張賽男 鄭長友 蔣園園 洪宇

摘? 要：大學計算機基礎是根據教育部計算機基礎教學指導委員會培養(yǎng)要求開設的公共基礎課程，是眾多課程的基礎。在很多高校關于大學計算機基礎這門課的教學大綱中都明確要求課程教學以計算思維培養(yǎng)為目標。本文主要介紹我校以Python語言進行程序設計實踐，以計算思維能力培養(yǎng)為導向的教學改革中的難點以及解決思路和方法。課程的改革有效地推動了低年級學生工程應用能力、創(chuàng)新應用能力的提高。

關鍵詞：大學計算機基礎;計算思維;實踐;Python;程序設計

中圖分類號：TP301? ? ?文獻標識碼：A

Reform and Research on University Computer Foundation Driven by

Programming for the Training of Computational Thinking Ability

ZHANG Sainan，ZHENG Changyou，JIANG Yuanyuan，HONG Yu

（Institute of Command Information System，Army Engineering University，Nanjing 210007，China）

Abstract：University Computer Foundation is a general foundation course offered according to the training requirements of the Computer Foundation Teaching Steering Committee of the Ministry of Education.It is the basis of many courses.In the syllabus of University Computer Foundation in many colleges and universities，it is clearly required that the teaching of computational thinking be the goal of the course.This paper takes our school as an example to discuss the difficulties of teaching reform and research and the ways to solve them based on the practice of programming in Python language and oriented by the cultivation of computational thinking ability.

Keywords：University Computer Foundation;computational thinking;practice;Python;programming

1? ?引言（Introduction）

大學計算機基礎是教育部計算機基礎教學指導委員會要求開設的公共基礎課程，是大學各專業(yè)一年級新生的第一門計算機課程，也是本科各學科專業(yè)學生必修的公共基礎課程[1]。大學計算機基礎教學的目標之一是要掌握理解計算機的基本原理，例如：信息的表示、計算機軟硬件知識、數據庫、網絡以及多媒體的基本常識，在教學實施的過程中有意識地培養(yǎng)學生的計算思維意識，展現(xiàn)計算思維方法，而計算思維能力就必須通過實驗來加強學生的基本應用技能來體現(xiàn)。在理論培養(yǎng)和基本應用技能培養(yǎng)的過程中理解計算機在處理問題過程中所展現(xiàn)的科學思維方式，同時培養(yǎng)學生的分析問題和解決問題的工程應用能力，進而在這基礎上培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。隨著周以真教授提出的“計算思維”的概念的推廣，各大高校已經認識到計算思維在計算機基礎學科中的重要性，因此將學生計算思維能力的培養(yǎng)作為目標，為了實現(xiàn)這一目標將程序設計內容引入到大學計算機基礎課程中?，F(xiàn)已有很多高校已經付諸實施，并且取得了一定的效果。

傳統(tǒng)的大學計算機基礎課程理論知識點主要包含信息的表示、計算機系統(tǒng)組成、操作系統(tǒng)、計算機網絡、數據庫以及多媒體等內容，而實驗內容則以操作系統(tǒng)的使用、辦公軟件的應用和多媒體制作為主。為了培養(yǎng)計算思維能力，顯然這種基于使用軟件式的實驗內容是不能滿足這一培養(yǎng)目標的需求。為了能在課程中向學生傳遞計算思維的理念，在實驗課程內容中加入程序設計內容，通過計算機編程來模擬計算機軟硬件知識，例如，可以通過編程來模擬對數據庫的添加、刪除、修改等操作，通過實際問題的解決來推動學生對計算機理論知識的認識，促進計算思維能力的培養(yǎng)。

2? 實踐能力的培養(yǎng)促進計算機思維的培養(yǎng)（The training of practical ability promotes the training of computational thinking）

