王亞杰+尹航+李飛+王曉巖+郭建新

摘 要：針對計算思維培養(yǎng)的落地問題以及部分地方高校應(yīng)用性人才培養(yǎng)的轉(zhuǎn)型問題，提出將計算機(jī)博弈案例與教學(xué)內(nèi)容深度融合，開展新形態(tài)化的教材建設(shè)和基于計算機(jī)博弈的科技創(chuàng)新活動，結(jié)合沈陽航空航天大學(xué)的教學(xué)實際，構(gòu)建以計算思維為主線的寬、專、融相結(jié)合的計算機(jī)基礎(chǔ)課程新體系。

關(guān)鍵詞：計算思維；計算機(jī)博弈；應(yīng)用項目；創(chuàng)新能力

0 引 言

隨著計算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在人才培養(yǎng)中發(fā)揮著越來越突出的作用。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真（Jeannette M. Wing）教授于2006年提出了計算思維概念[1]，她認(rèn)為，計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會（以下簡稱教指委）于2010年7月發(fā)表了聯(lián)合聲明[2]，正式提出：要旗幟鮮明地把計算思維能力的培養(yǎng)作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，加強(qiáng)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的研究，要讓學(xué)生像計算機(jī)科學(xué)家那樣去思維。

計算思維為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，有了計算思維的課程指導(dǎo)思想后，很多教育專家開始研究計算思維的落地問題[3-5]，專家們普遍認(rèn)為：計算思維的落地就是如何在計算機(jī)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法上提高學(xué)生用計算機(jī)解決實際問題的能力，即問題的求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等[6]。基于此，構(gòu)建適合引導(dǎo)和驅(qū)動計算機(jī)教學(xué)的項目和尋找更能激發(fā)學(xué)生興趣、積極性的案例成為我們必須面對的問題。

1 計算機(jī)博弈項目是計算思維培養(yǎng)的重要載體

在2016世界人工智能科學(xué)誕生60周年之際，谷歌公司的AlphaGO圍棋軟件與世界圍棋冠軍李世石上演了“世紀(jì)人機(jī)大戰(zhàn)”。2017年伊始，Master圍棋網(wǎng)測又取得了60場全勝的戰(zhàn)績，隨后，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的Libratus在德州撲克比賽中輪流擊敗了4名頂尖人類高手，人工智能再次引發(fā)了世界范圍內(nèi)的研究與開發(fā)熱潮。目前很多學(xué)者認(rèn)為：人類社會正在從“互聯(lián)網(wǎng)+”向更高階的“人工智能+”躍遷，智能科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為促進(jìn)所有學(xué)科發(fā)展的重要因素，計算機(jī)博弈是人工智能領(lǐng)域的重要研究方向[7]。

計算機(jī)博弈項目涉及的方法主要包括：博弈問題的提出、棋盤的數(shù)據(jù)描述、棋面的評估模型、搜索算法的選擇、算法的實現(xiàn)與優(yōu)化、人機(jī)交互處理等方面，這些內(nèi)容剛好與計算思維的思想相一致，非常適合培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

一段時間以來，學(xué)生網(wǎng)游上癮困惑著家長和教育工作者，以何種方式引導(dǎo)青年學(xué)生遠(yuǎn)離網(wǎng)游以及網(wǎng)游的魅力一直是不解之謎。而多個高校的實踐證明，計算機(jī)博弈項目能迎合青年學(xué)生的愉悅、冒險、好奇和高對抗需求，讓他們在快樂中分析、編程、斗智，既長知識，也長能力，既培養(yǎng)了計算機(jī)實踐與創(chuàng)新能力，也培養(yǎng)了計算思維、科研思維和團(tuán)隊合作精神。

學(xué)會將人的思維過程用計算機(jī)來實現(xiàn)，學(xué)會處理相關(guān)的問題，學(xué)會做好最優(yōu)決策，這對于所有學(xué)生來說都是有助益的。計算機(jī)博弈項目是培養(yǎng)學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力的應(yīng)用型項目，更是培養(yǎng)大學(xué)生計算思維的重要載體。

