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人工智能零基础教学范文1
关键词 计算思维 本科教学 通识教育
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkz.2016.01.044
Thoughts on the Teaching of Computational
Thinking for Undergraduate Students
HUANG Shengjun
Abstract Computational Thinking is an important part of the general education for undergraduate students， and plays an important role in training creative talents in the information age. In this paper， the author summaries the problems occurred during his teaching of Computational Thinking， and presents some thoughts on improving the teaching， which include： replacing the single course with a set of courses; performing specific education for different students; focusing more on the way of thinking; and attracting students with various approaches.
Key words computational thinking; undergraduate teaching; general education
0 引言
大学计算机课程是大学通识教育的重要组成部分，其核心价值在于培养学生的计算思维，促进学生创造性思维的形成。2006 年，美国卡内基・梅隆大学（CMU）计算机科学系主任周以真教授首次明确提出了计算思维（Computational Thinking，CT）的概念，①为计算机教育的改革指明了方向。2010 年7 月，在首届“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”上，“985”首批9所高校就大学如何在新形势下提高计算机基础教学的质量、增强大学生计算思维能力的培养形成4 点共识，提出要旗帜鲜明地把“计算思维能力的培养”作为计算机基础教学的核心任务。②
国内高校计算机公共课程的内容和教学方式存在相当的偏差，在很长一段时间内，大部分课程主要局限于讲授计算机的基本概念以及常用/流行软件产品的使用。这些课程仅限于软件操作训练式的“大学计算机基础”及程序设计类课程，而缺乏对计算思维的培养。近年来，计算思维课程逐渐得到重视，已经在全国多所高校成为通识教育的重要内容。与之前的软件操作训练式课程不同，计算思维课程重点让学生感性地认识计算机的工作方式，培养用计算手段解决问题的思维方式。③
笔者所在课程组负责全校各院系大一新生的计算思维课程教学。课程组采用集中备课方式，对讲授内容与授课方式进行了细致的讨论和研究。通过一学期的教学过程，笔者对该课程中存在的一些问题进行了总结，并给出一些自己的思考和可能的改进方向。
1 目前存在的主要问题
计算思维课程首次面向全校范围内大一新生讲授，在教学过程中，笔者总结出以下一些问题：
（1）教学内容的问题。目前计算思维课程的教学内容非常丰富，涉及到计算机专业的各个方向，比如体系结构、算法、数据库、人工智能、网络通信等等。而课程的总学时数仅有24学时。虽然各部分内容仅作介绍性讲解，但时间分配上还是显得非常紧迫。对于部分内容，需要有一些前序知识作为基础才便于学生理解，如果先介绍这些前序知识再讲解则需要更多的课时分配。
（2）学生基础的问题。学生在计算机方面的基础差异巨大。一部分学生在中学时代已经参加过一些计算机方面的竞赛，甚至能熟练地掌握多门编程语言。与此相反的，一部分学生则没有任何计算机基础，有的学生甚至没有接触过计算机。在讲授计算思维课程时，如果照顾零基础的学生，讲得过于简单则会导致部分有基础的学生丧失兴趣，相反则会让无基础的学生跟不上。这样的矛盾非常显著而且难以克服。
（3）学习方式的问题。由于课程面向大一新生，大部分学生仍然习惯于中学传统应试教育模式。实际上计算思维的培养是一个长期、循序渐进、潜移默化的过程，因此该课程的教学更强调宏观的、思维的、感性的认识。而大一学生很容易陷入细节中，专注于求解某一道题，而忽略了从整体上体会利用计算工具求解问题的思维方式。这样的学习方式转变在计算思维课程上显得非常突出，但是对于刚从高中毕业的学生来说非常困难。
