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摘要：大学计算机基础课程作为大学教育中的必修通识课，长期以来承担着普及计算机科学的重要任务，其教学效果对学生后续知识的学习有着直接的影响。本文从大学计算机基础课程教育面临的问题出发，结合计算思维与课程特点，对课程教学改革思路进行了探析，有助于培养学生的计算思维并提高课程教学质量。
关键词：计算思维 大学计算机 课程教学改革研究
中图分类号：G642.0 文献标识码：A
引言
2006年，美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真在《Communications of the ACM》杂志上发表了一篇标题为“计算思维”的论文，明确提出了计算思维的概念。随着“计算思维”概念的提出，计算思维已经成为计算机领域专家学者关注的重要课题，而计算思维的培养也被提上了日程，成为计算机学习中的关键所在。
在信息时代，计算思维代表着一种普适思维和一种普适技能，从学科领域方面来说，计算思维反映了计算机学科最本质的特征和方法，计算机学科乃至各类计算机交叉学科的研究，必须建立在计算思维基础上；从计算机实际操作方面来说，计算思维有助于提升学生掌握计算机技术的应用能力。因而，将计算思维潜移默化、系统地融入计算机基础课程的教学内容、教学方法与模式以及教学管理中，是计算机基础课程教学改革的必经之路。
一、计算机基础课程教育面临的问题
1. “狭义工具论”普遍存在
“狭义工具论”，即把计算机作为工作和生活中的一个工具去进行教学，将教学和培养的重点放在计算机的操作和应用上，重视计算机的工具属性，而忽略了对计算机科学中思想原理和思维方法认识，难以启发学生的创造性思维。当前，计算机与我们的日常工作生活的联系及其紧密，已经成为人类发展和生产的必备工具，研究与其相关的思维能更好将这种思维方式发散到各个领域，而正是思维的“发散性”决定了“狭义”的不合理性。中国科学院信息领域战略研究组发布的《中国至2050年信息科技发展路线图》中也提出：培育计算思维是克服狭义工具论的有效途径，是解决其他科技信息难题的基础。
2. 教学内容多而杂
由“狭义工具论”引起的另一问题就是教材的浓缩。计算机基础课程的教材中，往往包含好3~5门课程的内容，甚至包含一门程序语言的学习，在教学上以“是什么”的名词解释性教学为主，课程内容多、体系杂、衔接性差、学时不断被压缩，在规定学时内完成既定教学任务并要求学员掌握，导致学生学习的难度和教师的教学难度都大幅增加。除此之外，计算机基础还是一门实践性非常强的课程，学时的缩减导致大部分应用型的、具体的实践内容都放在了课后练习中，而计算思维的欠缺导致学生难以对课堂内容进行思维发散、举一反三，使得课后练习、自学变得困难。
二、 计算思维的重要性
1. 计算思维是每个人的基本技能
人要成功融入社会所必备的思维能力，是由其解决问题时所能获得的工具或过程决定的。荷兰计算机科学家Edsger Wybe Dijkstra也曾说：“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力。”我们现在正处于计算社会阶段，更加关注的是利用数据和构想解决问题，进而创造工具和信息。在计算社会里，无论你从事什么职业，计算无处不在，这就要求我们掌握计算思维。每天都有越来越多的人正在使用这种思维方式解决各式各样的问题，计算思维能够维帮助我们更好地理解数字世界，更好地融入现代大数据、云计算、人工智能等高科技层出不穷的现代数字时代。 计算思维可以提高各个学科的思维能力 传统教学存在的弊端在于学生的知识虽然得到了增长，但是在思维能力方面却没有得到大的提升，甚至一部分学生只会生搬硬套不会思维。美国心理学和教育学家Robert J.Sternberg指出：“思维教学的核心理念是培养聪明的学习者，教学者不仅要教会学习者如何解决问题，也要教会他们发现值得解决的问题。教学者要为学习者提供足够的思维空间，设法激励和引导学习者自主学习，发现问题所在继而解决问题。”
