí)施來培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的興趣，幫助學(xué)生初步建立起計(jì)算機(jī)學(xué)科知識框架，以助于其更好地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程。

1課程目標(biāo)及意義

計(jì)算機(jī)教學(xué)大綱中有計(jì)算機(jī)導(dǎo)論和大學(xué)計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)兩門課程，分別對計(jì)算機(jī)和非計(jì)算機(jī)專業(yè)新生進(jìn)行計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)知識的入門介紹和講解。由于這兩門課程均是從計(jì)算機(jī)專業(yè)知識角度進(jìn)行內(nèi)容覆蓋式教學(xué)，而計(jì)算機(jī)科學(xué)里的思維方式與新生以前熟悉的數(shù)學(xué)抽象思維和物理實(shí)驗(yàn)思維方式有很大不同，從而導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生對此門課的內(nèi)容是“知其然，不知其所以然”，學(xué)生不能理解和掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)研究與工程實(shí)踐中的基本問題以及后續(xù)專業(yè)課程在計(jì)算機(jī)科學(xué)體系中的地位。

計(jì)算思維導(dǎo)引新生研討課的開設(shè)是為了突破現(xiàn)有計(jì)算機(jī)導(dǎo)論性質(zhì)課程的困境，通過研討課形式讓學(xué)生能夠理解計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展脈絡(luò)，了解其中的關(guān)鍵問題以及課程體系框架，初步具有查閱、分析和總結(jié)文獻(xiàn)的能力。

2課程實(shí)施

2.1課程定位

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。作為新生研討課，讓學(xué)生能夠完全具有上面定義的計(jì)算思維能力是不現(xiàn)實(shí)的，原因在于：思維能力是長期積累的過程，不可能通過短期訓(xùn)練來完成；計(jì)算思維涵蓋的知識體系是整個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)科，不是一兩門計(jì)算機(jī)專業(yè)課能夠解決的。

基于上述分析，此課程不會也不應(yīng)該代替原有的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論性質(zhì)的課程，而是應(yīng)該與這些專業(yè)課程相互之間進(jìn)行配合，使得學(xué)生能夠很好地理解計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一些基本概念和核心問題，以及掌握解決問題的一般思考方式。因此，此課程定位在學(xué)生知識和能力可接受的基礎(chǔ)上，通過以點(diǎn)概面的案例教學(xué)方式，選擇特定問題和內(nèi)容來逐步加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)科學(xué)核心問題的認(rèn)識；通過案例中引入相關(guān)理論課程信息，讓學(xué)生了解教學(xué)大綱中每門課程的目標(biāo)及聯(lián)系；通過引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)備材料、總結(jié)和分析問題，讓學(xué)生逐步俱備解決具體計(jì)算機(jī)問題的能力；通過在研討中引導(dǎo)學(xué)生主動思考來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的熱情。

2.2課程內(nèi)容

本課程內(nèi)容要求既相對獨(dú)立又可作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中內(nèi)容的補(bǔ)充，要從知其所以然的角度來對計(jì)算機(jī)相關(guān)問題進(jìn)行闡述。內(nèi)容圍繞著計(jì)算機(jī)科學(xué)中的算法理論和體系結(jié)構(gòu)兩個(gè)主線來展開，以當(dāng)前研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問題為切入點(diǎn)，通過通俗易懂的講解，使得學(xué)生能夠了解驅(qū)動當(dāng)前IT發(fā)展背后的計(jì)算機(jī)原理性知識和相關(guān)技術(shù)，并通過將這些知識和技術(shù)與計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)課程相對應(yīng)，使學(xué)生能夠形成對相關(guān)課程的初步印象。

1）萬物皆信息——信息與編碼主題討論。

此部分內(nèi)容以《信息簡史》中的案例為依托材料，從中選取語言文字和通信方式演變等章節(jié)的內(nèi)容作為案例，與學(xué)生進(jìn)行講解和討論。案例能夠反映出大腦思維到語言的映射、語言到文字的映射、文字到語義的映射、文字到編碼的映射，使得學(xué)生一步一步地分析、總結(jié)并發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律，進(jìn)而幫助學(xué)生初步梳理出信息與編碼的關(guān)系。除此之外，將這部分知識與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論中的編碼部分內(nèi)容（二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制、哈夫曼編碼等）相關(guān)聯(lián)，與數(shù)字邏輯電路的表示相關(guān)聯(lián)，與編程語言中的符號相關(guān)聯(lián)，幫助學(xué)生形成編程語言只是大腦中邏輯信息到計(jì)算機(jī)內(nèi)映射的初步印象，使其在較高層次上認(rèn)識計(jì)算機(jī)語言。最后，通過講解密碼、香農(nóng)與信息論的實(shí)例來加深學(xué)生的編碼認(rèn)識，對其中一些理論的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值有所了解。

