地方高校大學計算機基礎課程改革的探索與實踐

孫淑霞

摘要：本文針對地方高校第一門計算機基礎課程“大學計算機基礎”的改革，介紹了大學計算機基礎課程的改革歷程，推進課程改革和建設的做法，以及以計算思維為導向對大學計算機基礎課程進行改革的探索和教學內容的設計。

關鍵詞：大學計算機基礎；計算思維；程序設計；算法流程圖；思維導圖；地方高校

“大學計算機基礎”是面向高校非計算機類各專業的第一門計算機公共基礎課程，是培養信息時代大學生綜合素質和創新能力不可或缺的重要環節。目前，如何推進以計算思維為導向的大學計算機基礎課程改革是地方高校要接受的挑戰，同時也是需要深入研究的課題。

一、大學計算機基礎課程的改革歷程

我國在高等教育中計算機基礎教學經歷了三次改革。

1．1997－2004年計算機普及階段。1997年，教育部教高司頒布了155號文件《加強非計算機專業基礎教學工作的幾點意見》，是我國計算機基礎教學歷史上具有里程碑意義的指導性文件，它確立了計算機基礎作為大學基礎課程的地位，提出了計算機基礎教育的“計算機文化基礎、計算機技術基礎、計算機應用基礎”的三層次課程體系。各高校在師資隊伍的培養和實驗室的建設上都進行了較大力度的投入，“計算機文化基礎”進入各專業的本科培養計劃，成為開設的第一門計算機基礎課程。各高?；臼前凑沼嬎銠C基礎三個層次開展教學，重點是技能的培養。

2．2004年，計算機基礎教學指導委員會提出了在新形勢下進一步加強高校計算機基礎教學的意見，教育部高教司2006年發布了《關于進一步加強高等學校計算機基礎教學的意見暨計算機基礎課程教學基本要求》（簡稱“白皮書”），提出了加強計算機基礎教學的11條建議，確定了“4個領域×3個層次”的知識結構總體構架以及“1+X的課程設置方案”，考慮到不同辦學層次的學校（專業）的實際情況，將教學基本要求分為“一般要求”和“較高要求”兩個層次，并且給出了6門典型核心課程（大學計算機基礎、計算機程序設計基礎、計算機硬件技術基礎、數據庫技術與應用、多媒體技術與應用以及網絡技術與應用）?！按髮W計算機基礎”課程逐步取代了“計算機文化基礎”課程。2009年，教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會發布的《高等學校計算機基礎教學發展戰略研究報告暨計算機基礎課程教學基本要求》繼承了“白皮書”中“4個領域×3個層次”的計算機基礎教學的知識結構以及“1+X”的課程設置方案等。同時在三個方面做了重要發展：一是充實了上述知識結構的內容，形成了計算機基礎教學的知識體系；二是提出和構建了計算機基礎教學的實驗體系；三是基于知識體系和實驗體系，科學地描述各專業大類核心課程的教學基本要求[1]。

3．2012年教育部啟動了第三輪大學計算機課程改革項目，批準了“以計算思維為導向的大學計算機基礎課程研究”等22個項目。旨在提升大學生信息素養和應用能力，推動以計算思維能力培養為重點的大學計算機課程改革。

大學計算機基礎課程開展計算思維教學，并不是顛覆原有的課程內容，而是在原有課程內容的基礎上進行梳理、提升和優化，將原有課程中無意識的計算思維教學變為主動的、積極的、有意識的計算思維教學。

作為占全國高校95%以上的地方高校，已經成為中國高等教育的主體部分，迫切需要根據地方高校的特點探索出合適的改革方案。

二、抓住契機，推進課程改革和建設

在大學計算機基礎教學的每一次改革浪潮中，我們的做法是抓住契機，積極主動地參與，不斷探索和實踐，推進大學計算機基礎課程改革和建設。

1998年，根據教育部教高司155號文件精神，面向全校非計算機專業學生開設了計算機文化基礎、計算機技術基礎、計算機應用基礎三個層次的6門計算機基礎課程。教學重點放在技能的培養。