计算思维是一种利用计算机科学的基本概念来解决问题、进行系统设计和理解人类行为的方法，其主要可分为分解、模式识别、抽象、算法四个基本步骤，以及建模、评估、泛化三个延伸方面。它是当今所有计算科学和编程方法的基石。学生通过学习计算思维，可以养成持续学习、分析信息、多角度分层处理复杂问题，甚至提出新问题的能力，从而具备解决问题、批判性地分析、沟通和创造性地思考的能力，以及超越当前行为方法的能力。而这种循序渐进的认知策略和能力不仅仅适用于计算机科学专业课堂或某个特定领域，它几乎可以应用于任何工作、行业和学科，使用计算手段进行各学科的创新，开发支持各学科研究创新的新型的计算手段。
三、以计算思维为导向的大学计算机基础课程教学改革
1.以计算思维为导向强化教学内容
大学计算机基础是一门综合性、概述性极强的课程，包含了数据结构、信息编码、计算机组成原理、数据库技术、Python编程语言等课程的基础内容，属于很多专业课程的前序课程。因而首先，我们需要在大学计算机基础这种基础性很强专业性不足的课程的教学内容中，以计算思维为导向，梳理教学内容的主体结构，对知识单元进行组织和归纳，将教学内容中的知识传授转化为基于知识的思维方法的传授，使学生掌握“使用计算思维分析问题——总结提炼思维方法——应用该思维方法解决该类问题”的能力，为其后续课程的学习打下基础。
其次，增加具有计算思维核心特征的案例内容。比如：将“分解与泛化”“抽象与建模”等方面的知识点，与计算机领域中的背包问题、汉诺塔问题等一些经典案例相结合，以案例为主线进行知识点的组织，引导学生体会问题解决过程中蕴含的思维方法，实现计算思维的讲授与培养。
最后，随着计算机技术不断地发展，计算机新技术层出不穷，计算机基础课程的教学内容也在不断更新，但是，往往课程内容的更新赶不上计算机技术的发展。虽然如此，支撑计算机发展的基础理论是不变的，这些不变的经典，就是计算机基础课程的核心。比如：二进制理论、计算机组成原理、编码原理等，在经典内容中渗透思维与方法，也是培养学生计算思维的一个重要途径。
2. 以计算思维为基础构建任务驱动式教学
计算机基础教学的两个显著特点是：基础理论性和实践性。除了通过理论教学对学生进行计算思维的培养外，实验教学也是培养学生计算思维能力的重要途径。任务驱动式实验教学以“任务”为主线，将教师和学生联系起来。传统的任务驱动式实验教学中，教师并不关心学生以什么样的过程完成任务，而基于计算思维的任务式教学则以特定任务为核心，以在完成任务的过程中使用计算思维的方法为标准，通过完成任务的过程学习思维方法，达到掌握知识完成任务的目的，最后教师再进行总结和评价。任务驱动式实验教学中，教师已经从整个教学活动的主导者转变成了教学活动的指挥者，需要从贴近学生生活的计算机应用问题作为实验任务，并进行实验任务设计、实验任务呈现、基本演示及指导、总结评价，而学生则成了知识学习的主导者，在教师的指挥下使用计算思维去分析和解决问题，进行自主学习。
基于计算思维的任务驱动式实验教学中，实验任务的设置及实施都是围绕着计算思维的方法进行展开的，其要求学习者能够熟悉运用计算思维的方法，并将其渗透到实验任务过程的各个环节中，充分发挥了学生学习的主动性和积极性，并在过程中强调了计算思维能力的培养和应用，提升学生运用计算思维解决问题的能力。
3. 以计算思维为标准完善教学考核机制
在传统教学中，普遍采用闭卷考试的方式作为大学计算机基础课程的最终考核。这样的考核方式，仅能局限的体现学生理论知识的掌握情况，难以反映学员的思维能力、实践操作能力以及创新能力。所以，应构建多样化的教学考核机制，如实验作业考核、分组大作业考核、期末机考等。
实验作业考核能够从平时的实验的完成过程中检验学生基础知识的掌握程度、基本操作能力以及利用计算思维解决实验中遇到的问题的能力，通过对实验作业评估教师也能够了解学生的学习情况；分组大作业考核要求学生根据作业要求自主选择命题并组成团队，能够充分锻炼学生的团队协作能力，并检验其思维能力和创新能力，通过大作业的上交及作业答辩情况对学生学习情况进行评估；期末机考主要用于考查学生基本操作能力和综合应用能力，机考的存在可以督促学生在平日里多思考、多动手、多练习，避免一味地死记硬背。
四、总结与展望
计算思维已经成为当今时代重要的科学思维之一，而推动基于计算思维的大学计算机基础课程教学改革，也已经成为当代计算机教育工作者的共识。我们需要以计算思维为导向梳理课程体系框架、设定教学目标、制订教学实施方案，并将计算思维贯穿于教学设计、教学内容、教学方法、教学实验、教学考核中，构建基于计算思维的教学资源库，最终形成一套科学完善的基于计算思维的教学模式，达到提升学生思维能力、综合应用能力、信息化素养，克服计算机“狭义工具论”的目的。