2）計(jì)算靈魂——數(shù)學(xué)與算法主題討論。

此部分內(nèi)容從數(shù)學(xué)發(fā)展歷史及算法發(fā)展方面進(jìn)行講解，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)在算法中的作用，以實(shí)際簡單的算法實(shí)例來講解如何完成對算法的數(shù)學(xué)建模、如何推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型來完成算法的效率分析。通過這些案例將大學(xué)階段所學(xué)的數(shù)學(xué)知識與算法分析相映射，幫助學(xué)生建立正確的數(shù)學(xué)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)；將這些案例與數(shù)據(jù)表示及算法理論分析相映射，引出算法復(fù)雜度、可計(jì)算性等相關(guān)概念并說明其意義。

3）計(jì)算理論與實(shí)現(xiàn)基石——圖靈機(jī)、可計(jì)算性與體系結(jié)構(gòu)主題討論。

此部分內(nèi)容將從圖靈、馮諾依曼等人的軼事說起，對圖靈機(jī)、馮諾依曼結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，引出狀態(tài)機(jī)及可計(jì)算性等相關(guān)理論。通過圖靈機(jī)案例實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生理解其實(shí)現(xiàn)計(jì)算的過程；從中引出程序執(zhí)行的狀態(tài)及結(jié)構(gòu)，進(jìn)而說明馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。通過此方面內(nèi)容的案例引導(dǎo)，學(xué)生能夠?qū)⑺惴ㄅc計(jì)算理論聯(lián)系起來，將計(jì)算理論與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，從宏觀方面初步建立起計(jì)算機(jī)科學(xué)框架的知識體系。除此之外，還簡單介紹目前最新的生物分子計(jì)算、量子計(jì)算等最新計(jì)算理論及相應(yīng)實(shí)踐系統(tǒng)，從中引導(dǎo)讓學(xué)生對比和思考圖靈機(jī)、馮諾依曼結(jié)構(gòu)下的計(jì)算理論與生物分子計(jì)算、量子計(jì)算之間的區(qū)別，激發(fā)學(xué)生對未來計(jì)算理論及實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的興趣。

4）人類智能之夢——人腦與人工智能主題討論。

此部分內(nèi)容從計(jì)算機(jī)是否能夠替代人腦的辯論話題切入，介紹計(jì)算機(jī)模擬人腦不同思考方式下的智能算法。通過介紹以下不同類型的智能算法（基于知識表示和推理的算法、基于連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)算法、基于仿生學(xué)的演化算法），讓學(xué)生能夠了解基礎(chǔ)理論與人工智能的對應(yīng)關(guān)系：知識表示和推理是對人類心理過程的模擬，其知識與邏輯學(xué)之間相關(guān)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對通過解剖學(xué)認(rèn)識的大腦神經(jīng)元之間的連接模擬；統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)通過數(shù)據(jù)來得到預(yù)制模型的參數(shù)計(jì)算過程；演化算法是對群體生物的仿生模擬。通過這些內(nèi)容的事例展示和討論，學(xué)生能夠體會數(shù)學(xué)建模和智能算法的魅力，從而增強(qiáng)不同領(lǐng)域知識學(xué)習(xí)的興趣。

5）數(shù)據(jù)的力量——數(shù)據(jù)科學(xué)主題討論。

此部分內(nèi)容主要介紹目前興起的數(shù)據(jù)科學(xué)中的相關(guān)理論和方法，通過對Google、微軟、百度、阿里巴巴等公司的實(shí)際案例，向?qū)W生傳遞這樣的信息——數(shù)據(jù)就是力量，對其使用的好壞將關(guān)系一個(gè)公司的成敗。通過討論語言翻譯、搜索引擎、廣告推薦、輿情分析等系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)原理與技術(shù)分析，來反映數(shù)據(jù)科學(xué)涉及的數(shù)據(jù)庫、概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)可視化等內(nèi)容。除此之外，還在案例介紹過程中引人大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等相關(guān)概念及實(shí)例，以拓寬學(xué)生的知識面。

6）萬物皆互聯(lián)——物聯(lián)網(wǎng)主題討論。

此部分從生物之間的交流話題切入，通過引導(dǎo)學(xué)生討論各自生物之間的交流、人類文明的發(fā)展與通信的關(guān)系、計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)話題，傳達(dá)“萬物皆有互聯(lián)的潛質(zhì)，互聯(lián)能夠促進(jìn)萬物的發(fā)展”這樣的理念，進(jìn)而對當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行介紹，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)和CPS（Cyber-Physical Systems）等相關(guān)知識點(diǎn)內(nèi)容引入物聯(lián)網(wǎng)討論中。通過對德國工業(yè)4.0和中國2025智能制造等相關(guān)計(jì)劃介紹，學(xué)生能認(rèn)識到計(jì)算機(jī)學(xué)科的重要性，增強(qiáng)建立工業(yè)強(qiáng)國的使命感。

7）虛擬幻境——仿真與交互主題討論。

此部分從現(xiàn)代電影場景中人工合成和制作的畫面進(jìn)行討論，逐步引入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)相關(guān)概念和理論。通過對電腦游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互和人腦交互等具體案例的講解與討論，為學(xué)生展示計(jì)算機(jī)科學(xué)強(qiáng)大的魅力。