2 新課程體系與課程內(nèi)容改革

現(xiàn)有的計算機(jī)基礎(chǔ)課程體系沒有充分考慮計算思維和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，也沒有突出寬、專、融的教學(xué)特點，并且課程內(nèi)容陳舊。2015年教指委推出了新版的《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》（以下簡稱基本要求）[8]，指出了新的歷史時期計算思維能力的培養(yǎng)將成為大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的新常態(tài)，對課程體系、教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容進(jìn)行了全面闡述。

依據(jù)基本要求和部分學(xué)校的改革實踐[9-10]，提出了適合沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的寬、專、融相結(jié)合的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程新體系（見表1）。新的課程體系以計算思維為主線，以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維意識、計算思維方法和計算思維能力為目標(biāo)，分為3個層次，每個層次設(shè)置不同的課程。隨著課程體系的重新構(gòu)建，各類課程的教學(xué)內(nèi)容也重新進(jìn)行了調(diào)整，例如：在第1層次，減少了Office方面的內(nèi)容，增加了動手實驗和Python內(nèi)容；在第2層次，取消了VF內(nèi)容，增加了C#內(nèi)容；在第3層次增加了基于計算機(jī)博弈的科技創(chuàng)新平臺的內(nèi)容。

2.1 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容改革

在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中，主要設(shè)置了4個模塊：①計算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與操作系統(tǒng)；②信息編碼與信息處理技術(shù)；③數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)；④計算思維、算法與程序設(shè)計初步。在第4部分中，加入了排序算法、黎曼積分、機(jī)器博弈、旅行商、哥尼斯堡七橋等常用問題的算法。還特別增加了Python語言部分[11]，通過求解三角形面積，引出了順序、選擇和循環(huán)結(jié)構(gòu)的基本用法；通過求解π的值，引出了蒙特卡羅方法和公式方法；通過蟒蛇的繪制，引出了Turtle庫的使用方法。通過以上內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以對程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識和利用計算思維解決問題的方法有一個初步的了解，初步培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計的基本能力和計算思維意識。

以全面開放的形式設(shè)置了3個專項實驗：計算機(jī)拆裝、操作系統(tǒng)安裝和計算機(jī)組網(wǎng)，通過學(xué)生親自動手實驗，提高學(xué)生對計算機(jī)硬件的認(rèn)知能力和計算機(jī)維護(hù)能力。

2.2 計算機(jī)程序設(shè)計課程內(nèi)容改革

在計算機(jī)程序設(shè)計課程中，本著為專業(yè)服務(wù)、與時俱進(jìn)的思想，將課程設(shè)置成3個模塊：C#語言主要面向航空類專業(yè)和創(chuàng)新實驗班學(xué)生；VB語言主要面向文管類和安全類專業(yè)學(xué)生；C語言主要面向電子、自動化、材料、機(jī)械類專業(yè)學(xué)生。在開課過程中允許學(xué)生跨專業(yè)選課，學(xué)生可以選擇更適合自己的語言或多種語言同時學(xué)習(xí)。

為了突出實踐能力的培養(yǎng)，課程內(nèi)容中增加了8個實驗學(xué)時，專門用于綜合性程序設(shè)計實驗，該實驗由3～4人組成的小組共同完成。在期初的時候進(jìn)行動員，在期中的時候布置實驗題目，在期末的時候進(jìn)行答辯驗收。通過綜合實驗，學(xué)生初步具備了利用所學(xué)知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生計算思維方法和團(tuán)隊協(xié)作精神。

2.3 將計算機(jī)博弈案例與教學(xué)內(nèi)容深度融合

為了調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，將學(xué)生喜歡的計算機(jī)博弈項目作為案例融入教學(xué)中[12-13]，使學(xué)生在興趣與主動學(xué)習(xí)中領(lǐng)悟計算思維。