周以真教授對計算思維的定義是運用計算機科學的基本概念去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類的行為[1]，計算思維是人機共存的思維，強調機器實現(xiàn)和問題求解的具體操作過程。它通過運用約簡、轉化、嵌入，以及仿真等方式以合適的方式去表述一個問題，并對這個問題的相關方面進行建模，將看似困難的問題闡釋為我們知道如何去求解的問題，尋求并運用最有效的方法去解決問題。這其中含了三個層次的內容：計算思維意識、計算思維方法和計算思維能力。計算思維能力的培養(yǎng)是一個長期的過程，而大學計算機基礎這門課是學生入手的第一門計算機相關的課程，因此對于學生思維能力的培養(yǎng)非常關鍵。學生首先必須要有計算思維意識，然后使用計算思維方法去解決問題，進而培養(yǎng)計算思維的能力。

傳統(tǒng)的大學計算機基礎理論和實驗的實施過程中，注重的是知識原理的掌握和理解。在確定以計算思維培養(yǎng)為目標之后，教師要有目的的去培養(yǎng)學生的計算思維意識，向學生展示計算思維的方法，通過計算思維方法解決實際問題達到計算思維培養(yǎng)的目標。因此需要建立計算思維在計算機基礎課程中的表達體系，將其融入和映射到理論知識點和應用技能點之中，以能力標準作為計算思維在課程中的落腳點和表現(xiàn)形態(tài)，以能力要求來推動學生計算思維品質的提升，這也是學生掌握計算思維思想與方法的有效途徑[2]。

能力要求則體現(xiàn)在課程的實驗環(huán)節(jié)上，實驗過程是描述問題、抽象問題和解決問題的過程，也是思維在課程的落腳點，把計算思維方法運用于解決實際問題的能力上。引入程序設計實踐教學部分主要是實踐學生所學習的理論知識。因為Python語法簡單，提供很多功能函數及接口，對于一年級的新生來說比其他編程語言更加容易上手。對于教師而言則可以把更改多的精力投入到把編程語言作為工具去解決問題上，而不是講解編程語言的語法上。因此我校選用Python語言，而且很多高校也都選擇了Python語言。

3 我校在大學計算機基礎課程教學過程中存在的問題（Problems in the teaching of University Computer Foundation in our university）

大學計算機基礎涉及計算機專業(yè)多門課程的知識，例如：計算機系統(tǒng)、計算機網絡、數據庫、多媒體、操作系統(tǒng)等，課程內容多、學時少、學生程度不一?，F(xiàn)階段我校大學計算機基礎課程課時、學生和教師、思想認識上等多方面都存在有諸多困難和挑戰(zhàn)：

（1）總課時壓縮成48課時，其中理論和實驗各24課時，每節(jié)課時間壓縮至45分鐘，理論內容較多，課時數有限，每個班級人數也比較多。多年的教學發(fā)現(xiàn)大部分學生僅僅滿足學習計算機基礎知識、基本操作，把計算機當作工具會用即可。

（2）學生基礎高低不同，選擇Python作為實踐工具，計算思維融入和映射到應用技能，教師在實踐內容的把握和選取上還需多思考。

（3）教師當中存在大學計算機基礎就是講解計算機軟硬件基礎的片面觀念。

（4）教師在課堂上實際上在進行無意識的計算思維教學。由于計算思維受重視的時間不長，但是因為一方面計算機應用的本質是問題求解[1]，另一方面計算機問題求解過程就是使用計算思維方法去解決問題的過程，因此，在基礎課程教學過程中要時刻去體現(xiàn)、展示計算思維。

（5）由于早前對計算思維重要性認識不足，沒有意識到計算思維的重要性，而且計算思維能力的培養(yǎng)是一個長期的過程，需要教師在計算機基礎學科中提高認識，把計算思維能力的培養(yǎng)作為計算機基礎教學的首要任務[3]。

4? 大學計算機基礎課的改革中存在的幾個問題（Several problems in the reform of University Computer Foundation）

如何在大學計算機基礎課程教學中傳遞計算思維，以提高學生運用計算機知識描述問題、抽象問題和解決問題的能力？以計算思維為導向的大學計算機課程教學改革面臨諸多困難。

（1）我校從2017年開始進行大學計算機基礎課程改革，按照大綱設置理論課教學內容，但是還需要在對課程內容進行提高和優(yōu)化。教師還需要把對計算思維的表達融入理論知識點和實踐中，以實踐能力為抓手達到推動學生計算思維能力的提升。