8）計(jì)算機(jī)學(xué)科體系。

此部分內(nèi)容為上述討論總結(jié)，幫助學(xué)生重新梳理計(jì)算機(jī)學(xué)科的知識脈絡(luò)。在講解和梳理過程中，根據(jù)本科培養(yǎng)計(jì)劃，重點(diǎn)說明主要課程各自的課程目的以及它們之間的關(guān)系，其中，特別強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)學(xué)科與數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科的關(guān)系，說明本專業(yè)與這些知識內(nèi)容的“接口”課程。

從上面的內(nèi)容介紹可以看出，每個(gè)主題的討論相對比較獨(dú)立，適合具有相關(guān)領(lǐng)域特長的教師結(jié)合自己的科研實(shí)踐來進(jìn)行講解（具體討論主題、內(nèi)容、目標(biāo)及相關(guān)課程如表1所示）。雖然每個(gè)教師的專業(yè)知識背景不同，但是均圍繞此門課程的目標(biāo)來設(shè)計(jì)教學(xué)方案。

此門課程重點(diǎn)在于通過具體案例討論，介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)理論和相關(guān)技術(shù)的“輸入與輸出”。為學(xué)生全面了解計(jì)算機(jī)學(xué)科及相關(guān)課程體系提供支撐材料，以增加其學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)的興趣，為其后續(xù)課程的選擇和學(xué)習(xí)提供指導(dǎo)。

2.3授課方式

既然此門課程為新生研討課，那么授課形式就應(yīng)該以討論為主，小班形式授課能保證學(xué)生最大程度地參與討論。授課與討論相結(jié)合，授課時(shí)間占全部課時(shí)的2/3左右，討論時(shí)間占1/3左右。在課前給學(xué)生布置討論主題以及需要閱讀的相關(guān)參考資料；在課上，由教師來引導(dǎo)學(xué)生主動完成對相關(guān)題目的討論，并從中傳授知識。但是，在實(shí)際操作過程中，由于新生不熟悉文獻(xiàn)的搜索、分析和總結(jié)等方法，以及部分文獻(xiàn)理論性過強(qiáng)等原因，不可能每堂課都以翻轉(zhuǎn)課堂的形式進(jìn)行。目前，只能將討論穿插在授課過程中進(jìn)行。

為培養(yǎng)學(xué)生閱讀文獻(xiàn)、總結(jié)文獻(xiàn)能力，除每次課布置的閱讀文獻(xiàn)外，還要求學(xué)生在課程結(jié)束時(shí)撰寫并提交一份計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)指定題目的研究進(jìn)展綜述，以鍛煉學(xué)生提煉和總結(jié)材料能力。這部分內(nèi)容將計(jì)人課程最終成績，最終成績里還包括主題的討論成績。

目前，此門課程根據(jù)討論主題涉及的知識來分配相應(yīng)研究特長的教師授課。授課過程中，要注意每個(gè)主題之間內(nèi)容的銜接性，有些內(nèi)容需要在不同討論主題授課中，反復(fù)對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)和說明，以加深其對專業(yè)課程知識內(nèi)容重要性的認(rèn)識。

3課程效果和持續(xù)改進(jìn)

目前，這門課程已經(jīng)開設(shè)2年共4批次講解實(shí)踐。通過直接交流和間接的意見反饋，學(xué)生在學(xué)習(xí)完本門課程后基本能夠理解計(jì)算機(jī)專業(yè)所從事的工作以及相應(yīng)的課程體系；能夠?qū)η把氐挠?jì)算機(jī)研究問題有所了解；能夠幫助他們理解計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的設(shè)置。從這些反饋內(nèi)容來看，授課基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

但是，也出現(xiàn)了下述問題：①課程內(nèi)容由不同教師完成，每個(gè)教師教學(xué)風(fēng)格不一樣，對課程要求尺度標(biāo)準(zhǔn)不一樣，從而導(dǎo)致學(xué)生有時(shí)會無所適從；②授課形式不能完全調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；③文獻(xiàn)綜述要求過于嚴(yán)格，學(xué)生很難完全自己完成；④課時(shí)緊張，有些感興趣的話題并沒有給予充足的時(shí)間討論；⑤部分教師在案例講解過程中專業(yè)術(shù)語太多，雖然“高大上”，但很難理解其中的含義和內(nèi)容；⑥由于部分討論題目難度“太大”，課下無法準(zhǔn)備，也就無法參與討論。

針對這些意見，我們根據(jù)課程目標(biāo)，持續(xù)地對課程進(jìn)行改進(jìn)：①教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行充分交流與討論，從總體上確定每個(gè)主題的“輸入與輸出”，并對各個(gè)主題的學(xué)習(xí)要求統(tǒng)一布置；②通過課上算法游戲、真實(shí)系統(tǒng)演示等手段引起學(xué)生的興趣；③對部分內(nèi)容進(jìn)行刪減，以保證主要討論題目的時(shí)間充分性；④針對文獻(xiàn)綜述的要求及格式說明，要在第一次課就布置下去，并且要在給定的材料中增加一些領(lǐng)域的綜述文章讓學(xué)生閱讀；⑤多與學(xué)生進(jìn)行溝通及交流，通過增進(jìn)了解和理解等“軟手段”來輔助相應(yīng)題目討論的正常開展。

（編輯：郭田珍）