在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程中，講授了計算機(jī)博弈的發(fā)展與競賽概況、計算機(jī)博弈的空間復(fù)雜度與搜索復(fù)雜度、蒙特卡羅方法等。

在計算機(jī)程序設(shè)計課程中，以具體項目的形式為學(xué)生講授了計算機(jī)博弈的評估方法、搜索算法、棋盤的數(shù)據(jù)表示與可視化制作等內(nèi)容。

在計算機(jī)綜合訓(xùn)練課程中，我們設(shè)計了與計算機(jī)博弈問題相關(guān)的課設(shè)題目，例如：愛恩斯坦棋的人人對弈平臺設(shè)計、幻影圍棋的開局設(shè)計、局面評估的建模方法等。通過博弈案例建模和典型算法設(shè)計，幫助學(xué)生掌握使用計算機(jī)技術(shù)解決博弈問題的途徑和基本方法，為學(xué)生進(jìn)一步開展計算機(jī)博弈科技活動打下堅實基礎(chǔ)。

3 新形態(tài)化的教材建設(shè)

團(tuán)隊人員以《VB程序設(shè)計教程》為切入點，進(jìn)行了新版教材的建設(shè)。教材的主要特點是新形態(tài)、立體化、數(shù)字化和案例式。除了紙質(zhì)版教材，還在網(wǎng)絡(luò)平臺上發(fā)布了數(shù)字化教學(xué)資源，主要包括教學(xué)課件、案例素材、拓展案例、微視頻、實驗素材、參考資料等，這些資源非常有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)和探究性學(xué)習(xí)。

微視頻資源是針對重要知識點建設(shè)的，每個微視頻大約3～5min，微視頻的二維碼印制在教材的相應(yīng)章節(jié)上，學(xué)生可以通過手機(jī)掃描訪問，實現(xiàn)了基于移動互聯(lián)網(wǎng)的學(xué)習(xí)方式。微視頻特別適合學(xué)生利用碎片化時間進(jìn)行輔助式學(xué)習(xí)。

教材中的案例遵循5結(jié)合原則：①與數(shù)學(xué)知識相結(jié)合。例如：積分計算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)曲線等，都是學(xué)生熟悉的問題。②與趣味性題目相結(jié)合。例如：抽獎活動、分糖果游戲、開心農(nóng)場等，都是學(xué)生喜歡的小項目。③與實際應(yīng)用相結(jié)合。例如：高考錄取、學(xué)生績點計算、打氣筒模擬、課堂點名等，都是學(xué)生經(jīng)常面對的實際問題。④與專業(yè)知識相結(jié)合。例如：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，這是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生應(yīng)掌握的典型機(jī)構(gòu)。⑤與計算機(jī)博弈知識相結(jié)合。例如：博弈搜索算法、棋盤的可視化設(shè)計等。通過有興趣的教學(xué)案例引發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)與研究的積極性，也體現(xiàn)了寓教于樂的教學(xué)方式。

4 開展計算機(jī)博弈科技活動

沈陽航空航天大學(xué)從2011年引入計算機(jī)博弈項目以來，團(tuán)隊人員依托博弈項目，深入開展了寓教于樂、寓教于研、以研促教、以賽促學(xué)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[14]。

1）開展博弈科技研究和“大創(chuàng)項目”工作。

基于計算機(jī)博弈項目，很多老師開展了科技研究，并將科研成果應(yīng)用于教學(xué)中。建立了博弈科研梯隊，教師既能對博弈活動起到組織、指導(dǎo)和護(hù)航作用，又能在計算機(jī)博弈的科研中勇攀高峰，形成學(xué)科制高點，為科技攻關(guān)和實際應(yīng)用創(chuàng)造條件。開展了計算機(jī)博弈科技社團(tuán)工作，社團(tuán)成員在老師的指導(dǎo)下，既可以參加科研課題，也可以組隊申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（簡稱大創(chuàng)項目）。學(xué)生與老師合作開展科技研究、撰寫論文，形成了良好的學(xué)習(xí)與科研氛圍。