（2）在實驗思維訓練環(huán)節(jié)中，選擇Python語言作為實踐語言，如何通過Python工具求解問題來訓練計算思維能力還需多探討。

（3）實驗內容的設置以及實驗成績的評價方法。目前實驗環(huán)節(jié)的教學內容已經根據教學大綱的要求從傳統(tǒng)的以使用軟件為主的實驗轉變?yōu)橐圆捎肞ython程序實踐的方式進行，但在實驗內容的選擇還不能很好地支撐理論教學的內容，也不能很好地體現(xiàn)計算思維的概念。

（4）缺少實驗平臺的支撐。實驗環(huán)節(jié)沒有實驗平臺的支撐，教師不太容易掌握每個學生的課前、課中和課后預習、學習和課后作業(yè)情況。實驗課時間每次課90分鐘，如果每個班的上課人數較多，達到60人以上，那么對于教師挨個檢查實驗情況是很困難也不太現(xiàn)實的，因此來說對于實驗成績的客觀評價不能很好地體現(xiàn)。

（5）缺少適合我校學生的配套的理論教材和實驗教材。

（6）網絡教學資源的整合還不完善。為了方便學生能夠預習復習，課程的每個知識點的教學視頻、預習復習資料、參考資料都需要進行整合。在整合資源的同時還需要增加教師和學生之間的互通，需要通過增加網絡交流平臺方便學生問題留言、教師回答問題以及學生之間的討論。

5? 思維為導向，能力驅動的改革思路和實施過程（Thought-oriented and ability-driven reform ideas and implementation process）

大學計算機基礎課程包括分為理論教學和實踐教學兩部分內容。在課程內容上兼顧計算機基礎知識和計算思維，將信息表示與處理、計算機系統(tǒng)、網絡、數據庫多媒體等知識作為教學內容，然后將這些理論知識作為計算思維求解問題的研究對象，并加以實踐，來應用計算機思維解決各領域問題。最終，希望通過這種問題求解的學習和實踐，培養(yǎng)學生在理解計算機基礎知識的同時能夠主動在各自專業(yè)學習中利用計算思維的方法和技能，進行問題求解，能動手解決具有一定難度的實際問題[4]。

5.1? ?依據教學對象和教學目標合理設計理論與實踐的授課內容

圍繞下發(fā)的教學大綱以及課程實施的教學對象，依據計算機的核心原理組織教學內容。我校大學計算機基礎的教學對象是一年級所有學生，其中包括各專業(yè)的本科層次學生以及專科層次學生。本科層次中有10%的學生是計算機相關專業(yè)，如，網絡工程專業(yè)，指揮信息系統(tǒng)工程等，經過入學前的調查發(fā)現(xiàn)這部分對計算機有一定的了解，有些學生在高中就參加過信息類的比賽，而也有不少學生對計算機基本不了解，所以必須要按照教學對象分層次來設置教學內容和教學目標。對于本科層次的學生主要理論內容以及學時設置分布如表1所示。

實驗內容和理論內容對應，通過實驗內容來理解理論知識。在實驗主要完成內容如表2所示。

5.2? ?依據教學內容、教學任務采用多元化的教學模式、教學方法

根據教學內容、教學任務采用合理合適的教學模式和方法，例如，綜合實驗：①創(chuàng)建文本文件，通過鍵盤輸入“I am? a college student”作為文件的內容;②利用加密算法，對文件內容加密。加密的算法是對文件中的每一個字符進行逐個判斷，如果是字母，則進行移位加密，否則就保留原樣，不做處理。移位加密是將26個字母看成一個環(huán)，比如當輸入“computer”，若是對每一個字母移位2位，即a→c，b→d，c→e，以此類推，最后y→a，z→b，則經過移2位的加密運算后，輸出的結果應該為“egorwvgt”;③將加密過的文本文件通過網絡進行傳輸;④對方接到文件后，進行解密，得到原文件。對于綜合實驗則可以采用任務驅動的教學模式，可將其分解成多個子實驗，按步驟推進。教師在教學實施過程中應注意學生和老師的“雙主”地位，鼓勵學生思考，培養(yǎng)計算思維意識、引導學生用計算思維方法去求解問題。對于此類綜合實驗，將實驗內容對應的各個章節(jié)中的理論知識點緊密聯(lián)系起來，通過實驗加深理論知識的理解。

