陈争光，衣淑娟，冯惠妍，关海鸥
（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，黑龙江大庆163319）
摘要：本文分析当前大学计算机课程教学中存在的问题，介绍了计算思维的概念及其发展，提出了农业院校以计算思维为指导的三层次计算机课程设置体系及各层次教学中计算思维教学的具体内容，为农业院校计算机基础课程教学提供了一种以培养学生计算思维能力为目标的新模式。
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关键词 ：计算思维；农业院校；计算机课程；课程设置体系
中图分类号：G642.0文献标识码：A文章编号：1671—1580（2014）05—0034—04
基金项目：教育部高教司大学计算机课程改革项目“培养计算思维能力、服务农林院校创新性人才培养的大学计算机课程建设”（项目编号：2-11-ZXM-09）。
收稿日期：2014—01—08
作者简介：陈争光（1973— ），男，湖北黄陂人。黑龙江八一农垦大学信息技术学院，副教授，研究方向：实验室管理，计算机基础课教学及管理。
衣淑娟（1965— ），女，山东栖霞人。黑龙江八一农垦大学信息技术学院，教授，博士生导师，研究方向：农机及农业信息化。
冯惠妍（1980— ），女，黑龙江肇源人。黑龙江八一农垦大学信息技术学院，讲师，硕士，研究方向：空间数据库。
计算机科学已经成为支撑现代社会经济发展、社会进步和科技创新的最重要的信息基础科学，计算机科学技术水平是衡量一个国家基本国力和经济竞争力的重要标志。［1］但是，随着新一轮课程改革在各个高校的开展，计算机课程教学在各个高校的重视程度均比以往有所下降，体现在教学计划中最明显的特征是计算机课程和学时数的大量减少，课程性质也由原来的必修课和限选课变为选修课。计算机课程的重要性得不到专业课教师和学校教学主管部门的重视，计算机课程教学面临前所未有的生存危机，计算机基础课程教学改革势在必行。
一、计算机基础课程教学中存在的问题
传统的计算机课程教学在全世界范围内普遍存在这样一种错误观点：计算机仅仅是工具，而不是科学，这是典型的“狭义工具论”观点。这种观点会使学生对计算机科学的认识淡化，无助于学生对计算科学中最重要的、核心的思想与方法的掌握，无助于学生综合素质的提高。尽管如此，在过去相当长的一段时间里，各高校包括校领导在内的教学主管部门的领导以及专业课教师大都存在这种“狭义工具论”的认识倾向，这部分人的错误认识严重影响了各高校计算机基础课程体系的完整性。
其次，由于我国对于高中和义务教育阶段的计算机教学内容和教学目标没有统一要求，造成新生计算机应用水平良莠不齐，这种现实情况给各个高校的计算机课程教学带来一定的困难。
此外，大学计算机基础教材基本是一个大杂烩，其内容是诸如操作系统原理、网络原理、数据库原理等多个专业领域的浓缩，学习内容很繁杂，对于简单的内容，学生的学习热情不高；对复杂的内容，学生又不能及时理解，致使学生的学习兴趣不高。加之学时一再压缩，教师的教学过程也基本上是以完成教学任务为目标，所有这些情况掺杂在一起，使学生理解和消化这些知识存在一些困难，在一定程度上产生了厌学情绪。在国外，这种情况也存在。学生在学习程序设计类课程时必须面对纷繁复杂、晦涩难懂的语法现象，在学习过程中，有近一半的学生选择放弃；而且，试图通过抄袭或者其他违规行为完成课程的学生不在少数。许多非计算机专业的学生在整个计算机课程的学习过程中从未体会过“使用计算的相互影响有效解决问题”所带来的成功的喜悦。［2］
二、计算思维研究进展
（一）什么是计算思维
“计算思维”（Computational Thinking，CT）一词由美国卡内基梅隆大学的周以真教授于2006年提出，其定义是：运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为。［3］［4］