2004年，以精品課程建設為契機，開展課程建設，建立了系列網絡平臺。通過建設課程網站，完成或完善教學大綱、演示文稿、動畫演示、習題答案、教學錄像、實驗內容、實驗指導、測試系統等；教學網站為師生提供了資源下載、作業提交、在線討論與提問、即時評教等；資源網站為學生提供課外學習的多種參考資料。這些網站為教與學提供了方便，也為教學質量的保障起到了不可估量的作用。

2007年，抓住“十一五”國家級規劃教材建設的契機，出版了《大學計算機基礎》系列教材，第一門計算機基礎課程也從“計算機文化基礎”過渡到了“大學計算機基礎”，教學重點轉到能力培養。

2012年，以教育部第三輪大學計算機課程改革項目“基于計算思維的地方高校大學計算機基礎課程教學改革與實踐”為契機，推動以計算思維能力培養為重點的大學計算機課程改革，開展以計算思維為導向的大學計算機基礎課程建設，出版了以計算思維為導向的《大學計算機基礎》新教材。同時抓住精品資源共享課建設的契機，進一步推動課程資源建設和課程內容的改革。

15年來，我們深深地體會到，大學計算機基礎課程教學只有抓住契機，以各級教改項目為依托，為課程改革和建設創造條件，團隊成員共同參與，協同努力，不斷探索，才能適應各個時期社會對人才培養的需要，鞏固課程的地位。

三、大學計算機基礎課程改革

2013年我們通過參與教育部第三輪大學計算機課程改革項目“基于計算思維的地方高校大學計算機基礎課程教學改革與實踐”，針對地方高校的實際情況對大學計算機基礎課程主要進行了如下改革。

1．踏實邁進、平穩過渡。對原有教學內容進行梳理、整合、提高、優化。

2．多校聯合，協同創新，共建共享。通過多所地方高校聯合編寫以計算思維為導向的《大學計算機基礎》教材，建設包括教學大綱、教學日歷、演示文稿、習題作業及答案、試題庫等課程基本資源，并通過實踐對其進行評價。聯合可充分發揮各高校的特長，更利于協同創新，相互學習，取長補短，更好地進行資源共享。

3．進行課程內容更新，結構調整。各學?？筛鶕拘＝虒W時數選擇不同章節或者不同模塊組織教學（見圖1）。

圖1大學計算機基礎課程教學組織結構

4. 重點增強問題求解，通過算法、程序設計、數據結構基礎三部分實現。由于流程圖是大部分高校計算機基礎課程首先引入的與程序、算法表達有關的基礎概念，所以我們引入Raptor解決算法問題，使一些原本抽象的理念變得更加清晰。

Raptor（the Rapid Algorithmic Prototyping Tool for Ordered Reasoning，用于有序推理的快速算法原型工具）是一種可視化的程序設計環境，為程序和算法設計的基礎課程的教學提供實驗環境。Raptor已經被卡內基?梅隆大學等世界上22個以上的國家和地區的高等院校使用在計算機基礎課程教學中。它用連接基本流程圖符號來創建算法，可以在其環境下直接調試和運行算法（單步執行或連續執行），方便跟蹤Raptor程序指令流的執行過程，可以直觀地顯示當前執行符號所在的位置、所有變量的值。實踐證明，Raptor的引入使學生在沒有學習程序設計語言前就可以很容易地調試和執行算法。

5．實驗教學以應用能力和計算思維培養為主線。實驗教學除保留計算機組成、操作系統、計算機網絡一些基本實驗外，主要進行了如下優化和提升：

（1）提升辦公軟件的任務。取消中學階段信息技術課程中所學內容，以任務驅動，優化內容。

（2）用Raptor進行三種控制結構流程圖的編制。通過實驗使學生很容易理解和掌握理論教學中的算法內容。

（3）運用FreeMind繪制思維導圖。FreeMind是一種利用圖像式思考輔助工具來表達發散性思維的工具，通過在平面上的一個主題出發畫出相關聯的對象。由于這種表現方式和人思考時的空間想象比單純的文本更加接近，已經越來越為大家用于創造性思維過程中。

思維導圖適合自頂向下逐步求精、模塊化的設計方法，在一個軟件項目中，思維導圖可作為系統的功能設計、總體設計、頭腦風暴、項目會議組織的思維與描述工具。圖2是一種“教師信息管理系統”思維導圖。

