分層培養(yǎng)的貫通計算機實踐體系

崔舒寧+桂小林+張小彬

摘 要：針對計算思維能力的培養(yǎng)，提出分層次的計算機基礎(chǔ)教育實踐體系，具體闡述每個層次的要求和培養(yǎng)目標，結(jié)合計算機應用能力實訓，通過問卷調(diào)查，說明學生的計算機應用能力通過這種實踐體系得到提高。

關(guān)鍵詞：實踐體系；計算機基礎(chǔ)教學；計算機應用能力

1 背 景

計算思維是使用計算機求解問題的一種思維方式[1]。培養(yǎng)學生的計算思維能力是計算機教學的核心任務，然而該如何培養(yǎng)學生的計算思維能力卻是多年來一直沒有很好解決的一個問題[2]。經(jīng)過多年的教學總結(jié)，我們認為只有通過大量的實踐訓練，才能提高學生的計算思維能力以及計算機應用能力[3-5]。

計算機科學是一門實踐性很強的學科，需要大量的實踐才可能真正掌握，大學生計算機應用能力的高低在信息化社會尤顯重要。計算機技術(shù)是信息技術(shù)的核心， 因此不論什么專業(yè)，都理所當然地要加強計算機應用實踐能力的培養(yǎng)[6]。計算機基礎(chǔ)教學實驗內(nèi)容的設(shè)置以及實驗教學質(zhì)量決定人才培養(yǎng)的質(zhì)量，特別是決定計算機應用能力培養(yǎng)的成敗。由于計算機具有強烈的實踐特征，同時計算機基礎(chǔ)教學的重要目標是為專業(yè)領(lǐng)域的應用服務，因此在計算機基礎(chǔ)教學中實踐能力的培養(yǎng)極為重要。實驗指導教師需要精心設(shè)計實驗項目，將課程內(nèi)容恰當?shù)厝谌胨O(shè)計的項目中；要通過實驗，激發(fā)學生學習的積極性，鼓勵開展研討式、探索式、協(xié)作式的實踐學習活動，使學生從單純的知識接受者變成知識的探索者，從而達到提高創(chuàng)新能力的目的。

在目前的教學中，重理論、輕實踐的情況仍然較為嚴重。研究培養(yǎng)新型信息人才的實踐教學體系，凝練優(yōu)秀的實踐教學資源，精心設(shè)計實踐教學環(huán)節(jié)，將計算機應用能力的培養(yǎng)落到實處，是一個亟待解決的問題。

2 計算機基礎(chǔ)教育實踐體系

對于計算機基礎(chǔ)的教學體系，已經(jīng)有過很多研究[7]。在這些體系的研究中，通常計算機的基礎(chǔ)教學分為“系統(tǒng)平臺與計算環(huán)境” “算法基礎(chǔ)與程序設(shè)計”“數(shù)據(jù)管理與信息處理”和“系統(tǒng)管理與行業(yè)應用”4個層次[8]。不同的層次對應不同的計算機課程，而每門課程都有相應的實踐或者實驗環(huán)節(jié)，這些實驗和實踐環(huán)節(jié)組成了計算機基礎(chǔ)教育的實踐體系，這些實驗內(nèi)容主要是對課本上理論教學的驗證和補充。實踐教學體系和理論教學體系密切相關(guān)，不可分割。

近年來，隨著對實踐訓練的加強和重視，高校鼓勵教師開設(shè)開放實驗、創(chuàng)新實驗等多種以實踐為主的課程；學生也可以通過實踐為主、理論為輔的方式學習計算機知識。這就促使我們建立單獨的實踐體系，該體系和理論教學體系不再是密不可分，以提高學生的計算機應用能力為目標，促進計算思維的培養(yǎng)落地。該實踐體系的具體實現(xiàn)，是通過單獨開設(shè)的實踐課程、計算機必修課以及單獨的計算機實訓支持的。

