王文軍+王靜+張葉娥

（1.大同大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037009）（2.大同大學(xué) 教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037009）

摘 要：高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程擔(dān)負(fù)著教導(dǎo)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)以及普及與推廣計(jì)算手段的重任。面對(duì)知識(shí)膨脹與學(xué)時(shí)數(shù)壓縮的困境以及對(duì)基礎(chǔ)課程核心價(jià)值的質(zhì)疑，提出基于計(jì)算思維的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程核心價(jià)值的定位策略，在此基礎(chǔ)上結(jié)合通用計(jì)算手段，面向?qū)I(yè)計(jì)算手段躍遷的現(xiàn)實(shí)需求，構(gòu)建“寬專融”的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；核心價(jià)值；基礎(chǔ)課程定位；“寬專融”課程體系

1 背 景

偉大的革命導(dǎo)師恩格斯說(shuō)過(guò)，任何一門科學(xué)的真正完善在于數(shù)學(xué)工具的廣泛應(yīng)用，即一門學(xué)科若不能充分利用數(shù)學(xué)手段就不能稱之為科學(xué)。那么，可以演繹說(shuō)一門學(xué)科若沒(méi)有充分利用計(jì)算機(jī)手段不能稱之為現(xiàn)代科學(xué)[1]。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)作為大學(xué)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的第一門計(jì)算機(jī)課程，其重要性毋庸置疑。一方面，由于長(zhǎng)期以來(lái)大部分高校對(duì)于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的定位更多地停留在軟件工具的操作培訓(xùn)層面，加上計(jì)算機(jī)操作技能培養(yǎng)在中小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)中的普及，致使出現(xiàn)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程“狹義工具論”的論斷以及高校對(duì)其大肆裁課的狀況；另一方面，隨著社會(huì)信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，社會(huì)整體對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)的能力提出了更迫切的要求，如具備支持各學(xué)科研究創(chuàng)新的新型計(jì)算手段以及應(yīng)用這些手段進(jìn)行各學(xué)科的研究與創(chuàng)新。面對(duì)兩方面的壓力，作為高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程實(shí)施的教研人員，如何構(gòu)造出一套既能在頂層思維統(tǒng)籌又行之有效的解決策略，值得探索研究。

周以真教授計(jì)算思維[2]概念的提出使得各高?；A(chǔ)教研人員眼前一亮，于是全國(guó)各高校先后掀起了一輪基于計(jì)算思維的基礎(chǔ)教學(xué)改革。我們?cè)噲D通過(guò)以計(jì)算思維為導(dǎo)向，探索思維層面引導(dǎo)與內(nèi)容層面提煉的雙向互動(dòng)式計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革策略。這樣一則力促有一條隱性思維鏈指導(dǎo)學(xué)生有規(guī)律地學(xué)習(xí)，以減少學(xué)習(xí)時(shí)間，提升學(xué)習(xí)效率；二則思維規(guī)律猶如一條條通向自己專業(yè)領(lǐng)域的橋梁，使非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生們能夠迅速應(yīng)用、研究和創(chuàng)新各學(xué)科的新型計(jì)算手段。

2 存在的問(wèn)題

2.1 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的定位及核心價(jià)值不明確

此前，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)注重其所具有的工具屬性，這種教學(xué)模式在特定時(shí)期內(nèi)有效地滿足了學(xué)生技能培養(yǎng)的需求，但目前仍有相當(dāng)一部分高校的基礎(chǔ)教學(xué)部門出于慣性，對(duì)于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的定位仍然更多地側(cè)重于軟件工具的操作培訓(xùn)，尤其是在計(jì)算機(jī)操作技能的普及程度逐步下放到中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)中的背景下，以軟件工具操作為主要教學(xué)內(nèi)容的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程遭受到來(lái)自高校和社會(huì)的普遍質(zhì)疑。不難發(fā)現(xiàn)，這些質(zhì)疑的本質(zhì)是現(xiàn)有各高校在知識(shí)/技能性傳授層面培養(yǎng)的通用計(jì)算手段與現(xiàn)實(shí)社會(huì)對(duì)各學(xué)科學(xué)生專業(yè)計(jì)算手段的需求之間存在巨大的鴻溝，如圖1所示。那么，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)作為非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的第一門計(jì)算機(jī)課程，存在的必要性及核心價(jià)值是什么呢？