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关键词：计算思维 大学计算机 课程教学改革研究
中图分类号：G642.0 文献标识码：A
引言
2006年，美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真在《Communications of the ACM》杂志上发表了一篇标题为“计算思维”的论文，明确提出了计算思维的概念。随着“计算思维”概念的提出，计算思维已经成为计算机领域专家学者关注的重要课题，而计算思维的培养也被提上了日程，成为计算机学习中的关键所在。
在信息时代，计算思维代表着一种普适思维和一种普适技能，从学科领域方面来说，计算思维反映了计算机学科最本质的特征和方法，计算机学科乃至各类计算机交叉学科的研究，必须建立在计算思维基础上；从计算机实际操作方面来说，计算思维有助于提升学生掌握计算机技术的应用能力。因而，将计算思维潜移默化、系统地融入计算机基础课程的教学内容、教学方法与模式以及教学管理中，是计算机基础课程教学改革的必经之路。
一、计算机基础课程教育面临的问题
1. “狭义工具论”普遍存在
“狭义工具论”，即把计算机作为工作和生活中的一个工具去进行教学，将教学和培养的重点放在计算机的操作和应用上，重视计算机的工具属性，而忽略了对计算机科学中思想原理和思维方法认识，难以启发学生的创造性思维。当前，计算机与我们的日常工作生活的联系及其紧密，已经成为人类发展和生产的必备工具，研究与其相关的思维能更好将这种思维方式发散到各个领域，而正是思维的“发散性”决定了“狭义”的不合理性。中国科学院信息领域战略研究组发布的《中国至2050年信息科技发展路线图》中也提出：培育计算思维是克服狭义工具论的有效途径，是解决其他科技信息难题的基础。
2. 教学内容多而杂
由“狭义工具论”引起的另一问题就是教材的浓缩。计算机基础课程的教材中，往往包含好3~5门课程的内容，甚至包含一门程序语言的学习，在教学上以“是什么”的名词解释性教学为主，课程内容多、体系杂、衔接性差、学时不断被压缩，在规定学时内完成既定教学任务并要求学员掌握，导致学生学习的难度和教师的教学难度都大幅增加。除此之外，计算机基础还是一门实践性非常强的课程，学时的缩减导致大部分应用型的、具体的实践内容都放在了课后练习中，而计算思维的欠缺导致学生难以对课堂内容进行思维发散、举一反三，使得课后练习、自学变得困难。
二、 计算思维的重要性
1. 计算思维是每个人的基本技能
人要成功融入社会所必备的思维能力，是由其解决问题时所能获得的工具或过程决定的。荷兰计算机科学家Edsger Wybe Dijkstra也曾说：“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力。”我们现在正处于计算社会阶段，更加关注的是利用数据和构想解决问题，进而创造工具和信息。在计算社会里，无论你从事什么职业，计算无处不在，这就要求我们掌握计算思维。每天都有越来越多的人正在使用这种思维方式解决各式各样的问题，计算思维能够维帮助我们更好地理解数字世界，更好地融入现代大数据、云计算、人工智能等高科技层出不穷的现代数字时代。 计算思维可以提高各个学科的思维能力 传统教学存在的弊端在于学生的知识虽然得到了增长，但是在思维能力方面却没有得到大的提升，甚至一部分学生只会生搬硬套不会思维。美国心理学和教育学家Robert J.Sternberg指出：“思维教学的核心理念是培养聪明的学习者，教学者不仅要教会学习者如何解决问题，也要教会他们发现值得解决的问题。教学者要为学习者提供足够的思维空间，设法激励和引导学习者自主学习，发现问题所在继而解决问题。”
计算思维是一种利用计算机科学的基本概念来解决问题、进行系统设计和理解人类行为的方法，其主要可分为分解、模式识别、抽象、算法四个基本步骤，以及建模、评估、泛化三个延伸方面。它是当今所有计算科学和编程方法的基石。学生通过学习计算思维，可以养成持续学习、分析信息、多角度分层处理复杂问题，甚至提出新问题的能力，从而具备解决问题、批判性地分析、沟通和创造性地思考的能力，以及超越当前行为方法的能力。而这种循序渐进的认知策略和能力不仅仅适用于计算机科学专业课堂或某个特定领域，它几乎可以应用于任何工作、行业和学科，使用计算手段进行各学科的创新，开发支持各学科研究创新的新型的计算手段。
