计算思维和MOOC理念下的计算机导论课程

谭红叶，王文剑，李 茹

(山西大学计算机与信息技术学院，山西太原030006)

摘要：针对计算机教育面临的新形势，分析国外一流大学计算机导论课的现状，提出重新规划面向计算思维培养的计算机导论课程内容，阐述利用MOOC资源开展混合教学模式的方案，探讨MOOC资源选择、课上内容和课下习题设计等几个重要问题。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：计算机导论；计算思维；MOOC；教学改革

文章编号：1672-5913(2015)15-0046-04 中图分类号：G642

基金项目：2015年山西省高等学校教学改革项目(12015003)；山西省研究生教育改革研究立项重点课题( 20122001)；2011年山西省高等学校教学改革项目(J2011005)。

第一作者简介：谭红叶，女，副教授，研究方向为人工智能、自然语言处理，hytan_2006@126．com。

0 引 言

计算机导论是计算机学科一门重要的基础课程，学好这门课能使学生了解学科概貌、理解学科核心概念、领会学科内涵、了解与后续课程之间的联系和特点。近年来该课程也面临着挑战：①导论导什么，一直是人们争论探索的问题[1-4]。②内容覆盖面广，但学时有限，一般为24～32个学时。③学生起点参差不齐。有的同学经过中学学习，已具备一定的操作和编程能力；有的同学则对计算机操作还比较陌生，教师很难找到适合所有学生的方法。④目前的教科书视角多样化，有的是计算机领域主要课程内容的简化堆砌，有的是一些常用软件的操作教程。

有研究者提出，计算机导论的主要作用为“五导”：导知识、导方法、导思维、导意识和导职业。我们认为该课程应集思维性、方法性、知识性、实时性于一体，以训练良好的计算思维意识和方法为主，建立计算机科学的整体框架，为后续课程的学习奠定坚实的基础。

1 计算机教育面临的新形势

计算思维( computational thinking)是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维代表着一类普遍的认识和普适的技能，每一个人都应了解它的运用，这是周以真教授对计算思维的定义和解释。这个概念的提出使计算思维在计算机教育界备受关注，使人们对计算机科学的认知从狭义工具论转变为计算思维，使计算机学科的教育从操作技能和编程能力的培养提升为计算思维的内化和养成。

与此同时，由美国硅谷发起并在全世界迅速崛起的大规模开放在线课程( massive openonline course．MOOC)影响了全球高等教育，也引发了许多关于MOOC教育的研究和思考。MOOC的主要优势是：①提供优质教育资源，实现教育平等，使全球各地的受教育者接受和享受世界顶级教育成为可能。②拓展学校范围，学生的学习方式更加灵活，不仅可选择适合自己的时间和地点进行学习，而且整个学习过程可根据自己的接受能力灵活调整。③教授者可通过交互式即时测试，及时了解学生对知识的掌握情况并提供个性化的帮助。加州大学伯克利分校的阿曼多·福克斯教授和戴维·帕特森教授，还提出小规模私有在线课程( small private online course，SPOC)理念用于MOOC与校园教学的结合，并在世界各地的混合式教学实践中取得良好效果。

这些新理论和新技术给大学计算机教育带来了重大机遇和挑战，因此，计算机教育者有必要重新梳理计算机课程的教学目标、内容、方法和形式，利用新理念和新技术提升学生学习效果。

2 国外一流大学计算机导论课现状

过去十几年，随着IT泡沫崩裂和金融危机的爆发，国际对IT人才的需求于2005年跌至最低。2007年，这种现象开始改变。美国政府的一份报告显示：IT人才就业的强劲增长至少会持续到2018年。因此，各大学纷纷开始改革计算机课程教育。

国外著名大学基本都开设了计算机导论性质的课程，但各大学专业优势不同，因此教学侧重点不同。MIT（麻省理工学院）的计算机导论课程名为“Introduction To Computer science andProgramming Using Python”（课程编号6.OO.1X）。课程包括4个主题：计算机科学导论、Python编程、计算思维、数据科学，其中有一个主题专门讲授与计算思维有关的内容。总体来看，该课程特色在于通过Python编程，让学生学习计算思维、编写程序解决现实问题。

