金 秀，丁春榮

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230001）

基于計算思維的農(nóng)科院校計算機(jī)教學(xué)模式研究與應(yīng)用

金 秀，丁春榮

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計算機(jī)學(xué)院，安徽 合肥 230001）

本文在計算思維概念的基礎(chǔ)上，對農(nóng)業(yè)院校計算機(jī)教學(xué)模式進(jìn)行了探討，分析了計算思維與農(nóng)業(yè)類型專業(yè)的關(guān)系，構(gòu)建了新的計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)模式，針對不同類型學(xué)生來進(jìn)行計算思維的培養(yǎng)，本文最后簡要的綜述了現(xiàn)階段農(nóng)科院校中進(jìn)行計算機(jī)文化基礎(chǔ)改革情況，并對現(xiàn)有的問題和困難提出了建設(shè)性意見.

計算思維；課程體系改革；教學(xué)模式；專業(yè)能力；創(chuàng)新能力

1 背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

計算思維不僅是計算機(jī)專業(yè)的應(yīng)用方法，而且是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題，包括如何使用程序設(shè)計概念、算法概念、硬件設(shè)計概念等方法，去求解社會經(jīng)濟(jì)問題、設(shè)計各種類型系統(tǒng)和理解人類的基本行為等.它涵蓋了計算機(jī)科學(xué)廣度的一系列思維活動，國際上廣泛認(rèn)同的計算思維的定義來自麻省理工的周以真教授[1].周教授認(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.當(dāng)初的計算機(jī)教學(xué)模式一直延續(xù)至今的都是一種知識型/技能型，如:二進(jìn)制、微機(jī)原理、程序設(shè)計語言等.計算思維雖然有著計算機(jī)科學(xué)的許多特征，但是計算思維本身卻不是計算機(jī)科學(xué)專屬[2].它是由于計算機(jī)對于信息和符合的快速處理能力，使得許多原本只是理論可以實(shí)現(xiàn)的過程變成了實(shí)際可以實(shí)現(xiàn)的過程.計算思維吸取了問題求解所采用的一般數(shù)學(xué)思維方法、現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計與評估的一般工程思維方法以及復(fù)雜性、智能、心理、人類行為的理解等一般科學(xué)思維方法，所以這里提出的計算思維不是狹義的計算機(jī)編程.

2 計算思維基本概念

計算思維在計算機(jī)的很多課程中都有所體現(xiàn)，所以最主要的是進(jìn)行計算思維的內(nèi)容精煉.在計算機(jī)的程序設(shè)計中具有很多的思維概念，程序設(shè)計課程中有一個非常重要的代表就是算法[3].算法是指方案的準(zhǔn)確并且完整的描述，是一系列解決問題的清晰指令，算法代表了計算機(jī)中解決問題的策略機(jī)制，而且廣為其他的學(xué)科應(yīng)用.計算機(jī)基礎(chǔ)課程中計算機(jī)系統(tǒng)也包含計算思維概念，計算機(jī)系統(tǒng)包括了計算機(jī)結(jié)構(gòu)和微型計算機(jī)系統(tǒng)等幾個模塊，在微型計算機(jī)中主要給學(xué)生介紹了計算機(jī)的軟硬件組成，這里擁有者豐富的計算思維概念.計算思維還在計算機(jī)專業(yè)的2個重要的領(lǐng)域有著突出的表現(xiàn)，這2個領(lǐng)域分別是數(shù)據(jù)庫和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò).數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在應(yīng)用的范圍非常廣泛，在經(jīng)濟(jì)、生物、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域有著不可缺少的作用.而數(shù)據(jù)庫的學(xué)習(xí)核心是數(shù)據(jù)庫的基本原理即數(shù)據(jù)的抽象化，并且利用數(shù)據(jù)庫的原理來解決實(shí)際的問題.其中數(shù)據(jù)的抽象、轉(zhuǎn)化是教會學(xué)生用計算思維的方式描述一個實(shí)際的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，理解數(shù)據(jù)庫中的計算思維可以有利于學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)中跨學(xué)科的研究.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計算思維培養(yǎng)的重要領(lǐng)域，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中有很多的概念和方法可以抽象為計算思維來應(yīng)用到其他的學(xué)科中，其中比較典型的例子就是將社會中的各種元素抽象為一個網(wǎng)絡(luò)，然后利用網(wǎng)絡(luò)的方法來解答出許多金融社會等各個領(lǐng)域的問題.這種定義非常的靈活，有許多不同形式的關(guān)系或者聯(lián)系都可以定義為網(wǎng)絡(luò)，所以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念就是計算思維.