整個計算機的應用能力培養(yǎng)可以分為6個層次：①計算機的認知能力，具有使用計算機、安裝系統(tǒng)和應用軟件、網(wǎng)絡搜索等基本的計算機認知和使用能力；②復雜文檔的編輯和行業(yè)軟件的使用能力，能夠編輯復雜的文檔和電子表格，使用本專業(yè)的常用大型軟件，如Matlab、SPSS等；③面向問題求解的編程能力，能夠通過編程解決問題，理解離散數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，熟悉常用的算法；④數(shù)據(jù)庫應用、網(wǎng)絡和Web編程能力，能夠開發(fā)數(shù)據(jù)庫應用程序、網(wǎng)絡程序或者構(gòu)建Web網(wǎng)站；⑤計算機接口編程能力，熟悉計算機接口技術(shù)，熟悉單片機、匯編語言以及嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)；⑥計算機系統(tǒng)能力，熟悉FPGA、CPU、指令系統(tǒng)，能夠構(gòu)建Mini OS系統(tǒng)。

對不同的專業(yè)，要求也不一樣，具體如圖1所示。

在針對大學1年級和2年級具體實施時，主要對前3層作適當?shù)恼{(diào)整設(shè)計，分別是：①計算機基本應用能力；②計算機編程能力；③計算機問題求解能力。在大學1—2年級階段，通過2門必修課大學計算機基礎(chǔ)和計算機程序設(shè)計以及開放實驗課培養(yǎng)學生的計算機能力。第3階段的培養(yǎng)主要是通過一個為期2周的計算機實訓完成。

如何檢驗學生的計算機能力水平？我們主要通過兩個途徑：一個是正常的教學考核和開放實驗考核，包含正常的學生學習本門課程的成績或參加開放實驗課程的考核成績；第二個途徑是鼓勵學生參加第三方的證書考試，通過第三方的考核衡量學生的計算機能力。為此，我們建設(shè)有計算機等級考試、PAT考試、微軟認證等多個考點，學生可以根據(jù)自身能力參加相應的考試，具體如圖2所示。

3 計算機應用能力實訓

針對前面提出的實踐體系，教師可在3個層次上縱向設(shè)計貫通的實踐方案，在計算機認知上通過大學計算機基礎(chǔ)課程的實踐活動來完成，同時開設(shè)智能演示課件設(shè)計與制作和計算機系統(tǒng)、常用軟件使用技巧2門開放實驗課。通過這一層次的實踐教學，學生能夠具有一定的計算機應用能力，對數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡有初步的了解。

在計算機程序設(shè)計階段的能力培養(yǎng)上，通過學習計算機程序設(shè)計課程、開放實驗C#程序設(shè)計等，學生能夠具有初步的程序設(shè)計能力和使用程序設(shè)計解決問題的能力。

通過以上2個階段的學習，學生具有初步的應用計算機解決問題的能力，但在學習的初級階段，教學重點放在了對計算機最基本核心概念的講解，在程序設(shè)計的教學上，重點多放在對語法的掌握；這些對于期望達到的能夠編寫優(yōu)良的程序或者進行小型的軟件開發(fā)都還有一定的距離。

為此，西安交通大學組織了面向所有專業(yè)的計算機實訓。該實訓為期2周共10天，每天實訓時間為6小時。這樣學生通過60小時的實訓，可以加強自身的計算機應用能力。通過實訓要達到以下目標：①具有編寫千行以上代碼的能力；②具有團隊合作意識；③具有自主分析問題和分解問題的能力，具有使用計算機解決問題的能力。

每年的實訓大約有2 000名學生參加。實訓分2期進行，每期2周。所有實訓中保證每個學生有1臺電腦可用，可以跟隨教師一起操作。每天的6小時中，大約3小時為授課時間，3小時為實踐練習時間；同時建議學生課余2小時完善鞏固1天的學習內(nèi)容。實訓主講教師從企業(yè)聘請，至少具有3年以上的項目開發(fā)經(jīng)驗。每個班級配備1名企業(yè)教師，同時配備1名校內(nèi)教師和1名研究生輔導，這樣平均大約每20名學生有1位教師輔導，以保證實訓質(zhì)量。實訓的內(nèi)容根據(jù)專業(yè)大類不同，主要有6個模塊。

（1）模塊1： C++游戲程序的開發(fā)。本項目使用C++語言，開發(fā)Windows環(huán)境下的小游戲，使用MFC架構(gòu)，學生選做的程序主要有五子棋、掃雷、飛機通關(guān)等。面向的專業(yè)學生有數(shù)學、物理、化工、錢學森班的學生。學生在參加實訓前，主要學習的計算機課程是大學計算機基礎(chǔ)、C++程序設(shè)計，其中在C++程序設(shè)計的課程里面學習面向?qū)ο蟮木幊讨R和控制臺程序，但是沒有學習圖形界面的編程以及MFC的基礎(chǔ)和相關(guān)知識。