科学思维有三种形式：理论思维、实验思维和计算思维。其中，理论思维以数学为典型代表；实验思维也叫实证思维，以物理和化学为典型代表；计算思维是早已存在、只是最近几年才提出并逐渐被广大科技工作者重视的一种思维，主要以计算机科学为典型代表。现在普遍认可的观点是，理论科学、实验科学和计算科学是拉动人类文明进步和科技发展的三驾马车。这种认识得到美国联邦政府以及广大企业的一致认可。
（二）计算思维在美国的重视与发展
2005年6月，美国总统信息技术咨询委员会给美国总统提交了一份报告——《计算科学：确保美国的竞争力》。［5］报告认为，计算科学是一门能促进其他学科发展的基础学科。从最近一个世纪的科学发展史来看，最重要和最有影响力的研究结果均或多或少地运用了计算科学的方法和手段。该报告给总统的建议是，必须将计算科学的发展重新重视起来，并且将其置于美国科技发展领域的核心地位，予以优先支持。
自此以后，美国政府极其重视计算思维以及建立在此基础上的计算科学发展的培养和投入。在2007年，美国启动旨在改变大学计算机基础教育内容的国家教育计划（CISE Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education）；美国NSF于2008年启动了Cyber-Enable Discovery and Innovation计划，并投入巨资，推进该计划的实施。NSF认为，该计划的实施会促进计算思维的发展，从而进一步促进美国科技领域产生重大成果。［6］时隔3年，NSF于2011年再次启动The Computing Education for the 21st Century，试图通过该计划的实施提升小学、中学和大学低年级师生的计算思维能力。［7］
（三）计算思维在国内的发展
计算思维是计算科学的基本思维方式，依据周以真教授的定义，计算思维内容包括问题求解、系统设计和人类行为理解等。徐志伟认为计算思维是地球上每个公民都应该具备的一种思维能力。［8］2009年，中科院信息领域战略研究所组织编撰了《中国至2050年信息科技发展路线图》，［9］该路线图对21世纪基于计算思维的信息科技的发展趋势、目标任务等做了详细的阐述，建议政府和教育部门对计算思维给予足够的重视。报告认为：计算思维能力的培养是解决科技难题、保持国家竞争力的基础。这是对当前计算机教学领域存在的“狭义工具论”观点的有力驳斥。新一轮基于计算思维的高校计算机课程改革的目标是：将计算思维培养与传统的计算机课程教育相结合、与学生的专业课教育相结合、与学生日常生活经验相结合，全方位培养学生的计算思维能力，克服普遍存在的“狭义工具论”的偏见。
2007年11月，中科院自动化所的王飞跃教授在《从计算思维到计算文化》等多篇论文中对周以真教授提出的“计算思维”进行了深入分析。他建议各级政府对“计算思维”的研究给予经费支持，并希望我们能借“计算思维”的东风，尽快把中国的人情世故的“算计文化”转变为科学理性的“计算文化”，以提高我们民族的整体素质。［10］2008年，国家自然科学基金委计算机科学代表团出访美国考察之后得出结论：计算思维是美国计算机科学界的一个最具基础性和长期性的思想。［11］由此可见美国对计算思维研究的重视程度。
2010年7月，在西安交通大学举办的首届“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”，重点讨论了如何在新形势下提高计算机基础教学的质量。研讨会后，发表了关于计算机基础课程教学的《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》。该声明从计算机课程教学的基础性地位、计算思维培养的核心任务、大学计算机课程体系和教学内容的设置等方面为全国高校的计算机基础课程教学改革指明了方向。［3］
三、农业院校计算机课程设置
（一）农业院校计算机课程设置调查