理論知識部分，例如：對于計算機網絡中的信息安全知識，則可以通過學生自主學習，以研究小報的形式呈現(xiàn);操作系統(tǒng)中多道程序設計的概念的理解則可以通過研討的方式來進行課堂實施;對于信息的表示中進制的轉換、原反補，以及浮點數的表示則可以通過預習作業(yè)讓學生完成學習，但是對于進制之間的轉換規(guī)則以及為什么整數在計算機中采用反碼表示的背后的道理則需要教師在課堂上和學生一起探討。

無論采取什么樣的教學模式、教學方法，最根本的目的是激發(fā)學生的學習興趣、提高學習能力及工程實踐應用能力。

5.3? ?提供良好的實驗平臺以及實驗評價機制

以實踐能力為抓手達到推動學生計算思維能力的提升。能力的培養(yǎng)離不開實踐的環(huán)節(jié)，為了培養(yǎng)學員的計算思維，良好的學習環(huán)境以及相應的實驗平臺都是很關鍵的因素，建立良好的軟硬件環(huán)境是改革過程中很重要的組成部分。實驗平臺的引入能夠方便教師實時了解學生課上、課下實驗情況，并掌握學生實驗問題所在，及時和學生溝通交流。實驗平臺對于實驗成績的評定提供了很好的依據。

實驗成績的評定需考慮如下方面：

（1）實驗平臺中學生的完成情況。這里的完成情況指的是完成的正確率以及完成的速度。

（2）實驗報告中對實驗的分析過程。除了實驗平臺的代碼，在實驗報告中需要明確說明實驗的分析過程，包括設計思路、算法等內容。對于一年級的新生來說，編程能力相對來說都比較薄弱，因此代碼不一定會順利通過編譯產生結果。但是學生自己對實驗分析、設計思路以及解決問題的算法也是需要考慮的重要方面。

（3）綜合實驗中的表現(xiàn)。大學計算機基礎實驗一般分為基礎實驗和綜合實驗。有些綜合實驗會以小組的形式完成，每個學生在小組中的工作量作為評定成績的組成部分。

6? ?結論（Conclusion）

大學計算基礎是所有非計算機專業(yè)學生必修的一門通實類教育課程，是認識計算機的基礎，抽象的理論知識結合程序設計內容對學生計算思維能力的培養(yǎng)起著至關重要的作用，通過開展實驗教學、整合教學資源平臺、實施有效的考核形式與評定方法等途徑來不斷提升學生運用計算思維解決問題的能力。改革原有以使用軟件類的能力培養(yǎng)轉變?yōu)橐酝ㄟ^程序設計解決實際問題來推動計算思維的培養(yǎng)，利用計算思維方法解決問題，提高計算思維能力是改革的關鍵。

參考文獻（References）

[1] 龔沛曾，楊志強.大學計算機基礎教學中的計算思維培養(yǎng)[J].中國大學教育，2012（5）：51-53.

[2] 楊建磊.關于我國大學計算機基礎課程教學中“計算思維能力培養(yǎng)”的研究[D].蘭州：蘭州大學，2014：7-10.

[3] 何欽銘，陸漢權，馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養(yǎng)[J].中國大學教學，2010（9）：35-39.

[4] 李蹾.大學計算機基礎[M].北京：清華大學出版社，2018（3）：97.

[5] 何明，陳衛(wèi)衛(wèi)，陳希亮.基于計算思維的大學計算機基礎課程改革方法探析[J].計算機工程與科學，2017（36）：96-99.

作者簡介：

張賽男（1979-），女，碩士，講師.研究領域：軟件工程，網絡安全.

鄭長友（1986-），男，博士，講師.研究領域：軟件工程，網絡安全.

蔣園園（1981-），女，碩士，講師.研究領域：軟件工程，網絡安全.

洪? 宇（1979-），男，博士，講師.研究領域：軟件工程，網絡安全.