CMU（卡耐基梅隆大学）的相应课程名为“Principles of Computing”（课程编号15-110）。该课程名突显计算的核心概念，课程主要内容为程序结构、数据组织、计算领域中的抽象概念、问题求解中的计算准则、经典的计算问题、新计算技术引发的社会伦理和法律问题。

UCSC（加州大学圣塔克鲁兹分校）在美国国家自然基金的资助下，从2011年开始尝试改革计算机导论课( Introduction To ComputerScience，课程编号CMPS10)。从该校2014年春季的课件可以看出，课程强调从计算原理和计算思维两个层面传递“计算、抽象、数据与信息、算法、编程、网络”等重要思想。课程通过增加许多趣味性内容（如图形化编程游戏软件Lightbot），让学生体会程序工作原理和函数级抽象、递归等程序层面的核心概念。课程还包含计算机技术发展引起的社会问题，如数字足迹、隐私、计算机艺术等。

可以看出，上述学校的导论课程，从不同层次和角度强调了计算思维和计算机科学的核心概念与问题。其中，MIT的计算机导论课已发布在edX（MOOC的3个平台之一）之上。

3 面向新形势的计算机导论教学思路

3.1 重新规划课程内容，突出计算思维的培养

结合地方性大学的特点，兼顾计算机能力和素质不同的学生，我们以计算思维培养为主线，重新规划计算机导论的课程内容，从始至终凝练贯穿计算思维概念点，融合计算机界的最新研究和计算思维在跨学科领域的最新应用。课程包括4部分内容：计算机文化、计算机系统和网络、计算理论、计算学科方法论。每一部分都清晰地提出具体的计算思维概念点或学科核心概念，使学生在掌握知识的过程中，以知识、技能、能力为载体，逐步理解和掌握计算思维的基本内容和方法，领会知识背后对学科发展有深刻作用的伟大思想。具体情况见表1。

受《计算机科学概论》作者观点的启发，我们对内容顺序的安排围绕“计算、抽象、算法与形式化、程序、问题求解、计算思维”等概念，从学生易于产生共鸣的主题“数据表示存储、计算机工作原理、操作系统、计算机网络”人手，由浅入深地过渡到较抽象的“计算、可计算、计算模型、算法、计算领域典型问题、计算学科方法论”等内容。在计算理论部分，引入计算学科最新技术，如物联网、云计算、大数据、社会计算以及计算生物学、计算社会学等学科交叉融合案例，引导学生进一步体验计算思维。

3.2 引入MOOC资源，尝试混合教学模式

结合课程特点，我们提出混合教学模式的初步实施方案，见表2。

实施方案中引入基于MOOC资源的在线学习，学习流程涉及传统课堂和在线课堂两种形式，因此是混合教学模式。核心的3个环节是：①课下看视频学习；②课上精讲讨论练习；③课下继续讨论协作完成实践。

整个学习流程以学生为主体，教师起到引导和帮助的作用。其中，第①个环节取决于学生学习的自主性和接受能力；第②③个环节，取决于老师对课上精讲内容和讨论题目的设计是否具有创造性和活力，是否可以激发学生的学习兴趣和内在动力。

混合教学模式打破了传统课堂“课上听讲、课下练习”的模式，对老师和学生提出了新的挑战。例如，对于老师，不仅要选择适合的在线教学内容，而且要设计课上活动和课下习题，还要区分哪些知识学生可自学，哪些必须经过点拨，哪些内容需要通过多次练习才能熟练掌握，哪些原理需要讨论才能明晰。对于学生，由于缺少面对面的沟通，缺乏传统的监督机制，因此需要更强的意志力和责任感，才能完成课程的学习。

因此，本课程将加强以下问题的研究和实践：

(1)MOOC资源的恰当引入。引入什么MOOC资源，引入多少内容，这些内容与本课程的关系是关键问题。目前，网易云课堂有一门中文计算机专业导论课，主讲老师是哈尔滨工业大学的占德臣、聂兰顺等。该课程分为3个子课程：思维与系统、语言与算法、学科与专业。其中涉及计算机系统、程序与算法的内容更强调计算思维的概念和意识，符合我们的教育目标，因此本课程将选择相应内容进行混合模式教学尝试，不断总结应用开放课程资源的得失，及时改进和优化相应课程资源和教学方法，为全面实施混合教学模式提供宝贵经验。