3 農(nóng)科院校的計算思維教學(xué)模式研究與應(yīng)用

農(nóng)科院校對于計算機(jī)文化基礎(chǔ)的課程現(xiàn)有的最重要的教學(xué)模式就是分類教學(xué)，通過進(jìn)校的分級考試和學(xué)生興趣調(diào)查，針對不同類型的學(xué)生進(jìn)行不同教學(xué)內(nèi)容，可以用模式1+X來描述[4]，‘1’代表著計算機(jī)文化基礎(chǔ)課程，面向的對象主要是對計算機(jī)需要從基礎(chǔ)了解的學(xué)生，‘x’表示更高層次的多種類型計算機(jī)課程，面向的教學(xué)對象是進(jìn)一步學(xué)習(xí)的非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生.所以很多情況下只要學(xué)生的計算機(jī)基礎(chǔ)良好，就直接忽略的‘1’的這個基礎(chǔ)教學(xué)過程，直接的跳入到了X的這個教學(xué)過程中.

表1 非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生興趣調(diào)查

但根據(jù)調(diào)查和教學(xué)研究，學(xué)生對于計算機(jī)的高級應(yīng)用學(xué)習(xí)的興趣和能力并不像分類考試中表現(xiàn)的那樣突出，所以1+x模式具有很大的缺陷，主要體現(xiàn)在無法與學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容達(dá)到一個平衡點(diǎn)，即會產(chǎn)生過度簡單使學(xué)生忽視的現(xiàn)象，又會產(chǎn)生過度專業(yè)使得學(xué)生失去興趣的現(xiàn)象.表1針對非計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生一個調(diào)查，重點(diǎn)觀察學(xué)生的興趣和需求主要集中在什么區(qū)域.調(diào)查表中發(fā)現(xiàn)絕大部分學(xué)生對程序設(shè)計感興趣的偏少，主要的分布在計算機(jī)基礎(chǔ)、多媒體、網(wǎng)絡(luò)、安全和農(nóng)林計算機(jī)相關(guān)知識.所以為了培養(yǎng)學(xué)生計算機(jī)的能力和興趣，需要改革的不僅是教學(xué)模式，更重要的是計算機(jī)文化基礎(chǔ)教育的內(nèi)容，必須改變將計算機(jī)當(dāng)作工具的認(rèn)知.

針對現(xiàn)有的絕大部分農(nóng)科院校采取的1+x計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)模式已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)在的非計算機(jī)類型學(xué)生的問題，、為了使得計算思維與專業(yè)更好的相結(jié)合，本文提出了新的教學(xué)模式‘X+Y’，X是以前‘1’的內(nèi)容上擴(kuò)充，主要的目的是讓計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)從一開始就涉及到計算思維的培養(yǎng)，Y表示的是計算機(jī)文化基礎(chǔ)課程后的高級計算機(jī)課程,如圖1所示.

圖1 'X+Y'計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)模式

農(nóng)科院校的專業(yè)大致可以分成農(nóng)學(xué)類、理科類、人文社科類三個方向，這里也主要針對這3方向?qū)I(yè)教學(xué)進(jìn)行分析和研究.X代表的是不同方向計算機(jī)文化基礎(chǔ)課程總和，面向教學(xué)對象也是各個方向的學(xué)生，但是由于每個大類方向?qū)τ谟嬎銠C(jī)基礎(chǔ)要求有所不同，所以通過針對這三種方向的學(xué)生來制定不同的計算機(jī)知識體系，會有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)良好計算思維，再將計算思維應(yīng)用于專業(yè)上，則更加有利于學(xué)生興趣的培養(yǎng).

3.1 農(nóng)學(xué)類應(yīng)用到的計算機(jī)知識主要是農(nóng)林業(yè)信息化技術(shù)、數(shù)字農(nóng)業(yè)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，尤其是數(shù)據(jù)庫的知識，所以數(shù)據(jù)庫的基本概念等內(nèi)容是農(nóng)學(xué)類的主要方向.其知識體系可以包括如下內(nèi)容：（1）計算機(jī)緒論；（2）of f i ce辦公系統(tǒng)應(yīng)用；（3）數(shù)據(jù)的組織與管理；（4）微型計算機(jī)原理；（5）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法介紹；（6）數(shù)據(jù)庫基本概念.其中重點(diǎn)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容.

3.2 理科類主要涉及到的計算機(jī)知識是程序設(shè)計、計算機(jī)組成、數(shù)據(jù)庫基本概念等.其知識體系包括如下內(nèi)容：（1）計算機(jī)系統(tǒng)與概念；（2）of f i ce辦公系統(tǒng)應(yīng)用；（3）信息表示與存儲;（4）數(shù)據(jù)的組織與管理；（5）程序設(shè)計語言與算法；（6）信息傳輸與網(wǎng)絡(luò)；（7）數(shù)據(jù)庫基本概念.其中程序設(shè)計語言與算法、信息傳輸與網(wǎng)絡(luò)是理科類的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容.

3.3 人文社科類主要應(yīng)用計算機(jī)知識包含了（1）計算機(jī)與計算思維；（2）計算機(jī)發(fā)展與基礎(chǔ)知識；（3）計算機(jī)硬件系統(tǒng)；（4）計算機(jī)軟件系統(tǒng)；（5）計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)；（6）多媒體技術(shù)基礎(chǔ).（7）數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ).其中以計算機(jī)的基本概念和知識的普及為主要目的.