（2）模塊2：基于.NET的醫(yī)療信息系統(tǒng)（hospital information system，HIS）。本項目使用C#語言，開發(fā)一個HIS系統(tǒng)，采用的是B/S結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)的功能主要是病人選擇科室、掛號、開處方、取藥、結(jié)算、錄入病人信息、給出診斷結(jié)論等。本模塊有一定的難度，涉及HTTP協(xié)議、C#語言、數(shù)據(jù)的訪問、Javascript、網(wǎng)頁等多方面的知識，學生完成難度較大。實際實訓的時候是學生自己選取部分模塊進行開發(fā)訓練，只有極少數(shù)優(yōu)異的學生完成全部模塊的開發(fā)。本項目主要適用于醫(yī)學類的學生，在此之前的大學計算機課程里面講述網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫的相關(guān)知識（不含編程）；隨后學習C#程序設(shè)計，講述面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)和Windows窗體編程技術(shù)（不含網(wǎng)絡、ASP和數(shù)據(jù)庫編程）。

（3）模塊3：C#窗體程序開發(fā)。本項目使用C#語言，開發(fā)一個Window環(huán)境下的窗體程序。開發(fā)的窗體程序主要有音樂播放器、圖片瀏覽器、五子棋等，其內(nèi)容和C#程序設(shè)計課程的內(nèi)容難度相當，代碼難度中等。這個模塊主要是針對那些因為種種原因沒有開設(shè)程序設(shè)計課程的專業(yè)和學生而準備的。

（4）模塊4：基于C語言的單片機開發(fā)。我們搭建了真實的單片機開發(fā)環(huán)境。學生使用C語言編寫程序，然后錄入單片機中運行。實訓的項目包括液晶屏的圖形顯示、數(shù)碼顯示管的控制、各類傳感器數(shù)據(jù)的讀取等。參加本項目的學生主要是電氣類的學生，在前期學習了大學計算機基礎(chǔ)和C語言程序設(shè)計。

（5）模塊5：基于.NET的博客系統(tǒng)開發(fā)。在這個項目中，使用ASP.NET技術(shù)開發(fā)一個簡單的博客網(wǎng)站，具有登錄驗證、發(fā)表博客、訪問日志等功能，涉及的技術(shù)環(huán)節(jié)有數(shù)據(jù)庫的存儲和訪問、表單的提交、ASPX編程、Javascript編程等，難度較大。參加本項目的學生主要是工科類的學生，在前期學習了大學計算機基礎(chǔ)和C#程序設(shè)計。

（6）模塊6：復雜文檔處理。本項目通過對Word、Excel和PowerPoint 3個軟件如何使用進行講述，幫助學生學會使用Excel，學習使用Excel處理數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析，能夠使用Word編輯復雜的文檔。此類學生主要來自于外語專業(yè)、文學專業(yè)等文科專業(yè)，前期學習了大學計算機基礎(chǔ)但沒有學習過程序設(shè)計課程。

實訓完成后，我們對所有學生發(fā)放了調(diào)查問卷，部分結(jié)果如圖3所示。

通過實訓，主要完成計算機實踐第3層次的任務，即面向問題的計算機求解能力培養(yǎng)。學生通過實訓項目的設(shè)計，選擇合適的方法，最終解決問題。從最后調(diào)查問卷的分析結(jié)果來看，實訓較好地完成了該任務，達到了實訓的目的。

4 結(jié) 語

我們通過構(gòu)建計算機實踐教學體系以及對全校學生實施計算機認知、程序設(shè)計和項目實訓3個階段的計算機實踐，逐步培養(yǎng)了學生的計算思維能力和使用計算機解決問題的能力，全面提高了學生的計算機應用能力。計算機能力或計算思維的培養(yǎng)，僅僅依靠一兩門課程是無法做到的。這是一個長時間的訓練過程，而關(guān)鍵在于實踐，因此需要針對性地設(shè)計一套實踐體系，逐步開展和實施計算機實踐教學，分階段、有步驟地將計算機能力和計算思維的培養(yǎng)落到實處。

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（編輯：宋文婷）