(2)更具活力的课上内容设计。课上内容主要包括两部分：①精讲，旨在将碎片化的知识汇集成完整内容呈现给学生，有效弥补独立学习能力和接受能力偏弱学生的听课局限；②课上讨论，旨在引导学生进行深化课程内容的思辨式讨论，激发学生学习的内在动力。

(3)更具思辨性的课下习题设计。可以让一些问题更具争议性，正确方法或正确答案不止一个，使学生在解决问题的过程中深化思维；引入安全、隐私、责任和社会意识等问题，鼓励学生思考现实社会与课程内容的关系。课程习题分为练习题、章节复习题、思考题。练习题用于复习刚刚学过的零散的知识碎片；章节复习题覆盖整章内容，启发学生整合知识点并解决问题；思考题提供社会问题，激励学生思考讨论并开展课外研究，要求学生提交书面报告或口头报告。此外，还提供实践题，引导学生独立或以小组形式协作完成。

(4)探索建立新评价指标。与传统教学相比，混合模式中需要考虑新的学生行为，如MOOC资源利用情况、线上或课下讨论活跃度、课下习题反馈及正确率等。评价指标要反映学习过程的每个环节，才能增强学生学习的内驱力，充分发挥优质MOOC资源的作用，有效提升混合模式的教学效果。

4 结语

我们利用优质MOOC资源，以计算思维培养为目标，进行计算机导论课程的教学改革，在大学计算机教育体系中具有重要意义。本课程的教学改革实践正在进行中，取得的效果还需进一步验证和分析。相信计算机导论课程的改革，对学生计算思维的内化和养成，对激发学生学习兴趣，扩大学生国内国际视野，都具有积极的推进作用。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：

[1]何钦铭，大学计算机基础教学改革的困惑与跃升[J]中国计算机学会通讯，2012(10): 49-53.

[2]陈钟．斯坦福与北大计算机课程的改革实践[J]．中国计算机学会通讯，2013(1): 46-51．

[3]袁方，王兵，李继民，等．改革教学方法，发挥计算机导论的“五导”作用[J]计算机教育，2011(1): 95-97．

[4]杭月芹，管致锦，陈德裕．计算思维驱动下的计算机导论课程改革[J]．计算机教育，2014(3): 61-64.

[5] Wing J M．计算思维[J]．王飞跃，徐韵文，译．中国计算机学会通讯，2007(11): 77-79.

[6]陈国良，计算思维[J]中国计算机学会通讯，2012(1): 31-34．

[7]战德臣，聂兰顺，计算思维与大学计算机课程改革的基本思路[J]．中国大学教学，2013(2): 56-60.

[8]李廉，计算思维：概念与挑战[J]，中国大学教学，2012(1): 7-12．

[9]冯博琴．计算思维：计算机基础教学改革的第三个里程碑？[J]中国计算机学会通讯，2013(7): 49-52.

[10] Cooper S，Sahami M．对斯坦福MOOC的思考[J]．孙志岗，蒋泽清，译．中国计算机学会通讯，2013(5): 66-69．

[11]吴文峻，美国MOOC考察见闻[J]中国计算机学会通讯，2013(10): 46-50．

[12]孙茂松，从技术和研究角度看MOOC[J]计算机教育，2014(9): 2-4.

[13]肖天骏．MOOC: -个学生的体验与思考[J]中国计算机学会通讯，2013(6): 41-43．

[14]徐葳，杨升浩，吕厦敏，等．MOOC时代，姚班在行动[J]计算机教育，2014(21): 2-6．

[15] EdX. Introduction to Computer Science and Programming Using Python[EB/OLl.[2015-01-16]. https://www.edx.org/course/introduction-computer-science-mitx-6-00-1 x-O#.VJj ZPUAAIE.

[16] CMU. Principles ofComputing [EB/OL]. [2015-01-16]. http://www.cs.cmu.edu/~/5110/.

[17] UCSC. Introduction to Computer Science [EB/OL].[2015-01-16]. https://courses.soe.ucsc.edu/courses/cmpslO/Winter14/01.

[18] Brookshear J G．计算机科学概论[M]．刘艺，肖成海，马小会，等译．北京：人民邮电出版社，2011:前言部分VI.

[19]网易云课堂．计算机专业导论之思维与系统[EB/OL]．[2015-01-16]．http://mooc．study.163．com/c ourse/HIT- 1000003 008#/info.

（编辑：郭田珍）