由于X模式中已經(jīng)為三種大類方向設(shè)置了不同計算機(jī)知識體系，當(dāng)學(xué)生完成X模式后基本上可以掌握計算思維的基本概念，Y模式主要是為感興趣或者準(zhǔn)備深入學(xué)習(xí)計算機(jī)內(nèi)容的學(xué)生準(zhǔn)備的.下面整理出了Y模式中需要掌握的基本內(nèi)容體系，其主要內(nèi)容包括了計算機(jī)程序設(shè)計、數(shù)據(jù)庫基本概念、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體設(shè)計與應(yīng)用、計算機(jī)組成原理等.內(nèi)容與X模式中的有所相似，但是比前面的內(nèi)容要進(jìn)一步的深化.對于農(nóng)業(yè)類的學(xué)生主要方向是通過學(xué)習(xí)計算思維的方法來嘗試解決農(nóng)業(yè)上相似的專業(yè)性問題，對于理科類學(xué)生主要是理解算法和程序上的實(shí)現(xiàn)，對于人文社科類性的方向重點(diǎn)是在概念和基本應(yīng)用上.

課程模式‘X’內(nèi)容主要體現(xiàn)的是思維性的培養(yǎng)和計算思維概念的學(xué)習(xí)，所以整個課程必須從理論出發(fā)，重點(diǎn)在讓學(xué)生掌握方法和概念.所以在本校教改中總共設(shè)置了56了學(xué)時，針對農(nóng)業(yè)類和理科類其中40個學(xué)時安排給學(xué)生進(jìn)行理論教學(xué)，另外16個學(xué)時安排給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)；而針對人文社科類，分配了28學(xué)時作為理論教學(xué)，另外的28個學(xué)時作為實(shí)驗(yàn)教學(xué).農(nóng)業(yè)類和理科類理論教學(xué)主要涉及的模塊：問題求解、微型計算機(jī)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫的基本概念、數(shù)據(jù)的組織和管理，主要進(jìn)行計算思維講授和基本素質(zhì)培養(yǎng)兩個方面.而人文社科類的理論教學(xué)主要設(shè)計的模塊：計算機(jī)與計算思維、計算機(jī)發(fā)展與基礎(chǔ)知識、計算機(jī)硬件系統(tǒng)、計算機(jī)軟件系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、多媒體技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ).農(nóng)學(xué)類與理科類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相對與理論教學(xué)獨(dú)立一些，主要涉及了office辦公系統(tǒng)、程序設(shè)計、數(shù)據(jù)庫管理這幾個方面.人文社科類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要是幫助學(xué)生理解理論教學(xué)的內(nèi)容，是以應(yīng)用為核心，主要內(nèi)容涉及到：office辦公系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理、多媒體軟件使用、其他軟件的應(yīng)用等.

課程模式中的‘Y’主要為了給具有一定能力的學(xué)生開拓更加廣闊的知識面，并且針對部分專業(yè)來與計算思維結(jié)合做進(jìn)一步的學(xué)習(xí).其中最為重要的2個方向是計算機(jī)程序設(shè)計和數(shù)據(jù)庫基本概念.針對人文社科類的學(xué)生‘Y’模式可以憑自身興趣進(jìn)行選擇，而針對農(nóng)業(yè)類和理科類的學(xué)生這里比較建議繼續(xù)選擇‘Y’模塊進(jìn)行學(xué)習(xí).在這次教改中也針對農(nóng)學(xué)類和理學(xué)類學(xué)生的‘Y’模式給出了56個教學(xué)課時，這次的課時全部是在機(jī)房完成，通過邊講解邊上機(jī)進(jìn)行教學(xué)，不僅僅要求從概念上了解，更多的是要求學(xué)生可以使用計算機(jī)解決實(shí)際的問題.這里要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，雖然是上機(jī)教學(xué)但是其側(cè)重點(diǎn)還是以思維鍛煉為主，不能只是介紹程序設(shè)計內(nèi)容或者數(shù)據(jù)庫概念等，設(shè)計出的教學(xué)模塊一定要是思維性為主導(dǎo)，而不是以工具性為主導(dǎo)的.

在這次教學(xué)改革后，針對教改的學(xué)生開展了問卷調(diào)查，調(diào)查的主要包括課程內(nèi)容、課程難度、理解和接受程度、對計算思維的認(rèn)知等，從問卷統(tǒng)計的調(diào)查結(jié)果表明：80%以上的學(xué)生認(rèn)為課程有一定的價值和意義；90%的學(xué)生總體上認(rèn)可課程內(nèi)容，理解計算思維的基本概念；67%以上的學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)后對以后有一定意義.

〔1〕MIT.Introduction to Computer Science and Programming [EB/OL].http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computerscience/6-00-introduction-to-computer-science-and-programming-fall-2008.

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1673-260X（2012）10-0213-03

安徽省教育廳教研項(xiàng)目（20100306）