2.2 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容穩(wěn)定性有待提高

置身于當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的大背景下，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)作為多數(shù)高校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的第一門課程，其教學(xué)內(nèi)容體系如何構(gòu)建備受關(guān)注，總不至于緊跟計(jì)算機(jī)各種工具更新的步伐以延續(xù)以工具分類的課程教學(xué)內(nèi)容體系，而且在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)不可能窮盡所有的工具實(shí)施教學(xué)。我們認(rèn)為應(yīng)該在該課程中講授一些如計(jì)算學(xué)科中不變的東西、利用計(jì)算機(jī)解決各學(xué)科問(wèn)題的一般方法等內(nèi)容，因此需要綜合考慮思維能力培養(yǎng)、學(xué)科知識(shí)傳授和應(yīng)用技能訓(xùn)練三者之間的關(guān)系，合理解決第一門課的多樣和統(tǒng)一、變與不變的關(guān)系，兼顧課程內(nèi)容的適用性和穩(wěn)定性，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的緊迫任務(wù)。

3 問(wèn)題的解決思路與探索

在當(dāng)前的信息化社會(huì)，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程所依賴的計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程技術(shù)等發(fā)展極為迅速，知識(shí)更新周期越來(lái)越短；該課程作為非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的第一門計(jì)算機(jī)通識(shí)類課程，不僅要考慮知識(shí)膨脹與學(xué)時(shí)數(shù)壓縮之間的矛盾，還要考慮如何讓學(xué)生們?cè)谟邢薜膶W(xué)時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算手段向?qū)I(yè)計(jì)算手段的有效轉(zhuǎn)化躍遷，使其有能力適應(yīng)日新月異的專業(yè)領(lǐng)域環(huán)境?，F(xiàn)實(shí)的困境急切地呼喚著一種思維方式統(tǒng)籌上的教學(xué)模式變革。

人類通過(guò)思考自身的計(jì)算方式，研究能否由外部機(jī)器模擬來(lái)代替人類實(shí)現(xiàn)計(jì)算的過(guò)程，從而誕生了現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算工具。早在1972年，圖靈獎(jiǎng)得主Edsger Dijkstra就曾說(shuō)“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也深刻地影響著我們的思維能力”[3]。計(jì)算思維被定義為進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。既然是一種思維，難免有抽象和空洞的特征，要由其統(tǒng)籌全局，首先須考慮的問(wèn)題應(yīng)該是計(jì)算思維包含哪些核心概念；然后圍繞核心概念解決計(jì)算思維的“落地”問(wèn)題，即結(jié)合思維和知識(shí)層面的雙向聯(lián)動(dòng)，從而解決計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容穩(wěn)定性問(wèn)題；最后考慮得出計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的核心價(jià)值。

3.1 計(jì)算思維的核心概念

源于ACM主席Denning教授對(duì)計(jì)算的原理分析，我們更具體地對(duì)計(jì)算思維的分類及核心概念進(jìn)行梳理總結(jié)，見(jiàn)表1。

3.2 計(jì)算思維的“落地”

如何由知識(shí)傳授轉(zhuǎn)為基于知識(shí)的思維傳授？思維性教學(xué)已被提倡了很久，為什么沒(méi)有很好地落實(shí)下去？那是因?yàn)轶w現(xiàn)計(jì)算思維范疇的各核心概念與計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)沒(méi)有得到恰當(dāng)?shù)芈鋵?shí)及滲透，導(dǎo)致計(jì)算思維核心概念體現(xiàn)在教材層面的因教材而異、講授層面教師的隨心所欲和理解層面學(xué)生的千差萬(wàn)別。表2是我們結(jié)合多年教學(xué)研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)整理的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)3個(gè)領(lǐng)域內(nèi)容與計(jì)算思維知識(shí)點(diǎn)融合的內(nèi)容體系布局。

3.3 計(jì)算思維的培養(yǎng)及計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的核心價(jià)值定位

綜合分析課程面臨的危機(jī)以及受其培養(yǎng)學(xué)生具備的通用計(jì)算手段與社會(huì)急切期盼學(xué)生掌握的專業(yè)計(jì)算手段之間的巨大鴻溝，我們認(rèn)為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革的探索點(diǎn)必須是強(qiáng)化思維性教學(xué)，強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維特別是可實(shí)現(xiàn)思維的頓悟與培養(yǎng)，以思維引導(dǎo)輻射一系列的相關(guān)知識(shí)技能塊。我們以0、1思維和遞歸思維的例子說(shuō)明思維與知識(shí)的雙向流程。