目前，我国大部分高校基本采用教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员2006年发布的《高等学校计算机基础教学发展战略研究报告暨计算机基础课程教学基本要求》（基本要求）来确定本校计算机基础教学的课程设置。国内较知名的高校计算机基础课程体系采用2+X模式，即大学生在4年中学习两门必修课、选修一门或多门其他计算机相关课程。而地方二本院校由于其培养计划的要求，大多采用1+X的课程设置方式。［12］
我们对全国大部分农业院校的计算机课程设置情况进行了电话调研，各个学校的计算机基础课程体系不尽相同，但有一个共同特点，就是在大学新生入学的第一学期均开设大学计算机基础课程，这门课程基本上是必修课程，平均学时为54学时。
对于不同的农业院校，第二门计算机课程设置差别较大。课程主要集中在各种程序设计语言课程、数据库技术、网络技术、多媒体技术等方面，不同专业根据自己的需要在上述课程中选择适合自己专业学生的培养目标的课程，课程性质有选修，也有必修，平均学时为56学时。
近年来，各地方院校，特别是地方农林院校，计算机基础课程的学时量呈不断减少的趋势。农林院校计算机基础教学的现状是国内大部分高校计算机课程教学现状的一个缩影。计算机课程教学面临前所未有的挑战，课程改革必须进行。改革不一定成功，但不改革必然灭亡。所幸的是，计算思维概念的提出为大学计算机基础教学改革提供了一线生机。
根据《基本要求》，结合农业院校的教学内容和特点，我们提出了如表1所示的农业院校三层次计算机课程建议体系方案。
（二）各层次课程教学要求
1.大学计算机基础
现阶段，随着计算机基础教育的提前和信息技术的普及，大学新生在入学时已经具备一定的计算机操作能力，大学生在使用网络获取信息、网络购物、即时通信、游戏、计算机基本操作等方面具有一定的基础。因此，作为表1中第一层次的大学计算机基础教学不能从基础的键盘鼠标操作开始。但是，由于高考科目中对计算机课程没有任何要求，义务教育及高中阶段的计算机课程教学受到高考指挥棒的指引，各个学校的计算机基础课程的开课情况不容乐观。新生入学时在计算机基础应用方面仅停留在一些简单的操作方面，掌握的知识不够系统和深入。因此，以计算思维为指导的大学计算机基础课程的教学重点是培养学生掌握系统的计算机知识。
在教学过程中，“大学计算机基础”中大量的计算机名词、繁杂的计算机硬件细节、毫无用处的软件分类使该课程的教学过程变得枯燥乏味，使学生的学习兴趣大大降低。因此，必须对此进行裁剪，突出基础核心内容的理解。例如，对于操作系统功能的讲解，可以通过简单的、典型的、易于理解的日常生活实例来进行。实际上，计算机中的许多算法都是来自日常生活中的常见现象，比如，计算机中的队列完全来自于日常生活中的排队，计算机网络中的邮件发送也是和日常生活中的收寄邮件过程极其类似。通过生活中的实例讲解计算机中的复杂概念和算法，既便于学生理解，也有利于锻炼学生的计算思维能力，培养学生将所学的计算机知识应用于日常生活和专业学习中的意识。
2.程序设计类课程
长期以来，人们的普遍认识是，学习程序设计类课程就是培养学生的计算思维能力，其实并不尽然。但程序设计类课程教学是计算思维能力培养的极佳载体。对大多数非计算机专业的学生而言，理解程序设计比学会程序设计更重要。基于程序设计的算法可以培养学生建立模型的习惯，而不是就事论事的方法。［3］乔布斯在1995年的一段70多分钟的访谈视频中谈到计算机编程时说到：所有美国人都应该花一年时间学习一门编程语言。学习法律的人不一定非要成为律师，但法律能够教会人们一种思考方式。同样，学习编程的人不是一定要成为程序员，但编程能够教会每个人一种全新的思维方式。所以，美国应该把计算机科学看成基础教育。［13］
在程序设计类课程中，算法的实现、问题的解决，都离不开对程序设计语言语法的深刻理解。在讲解程序设计语言时，教学重点应该突出语言中基础知识的介绍：程序的开发与执行过程，注释的作用，标识符作用及命名规则，变量，数据类型及其转换，数组，字符串，分支结构，循环结构，基本输入/输出，函数概念、作用及使用。