三、以计算思维为导向的大学计算机基础课程教学改革
1.以计算思维为导向强化教学内容
大学计算机基础是一门综合性、概述性极强的课程，包含了数据结构、信息编码、计算机组成原理、数据库技术、Python编程语言等课程的基础内容，属于很多专业课程的前序课程。因而首先，我们需要在大学计算机基础这种基础性很强专业性不足的课程的教学内容中，以计算思维为导向，梳理教学内容的主体结构，对知识单元进行组织和归纳，将教学内容中的知识传授转化为基于知识的思维方法的传授，使学生掌握“使用计算思维分析问题——总结提炼思维方法——应用该思维方法解决该类问题”的能力，为其后续课程的学习打下基础。
其次，增加具有计算思维核心特征的案例内容。比如：将“分解与泛化”“抽象与建模”等方面的知识点，与计算机领域中的背包问题、汉诺塔问题等一些经典案例相结合，以案例为主线进行知识点的组织，引导学生体会问题解决过程中蕴含的思维方法，实现计算思维的讲授与培养。
最后，随着计算机技术不断地发展，计算机新技术层出不穷，计算机基础课程的教学内容也在不断更新，但是，往往课程内容的更新赶不上计算机技术的发展。虽然如此，支撑计算机发展的基础理论是不变的，这些不变的经典，就是计算机基础课程的核心。比如：二进制理论、计算机组成原理、编码原理等，在经典内容中渗透思维与方法，也是培养学生计算思维的一个重要途径。
2. 以计算思维为基础构建任务驱动式教学
计算机基础教学的两个显著特点是：基础理论性和实践性。除了通过理论教学对学生进行计算思维的培养外，实验教学也是培养学生计算思维能力的重要途径。任务驱动式实验教学以“任务”为主线，将教师和学生联系起来。传统的任务驱动式实验教学中，教师并不关心学生以什么样的过程完成任务，而基于计算思维的任务式教学则以特定任务为核心，以在完成任务的过程中使用计算思维的方法为标准，通过完成任务的过程学习思维方法，达到掌握知识完成任务的目的，最后教师再进行总结和评价。任务驱动式实验教学中，教师已经从整个教学活动的主导者转变成了教学活动的指挥者，需要从贴近学生生活的计算机应用问题作为实验任务，并进行实验任务设计、实验任务呈现、基本演示及指导、总结评价，而学生则成了知识学习的主导者，在教师的指挥下使用计算思维去分析和解决问题，进行自主学习。
基于计算思维的任务驱动式实验教学中，实验任务的设置及实施都是围绕着计算思维的方法进行展开的，其要求学习者能够熟悉运用计算思维的方法，并将其渗透到实验任务过程的各个环节中，充分发挥了学生学习的主动性和积极性，并在过程中强调了计算思维能力的培养和应用，提升学生运用计算思维解决问题的能力。
3. 以计算思维为标准完善教学考核机制
在传统教学中，普遍采用闭卷考试的方式作为大学计算机基础课程的最终考核。这样的考核方式，仅能局限的体现学生理论知识的掌握情况，难以反映学员的思维能力、实践操作能力以及创新能力。所以，应构建多样化的教学考核机制，如实验作业考核、分组大作业考核、期末机考等。
实验作业考核能够从平时的实验的完成过程中检验学生基础知识的掌握程度、基本操作能力以及利用计算思维解决实验中遇到的问题的能力，通过对实验作业评估教师也能够了解学生的学习情况；分组大作业考核要求学生根据作业要求自主选择命题并组成团队，能够充分锻炼学生的团队协作能力，并检验其思维能力和创新能力，通过大作业的上交及作业答辩情况对学生学习情况进行评估；期末机考主要用于考查学生基本操作能力和综合应用能力，机考的存在可以督促学生在平日里多思考、多动手、多练习，避免一味地死记硬背。
四、总结与展望
计算思维已经成为当今时代重要的科学思维之一，而推动基于计算思维的大学计算机基础课程教学改革，也已经成为当代计算机教育工作者的共识。我们需要以计算思维为导向梳理课程体系框架、设定教学目标、制订教学实施方案，并将计算思维贯穿于教学设计、教学内容、教学方法、教学实验、教学考核中，构建基于计算思维的教学资源库，最终形成一套科学完善的基于计算思维的教学模式，达到提升学生思维能力、综合应用能力、信息化素养，克服计算机“狭义工具论”的目的。
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