2）開展計算機(jī)博弈競賽工作。

計算機(jī)博弈項目具有喜聞樂見、挑戰(zhàn)無窮的特點，深受學(xué)生喜歡。學(xué)校鼓勵學(xué)生組成不斷吐故納新的代表隊，支持學(xué)生參加各類計算機(jī)博弈競賽（校級、省級、國家級和國際級）。到目前為止，共組織了6屆校級計算機(jī)博弈比賽，平均每年參加人數(shù)達(dá)200余人。校賽選拔后組織集訓(xùn)，備戰(zhàn)全國比賽，共組織學(xué)生參加了6屆全國計算機(jī)博弈大賽和1次國際機(jī)器博弈大賽，營建了良好的校園計算機(jī)創(chuàng)新文化氛圍。

5 取得的成效

1）學(xué)生課程成績提升。

以計算思維為主線的教學(xué)改革方案使學(xué)生受益頗多，每年有4 000名學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)課程，學(xué)生課程成績提高較大，例如：計算機(jī)程序設(shè)計課程平均成績提高15%，大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程平均成績提高10%。在期末對學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查時，大部分學(xué)生表示學(xué)習(xí)收益較大，對計算機(jī)技術(shù)的理解和利用計算機(jī)技術(shù)解決問題的能力都有較大提升。

2）學(xué)生競賽成績優(yōu)異。

隨著研發(fā)能力的不斷增強(qiáng)，學(xué)生參加的計算機(jī)博弈競賽項目也越來越多，現(xiàn)已達(dá)到12項，包括六子棋、點格棋、蘇拉卡爾塔棋、亞馬遜棋、幻影圍棋、不圍棋、愛恩斯坦棋、軍棋、國際跳棋、?？怂蛊?、斗地主、橋牌。近幾年累計獲省級以上獎項100余項，累計獲冠亞季軍20項，其中幻影圍棋、亞馬遜棋、軍棋、六子棋項目都曾獲得過全國冠軍獎項，總體競賽成績位居全國前幾名，既提高了大學(xué)生的計算機(jī)創(chuàng)新能力，也促進(jìn)了我國計算機(jī)博弈事業(yè)的發(fā)展，在國內(nèi)高校中產(chǎn)生了較好影響。

3）學(xué)生科技成績突出。

基于計算機(jī)博弈項目，學(xué)生與老師合作在CCDC國際會議的機(jī)器博弈（Computer Game）專題上已發(fā)表論文25篇，表2是發(fā)表的部分學(xué)術(shù)論文。學(xué)生在老師的指導(dǎo)下申報了大創(chuàng)項目30多項，表3是部分大創(chuàng)項目。

6 結(jié) 語

計算思維的理論研究在我國已經(jīng)走過了6年多，現(xiàn)在應(yīng)該是全面落地的時候。我們本著與時俱進(jìn)、為專業(yè)服務(wù)的指導(dǎo)思想，調(diào)整了各門課程的教學(xué)內(nèi)容，引入了Python、C#等程序設(shè)計語言，將學(xué)生喜歡的計算機(jī)博弈項目作為教學(xué)案例與課程內(nèi)容深度融合，實現(xiàn)了競賽與教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)新模式。計算機(jī)博弈項目具有喜聞樂見、挑戰(zhàn)無窮的特點，特別能引發(fā)青年學(xué)生的好奇心與研究熱情，廣泛開展基于計算機(jī)博弈項目的科技與競賽活動，較好地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和科研思維。計算機(jī)博弈項目是非常好的培養(yǎng)學(xué)生計算思維的重要載體。筆者希望本文能對高校的計算機(jī)教學(xué)提供一種參考，更希望計算機(jī)博弈能在更多的高校生根、發(fā)芽、開花和結(jié)果。

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（見習(xí)編輯：景貴英）