3.3.1 0、1思維

以計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制編碼為例，如果單純從知識(shí)的角度，這些內(nèi)容可講可不講，但從0和1思維角度考慮，這是計(jì)算機(jī)及其自動(dòng)化基本思維的任督二脈，將此二脈打通對(duì)于學(xué)生們此后掌握與信息相關(guān)的通用及專業(yè)方面各知識(shí)點(diǎn)有醍醐灌頂之效。例如，按如下順序?yàn)閷W(xué)生講授二進(jìn)制的現(xiàn)實(shí)表示與存儲(chǔ)時(shí)，現(xiàn)實(shí)世界可以表示為0和1→用0和1可進(jìn)行邏輯與算術(shù)運(yùn)算→0和1可以用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)→用二、三極管等實(shí)現(xiàn)基本門電路→組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)→芯片（層次化復(fù)雜組合邏輯電路）。一路沿線均涉及大量的相關(guān)學(xué)科知識(shí)和應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)學(xué)生今后的專業(yè)知識(shí)研究與拓展有提綱挈領(lǐng)功效。0和1思維可以相關(guān)到描述現(xiàn)實(shí)世界的“陰爻”和“陽(yáng)爻”易經(jīng)知識(shí)；用0和1進(jìn)行邏輯與算術(shù)運(yùn)算涉及布爾代數(shù)、電工電子等學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)；用晶體管實(shí)現(xiàn)基本門電路涉及模擬、數(shù)字電路、信號(hào)與系統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)；用0和1思維構(gòu)造層次化復(fù)雜組合邏輯電路，涉及芯片組、人工智能等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W科知識(shí)；而計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)結(jié)，形成網(wǎng)絡(luò)上信息的互通，構(gòu)成了我們依賴程度越來(lái)越深的網(wǎng)絡(luò)世界，這是用0和1思維將人類生存的模擬世界轉(zhuǎn)換為數(shù)字世界，形成實(shí)體與虛擬兩個(gè)世界交互纏結(jié)的新景觀，如圖2所示。

3.3.2 遞歸思維

遞歸顧名思義分為遞（反復(fù)、遞減）和歸（歸路、出口），在自然界，我們遇到一個(gè)不會(huì)解的問(wèn)題，都會(huì)盡量想辦法把這個(gè)問(wèn)題拆解分治，這就是“遞”的思維，當(dāng)然遞的次數(shù)有可能出現(xiàn)無(wú)窮，“遞”的目的是找到“歸”出口，即解決問(wèn)題的歸宿。對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，反復(fù)的“遞”實(shí)在太枯燥和低效，就像那個(gè)著名的笑話“從前有座山……”但是計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力相當(dāng)強(qiáng)，而且會(huì)快速不厭其煩地反復(fù)“遞”下去，直到“歸”出現(xiàn)，求得最終的解，因此遞歸就是一種典型的計(jì)算思維。遞歸思維涉及的學(xué)科知識(shí)與應(yīng)用領(lǐng)域多到令人贊嘆，如圖3所示，涉及視覺(jué)美學(xué)的德羅斯特效應(yīng)（Droste effect）、傳媒及心理學(xué)領(lǐng)域電影——盜夢(mèng)空間（Inception）、計(jì)算機(jī)中文件夾的復(fù)制、掃雷游戲的設(shè)計(jì)、圖的搜索、回溯、《禮記·大學(xué)》的“古之欲明明德于天下者，先治其國(guó)……”修身齊家治國(guó)平天下名篇、漢諾塔問(wèn)題（Tower of Hanoi）、斐波那契數(shù)列（Fibonacci Sequence）以及由這個(gè)數(shù)列構(gòu)成的與植物學(xué)中關(guān)系極為密切的級(jí)數(shù)，如所有花朵的花瓣數(shù)、菠蘿表皮方塊形鱗苞形成兩組旋向相反的螺線、向日葵花盤等[4-5]。

這樣，我們實(shí)施計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)通識(shí)教學(xué)時(shí)，在有限的課時(shí)內(nèi)，抓住一點(diǎn)（0和1思維、遞歸思維）能夠帶動(dòng)影響一面，一方面，為日后學(xué)生們?cè)诟髯詫I(yè)領(lǐng)域?qū)W習(xí)時(shí)能夠事半而功倍；另一方面，為學(xué)生隨著知識(shí)技能的不斷積累，化繁為簡(jiǎn)，在各學(xué)科、各領(lǐng)域之間尋找規(guī)律、提煉共性思維等方面提供借鑒之處。這正是實(shí)現(xiàn)思維“落地”與眾多學(xué)科交叉的雙向互動(dòng)教學(xué)模式精髓體現(xiàn)的實(shí)例，讓青年學(xué)生能在雙向互動(dòng)的教學(xué)模式中，形成各知識(shí)點(diǎn)間環(huán)環(huán)相扣、層層推導(dǎo)的思維意識(shí)。