（4）学习动机的问题。计算思维作为一门基础课程，不直接和专业相关，会导致部分学生兴趣不大。另外一方面，计算思维课程属于新开课程，其重要性并没有得到学生的正确认识。与专业必修课相比，学生认为计算思维只是一门其它学院开的课程，从心理上默认为不重要的一类课程。而与英语、数学等基础课程相比，学生会将中学时代的认识迁移过来，认为高考涉及到的课程显然更重要。因此计算思维课程虽然在学校和社会层面得到了重视，但是在学生层面仍然处于一个尴尬的地位，使得学生缺乏强烈的学习动机。
2 思考与改进
基于以上提及的问题，结合笔者教学过程的思考，主要提出以下几点改进设想：
（1）设置课程群替代单独课程。高速发展的经济社会要求非计算机专业学生未来应具备的计算能力是掌握支持各学科研究创新的新型计算手段并应用计算手段进行各学科的研究与创新。④不同学科专业的学生对计算思维的理解与掌握方式也不尽相同。如果将目前计算思维单独课程分解为多个课程组成的课程群，每个课程偏向于不同的方向，则有利于面向不同专业的学生提供更切合实际情况的课程教学。一方面，学生能选择与自己专业最相关的课程，提高学习动机与兴趣;另一方面，课程群中每一门课程的教学内容相对集中，有利于在有限的学时内更加深入地讲解相关内容。实际上，像英语基础教学课程就设置了口语、听力、写作等多种课程。计算思维的课程群则可以结合计算机二级学科方向和学校其它专业配置来进行设置。
（2）实施可操作化的分层教学。实施分层教学有利于缓解学生之间基础差异巨大的矛盾。⑤实际上这样的教学方式在其它基础课程教学中已经被广泛采用。例如有些高校的英语课程会根据入学考试对学生进行分级筛选，按照不同的基础水平将学生分到不同的层级进行学习。而大学数学课程则往往根据不同专业学生的要求和基础进行不同难度内容的教学。类似地，计算思维课程也可以分为两至三个层级，让不同基础水平的学生具有更多的选择。此外，即使是同一门课程里，也可以根据学生的不同基础设置不同的考试要求，以及在课后练习等方面体现出差异。分层次教学有利于让所有学生都能学有所获，同时也缓解教师在授课内容准备上的矛盾。
（3）引导学生掌握思维性学习方式。引导学生从中学时代的应试教育学习方式转换为面向思维培养的学习方式。这种学习方式的转变不仅对计算思维课程的学习至关重要，同时也能促进学生在大学期间其它课程学习中的主动性。⑥具体而言，在课堂教学上，尽量关注内在思想的揭示与贯通，而不过分强调细节步骤。在课后作业及考试考核上，尽量关注对学生整体思想及思考方式的评价，而不强调对于细节操作和具体求解的考核。另外，应当充分给予学生独立思考和发表自己看法的时间和机会。这样学生会慢慢接受用思考的方式去理解和掌握计算思维。
（4）多种方式提高学生的学习兴趣和动机。提高学生的学习兴趣和动机能从根本上激发学生的主动性，有利于教学效果的提升。具体而言，可以从以下方式入手。首先，应当强调计算思维的重要性，展示计算思维广泛运用前景以提高学生学习主动性。比如在讲授遗传算法时，通过展示遗传算法在日本高铁车头设计中的实际效果，能够让学生直观地了解该算法的效用。其次，可借助计算机历史故事的介绍以增加课程趣味性。实际上，许多历史故事中蕴含着丰富的计算思维，在增加趣味的同时也有利于学生自然地接受和掌握计算思维。此外，可以强化实验操作并及时反馈以增强学生的动手能力。在笔者的教学过程中，通过鼓励学生利用实验平台制作一些自己感兴趣的简单小游戏，极大地提高了学生的学习热情。另外，可以针对不同的专业进行学科融合，引入跨学科元素案例。例如，结合化学领域的Gaussian软件来讲解计算思维如何体现在计算工具上，能让相关专业的学生更直接地感受到计算思维的重要性和实用性。
3 结束语
本文针对本科生计算思维课程，结合笔者的教学实践，对教学过程进行了总结和思考。针对教学内容繁多而学时有限、学生基础差异显著、学习方式转变困难、学习动机缺乏等问题进行了思考，并提出开设课程群、实施分层教学、引导学生改变学习方式以及提高学习兴趣等若干可能的改进方案。在未来的教学中，笔者将结合实际适当引入这些方案，以便进一步提高计算思维课程的教学效果。
注释
① Wing， J. putational thinking. Communications of the ACM，2006.49（3）：33.
② 九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010.
③ 陈国良，董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教学，2011.
④ 许丽娟，黄冬梅，王爱继.以计算思维为导向的非计算机专业程序设计课程创新教学[J].计算机教育，2015.