3.数据库技术及应用
作为第二层次中的数据库技术及应用课程，一般在文科管理类专业中开设。数据库技术及应用课程是计算机课程教学体系中“管理信息系统”领域的核心课程，同时，也是与各相关专业应用结合得比较紧密的计算机基础课程。具体开设的课程可以是VFP程序设计、SQL Server数据库应用、PowerBuilder数据库开发及应用等。数据库技术教学除了讲解基本的程序设计语法之外，重点要介绍数据库的概念、数据表、视图、存储过程、约束、触发器、数据的插删改查等与数据库技术密切相关的概念和技术。在讲授这些内容时，应该结合应用实例和学生的生活经验，目的是让学生理解这些概念，而不是熟练掌握这些技术，因为有限的学时不可能使学生熟练掌握某一课程的所有知识和技能。在介绍数据库基本理论的同时，应该把利用数据库的方法和思想求解实际问题的能力培养放在突出的位置，使学生领悟应用系统级的问题求解方式，培养学生软件工程的思想，达到计算思维能力提升的目的。
4.第三层次课程
事实上，第一、二层次的课程尽管体现了计算思维教学的思想，但是，课程本身并没有显示出太多的农业院校特色。原因有两个，其一，第一、二层次的课程更多的是一种计算机基础知识的学习，是一种思维的培养，是为将来的深入学习做准备。其二，第一、二层次的课程是在新生入学的第一和第二学期开设的，在这一阶段，学生并没有太多的数学和专业知识储备，专业知识很欠缺，在第一、二层次的计算机课程教学阶段涉及过多的专业知识只能适得其反。到了第三层次阶段，学生已经具备了一定的专业知识和数学知识，对本专业也有了大致的认识和了解，为第三层次的课程开设打下基础。
表1中第三层次列出的课程是最能体现高校特点的计算机基础课程，是计算思维教学的较高层次。在农业院校，第三层次课程的教学目的是培养学生将计算机技术应用到农业生产各个环节的能力。农业院校各农科专业应该选择适合本专业特点、能为本专业科研起到积极促进作用的计算机课程，强化各学科专业和计算机科学的融合，借此大力提升学生的计算思维能力。
在农业院校，第三层次课程可以以专题的形式开设课程。对于农业信息化技术、数字农业技术等课程，可以从以下几个方面安排教学内容：［14］农业数据处理技术、虚拟现实技术、农业数据统计分析、3S技术、农业信息采集技术、农业信息网络技术、虚拟农业、精准农业、农业信息资源建设、农林专家决策支持系统、农业数据库及管理信息系统、农业信息服务体系建设等。
此外，Web技术、Windows编程技术等偏重于计算机专业的教学内容也可以安排在第三层的课程中，这不仅满足了少数学有余力并且渴求计算机知识的学生的需求，更为学生的多元化发展提供了机会。
四、结束语
作为三大科学思维方式之一的计算思维，与人们的日常学习和工作密切相关。将计算思维能力培养真正融入农林院校计算机课程教学还需较长时间的摸索，需要各方面的支持和努力，特别是需要广大农科院校从事计算机课程教学的教师在实践中不断探索和总结经验。将计算思维的精髓融入到计算机基础教学中，融入到学生的专业课教学中，融入到大学生创新创业活动中，融入到学生的日常生活和学习中，为学生的专业素养和创新能力提升起到积极的作用。我们有理由相信，在广大计算机基础教育工作者锐意改革、勇于创新精神的感召下，在各方面的共同努力下，计算机基础教育的春天很快就会到来。
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［13］新浪网.乔布斯《遗失的访谈》全文：尘封16年的预见［EB/OL］.http：//tech.sina.com.cn/it/csj/2013-05-08/07388316336.shtml.2013.
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