計(jì)算思維的核心概念還有很多，教師須從學(xué)生喜歡并易于接受的案例入手，將各核心思維的概念和思維方法顯現(xiàn)出來(lái)，并引導(dǎo)學(xué)生將其應(yīng)用于各自學(xué)科研究及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)各核心思維的“落地”效果。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的核心價(jià)值就蘊(yùn)含在計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)中，建立在可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上的能夠?qū)崿F(xiàn)雙向互動(dòng)的思維教學(xué)上。雙向互動(dòng)的思維性教學(xué)理念可概括為知識(shí)隨著思維的講解而展開(kāi)，思維隨著知識(shí)的貫通而形成，能力隨著思維的理解和訓(xùn)練而提高[6-7]。

4 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)“寬專融”的課程體系構(gòu)建

面對(duì)知識(shí)膨脹與學(xué)時(shí)數(shù)壓縮的雙向夾逼，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程若采取緊隨技術(shù)更新步伐、注重技能不斷提升的教學(xué)改革方向，必然導(dǎo)致“狹義工具論”的課程定位以及遭受質(zhì)疑的危機(jī)后果。那么，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程如何定位及其課程體系如何構(gòu)建，才能在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)既讓學(xué)生掌握通用計(jì)算手段，又為其向?qū)I(yè)計(jì)算手段的躍遷提供有效的途徑？我們提出了基于計(jì)算思維的基礎(chǔ)課程核心價(jià)值平臺(tái)上的“寬專融”大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系，如圖4所示。

“寬”是指通識(shí)型課程，“專”是指專業(yè)型課程，“融”是指交叉型課程。通識(shí)型課程服務(wù)于學(xué)校公共基礎(chǔ)教學(xué)和基本素質(zhì)培養(yǎng)，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本理解和對(duì)計(jì)算工具的應(yīng)用技能，同時(shí)在教學(xué)過(guò)程中注重學(xué)生對(duì)核心計(jì)算思維的提煉意識(shí)與演繹。專業(yè)型課程根據(jù)不同專業(yè)類別的需要，圍繞相應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)組織課程內(nèi)容，深入講解若干種具體的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。交叉型課程則是隨著計(jì)算技術(shù)在各專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入而產(chǎn)生的一類新的課程形式，這些課程不僅在內(nèi)容上以相應(yīng)專業(yè)為背景并融合計(jì)算機(jī)技術(shù)，同時(shí)還可以反映出各學(xué)科領(lǐng)域新的發(fā)展方向。

對(duì)于不同辦學(xué)層次的各個(gè)高校而言，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程設(shè)置不僅要考慮計(jì)算機(jī)教學(xué)的基礎(chǔ)課特性，而且須考慮各專業(yè)人才培養(yǎng)時(shí)其計(jì)算工具的應(yīng)用特點(diǎn)，各專業(yè)分門別類、各成體系，其知識(shí)點(diǎn)更似繁星點(diǎn)點(diǎn)。如何打破計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)環(huán)境使用技能與各專業(yè)實(shí)踐應(yīng)用所需的計(jì)算技術(shù)之間的屏障，即實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)通識(shí)類課程培養(yǎng)的通用計(jì)算手段向各專業(yè)計(jì)算手段的躍遷，唯有尋找到計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)體系中各知識(shí)點(diǎn)的規(guī)律并提煉共性，沉淀成一個(gè)個(gè)可實(shí)現(xiàn)的核心思維，才能融聚成一個(gè)個(gè)核心思維的基礎(chǔ)通識(shí)類課程，這就如同蒲公英一樣，學(xué)生們?cè)诨A(chǔ)課程中掌握的每個(gè)核心思維像一顆顆種子，將引導(dǎo)并加快其在各自專業(yè)領(lǐng)域計(jì)算技術(shù)的掌握進(jìn)程。

5 結(jié) 語(yǔ)

在當(dāng)前的信息化社會(huì)，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)作為非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的第一門計(jì)算機(jī)通識(shí)類課程，如何讓學(xué)生有能力適應(yīng)瞬息萬(wàn)變的外部環(huán)境是學(xué)習(xí)本門課程的關(guān)鍵。我們立足于計(jì)算思維培養(yǎng)的理念，提出了基于知識(shí)的技能傳授向基于應(yīng)用的思維能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)換的教學(xué)改革思路，定位了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的核心價(jià)值，基于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程核心價(jià)值平臺(tái)構(gòu)建了“寬專融”的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系，充分考慮其如何與各專業(yè)教育良好結(jié)合，從而為各非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生掌握通用計(jì)算手段向?qū)I(yè)計(jì)算手段的躍遷提供了有效途徑。

基金項(xiàng)目：山西省高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目（J2013072）；山西省軟科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013041069-03）；山西大同大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目（XJG2014219）；山西大同大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)重點(diǎn)項(xiàng)目（XDC2016116）。

第一作者簡(jiǎn)介：王文軍，男，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘、圖分析與可視化研究，wwjwajun@126.com。

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（編輯：宋文婷）