（4）引入XMind“可視化思維工具”。通過XMind可以繪制思維導圖、魚骨圖、二維圖、樹形圖、邏輯圖、組織結構圖等以結構化的方式來展示具體的內容。用XMind繪制圖形的時候，可以時刻保持思路清晰，隨時把握計劃或任務的全局，快速厘清思路，提高工作和學習的效率。XMind最典型的應用有會議記錄、任務計劃、知識管理、寫作提綱、主題演示、教學等。

圖2“教師信息管理系統”思維導圖

四、以計算思維為導向，設計教學內容

國際上廣泛認同的計算思維定義來自美國卡內基?梅隆大學周以真教授。周以真教授認為，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解的涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[2]。計算思維的本質是抽象和自動化。如同所有人都具備“讀、寫、算”（簡稱3R）能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。

根據“基于計算思維的地方高校大學計算機基礎課程教學改革與實踐”項目實施計劃，通過對課程內容的梳理，進行了如下理論教學內容的設計。

1．引論。突破傳統教學的組織方式，增加計算模型、計算思維基本概念的內容，有意識地引導學生思考計算思維的問題。

2．計算機硬件基礎。通過易經的陰陽、電路中的0和1到計算機中的0和1，更好地理解計算機為什么采用二進制；介紹現代計算機中數據的存儲與表示，數據壓縮方法，計算機硬件組成。

3．計算機軟件基礎。介紹作為計算平臺操作系統的發展、虛擬化技術、移動操作系統；從理論層面而非操作層面介紹操作系統的功能，理解計算機資源的共享和競爭。

4．算法基礎。算法是計算科學的精髓，是教學的重點之一。介紹算法的起源、算法的3種結構、算法的表示、算法設計基本方法、常見算法（求和、累乘、窮舉、迭代、遞歸、查找與排序）、算法的評價，通過Raptor流程圖實現算法。實踐證明，這樣很容易被初學者理解和掌握。

5．程序設計基礎。介紹高級程序設計語言的特征、程序設計過程和方法、Raptor流程圖編程、基本數據結構。

6. 數據庫基礎。介紹數據庫的體系結構、數據庫模型、結構化查詢語言，以設計某高校學生教學管理系統為例說明數據庫的建立。

7．計算機網絡基礎。介紹網絡基礎知識，當前網絡中常見的、新的概念、技術和應用。以組建家庭網絡為例，介紹傳統局域網、無線局域網、電力線載波局域網的組建。

8．計算機信息安全。介紹數據加密技術、數字簽名與數字證書、用戶身份識別等信息安全基礎；用網絡防火墻、無線網絡安全管理、漏洞掃描、運行隔離阻擋信息安全的威脅，深入淺出地闡釋與一般用戶相關的信息安全知識，解決一般用戶關心的信息安全問題。

針對實驗教學內容，我們進行了如下設計。

1．計算機組成及操作。通過微型計算機的組裝了解微型計算機各部件及其組成。

2．Windows操作系統。了解Windows 7的操作和虛擬機的使用。

3．Microsoft Word 2010。以一篇畢業論文為素材進行長文檔排版，掌握科技論文的編排；完成一個圖文表混排的文檔。

4．Microsoft Excel 2010。用Excel完成一個學生成績的綜合管理和數據的圖表化。

5. Microsoft Powerpoint 2010。通過一個元旦晚會的演示文稿，掌握演示文稿中文字、動畫、聲音和視頻的添加。

6．程序設計基礎。完成順序結構、分支結構、循環結構、循環和分支結構流程圖編程；運用FreeMind繪制思維導圖，運用XMind繪制魚骨圖。

7．計算機網絡。完成無線路由器的設置和無線局域網上網，組建電力線載波局域網。

8．計算機信息安全。掌握如何保護自己的隱私和秘密，網絡安全技術的使用。

教育需要創新，“大學計算機基礎”課程的教學應該教什么（內容）？如何教（方法）？在當前形勢下，探索以計算思維為導向的教學設計，使教師和學生真正能夠在教學中學會構建計算環境、進行問題求解，是我們正在尋找的突破點。

參考文獻：

[1] 教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會. 高等學校計算機基礎教學發展戰略研究報告暨計算機基礎課程教學基本要求[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[2] Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM. 2006, 49(3).

[項目來源：教育部高等教育司大學計算機課程改革項目（2-4）“基于計算思維的地方高校大學計算機基礎課程教學改革與實踐”]

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