面向计算思维的大学计算机基础课程教学内容改革

　　1 计算思维与大学计算机基础课程

　　把培养计算思维作为总体目标并开展新一轮教学改革是近年来大学计算机教育工作者所达成的重要共识。

　　计算思维基于计算机且具有鲜明的时代性，所以以计算思维为导向的大学计算机教学改革适应计算机科学技术发展。改革重点在两个方面：回归计算机原理教学和培养利用计算机解决计算问题的能力。

　　计算思维的一个重要体现是利用计算机解决计算问题，这其中有两个重要环节：“利用计算机”和“解决问题”。大学计算机教育应该以这两点为主线展开教学改革。

　　当代计算机是一个多层次的复杂系统，可以多角度使用。它既可以像汽车一样，通过简单操作来驾驭；也可以像数学原理或公式一样，需要懂得原理才能深度使用。对计算机多层次的不同认识产生了不同的教学理念。大学计算机教育首先应该定位于肩负历史和时代使命，不能只将计算机作为低层次工具开展教学。面对“利用计算机”的问题，大学计算机教育应该从计算机原理角度组织教学内容并开展实验验证。这种定位并非大学计算机教学改革创新，而是真正将大学计算机回归到与大学数学、大学物理同样基础性地位的过程。

　　大学计算机基础课程要进一步展示计算机“解决问题”的强大能力，就涉及如何抽象问题的计算特性，如何通过计算机程序解决问题等。

　　2 大学计算机基础课程历史沿革

　　大学计算机基础课程的名称历经了 4 个阶段的变革，但教学内容框架及本质变化较小，区别仅是新技术的介入和软件版本的更换，而且对新技术的讲授也是以软件形式展开，如讲授 Access代表数据库技术或者讲授 Photoshop 代表多媒体技术等。表1（略）为大学计算机基础课程在各个时期教学大纲对比。除了教学内容之外，课程实验同样以操作内容为主。

　　（1）了解计算机系统的安装与设置；

　　（2）掌握常见操作系统的安装、配置和基本使用；

　　（3）掌握网络的连接与设置；

　　（4）了解 FTP 下载和上传文件的方法；

　　（5）掌握浏览器的使用及基本的网络信息检索方法；

　　（6）掌握电子邮件的使用；

　　（7）掌握文字处理软件的使用；

　　（8）掌握电子表格软件的使用；

　　（9）了解演示文稿制作软件的使用；

　　（10）掌握 Access（或 Visual Fox Pro 等）数据库的使用，解决简单应用问题；

　　（11）了解病毒防范的基本方法；

　　（12）了解基本的网页设计方法；

　　上述实验大多数以软件使用为主，是软件的“实践”或“实训”。我们认为建立该课程的实验体系对促进教学改革十分必要。

　　3 回归本质的大学计算机基础课程改革

　　3.1 课程的本源与必要性

　　分析课程本源和必要性的方法常采用参照比较。我们以大学数学和大学物理为例，研究这两门课程的教学内容组织。这两门课程的教学内容30 年来没有很大变化，但却让一代代学生受益，是因为这两门课程诠释了世界的原理性内容。无论是数学的抽象描述，还是物理的形象分析，其教学内容深刻地影响了学生的思维模式，能够让学生在理解世界的同时掌握一种终身受用的思考方法。

　　反观大学计算机基础课程现行教学大纲，其教学内容无非让学生能够操作一些软件或熟悉一些使用技巧，这些内容显然会随着软件的升级换代和计算机普及而逐渐淡出学生大脑，同时，这些内容无法在思维层面或认识层面让学生受益。

　　大学计算机基础课程面向计算思维，需要阐述计算机的工作原理，这不仅是课程对本质的回归，也是大学教学基础性和原理性的必然要求。如同数学、物理一样，计算机也是一级学科门类，深刻理解和阐述计算机工作原理需要多门核心课程和大量学时作支撑。如何精简专业内容，体现计算机原理中的计算思维内容是大学计算机基础课程改革的重中之重。

　　3.2 计算机虚拟实验的必要性

　　面对课程学时减少（通常32学时），原理性内容难于解释，缺少验证性实验等实际问题和教学改革难题，北京理工大学国家级教学团队提出并设计了计算机虚拟实验。

　　虚拟实验直观、简洁、交互性强，能够将课堂教学内容延伸到课外，补充教学学时的不足。同时，虚拟实验的直观性有助于教师更好地讲授复杂但基本的计算机概念，会降低课程教学难度。以进程管理为例，这个看不见摸不着的操作系统概念，既无法通过操作系统直接展示，又很难讲解进程管理对计算机系统的价值，采用虚拟实验，其直观表示让该教学难题迎刃而解。

　　相比真实实验，虚拟实验有两点优势。第一，虚拟实验有效降低了实验成本。真实实验往往需要特殊的教学仪器来验证计算机原理，这些仪器价格昂贵，维护代价高，投入很大。第二，大部分虚拟实验以理解计算机原理为主要目的，这种原理性验证方法通过真实方法很难展示，如机器指令的执行过程。

　　如果说计算思维给了大学计算机基础课程与大学数学、大学物理同样的教学地位和价值，那么计算机虚拟实验则支撑了课程对计算机原理的教学，它是教学改革的必然途径。

　　3.3 北京理工大学的教学改革实践

　　我们认识到计算机虚拟实验价值的同时，也应该看到虚拟实验的设计和开发难度。虚拟实验开发不仅需要投入大量的人力物力，还需要深入理解计算机仿真技术和计算机教育教学规律。教学团队在 2011 年前后认识到虚拟实验价值后，结合自身专业优势，开展了计算机虚拟实验的设计与开发工作。在北京理工大学“研究型课程教学改革”项目支持下，经过两年多的教学改革尝试和不断完善，大学计算机实验已经初具规模。两届实验班的教学实践表明教学效果良好。

　　4 结语

　　计算机虚拟实验在计算思维改革大背景下为大学计算机基础课程教学改革提供了一个可参考的改革途径。在两年的实践中，虚拟实验先后与3 本不同的大学计算机基础教材搭配使用，均有不错的教学效果，下一步我们将在实践中加大推广力度。

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