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人工智能零基礎教學范文1
關鍵詞 計算思維 本科教學 通識教育
中圖分類號：G424 文獻標識碼：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
大學計算機課程是大學通識教育的重要組成部分，其核心價值在于培養學生的計算思維，促進學生創造性思維的形成。2006 年，美國卡內基?梅隆大學（CMU）計算機科學系主任周以真教授首次明確提出了計算思維（Computational Thinking，CT）的概念，①為計算機教育的改革指明了方向。2010 年7 月，在首屆“九校聯盟（C9）計算機基礎課程研討會”上，“985”首批9所高校就大學如何在新形勢下提高計算機基礎教學的質量、增強大學生計算思維能力的培養形成4 點共識，提出要旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務。②
國內高校計算機公共課程的內容和教學方式存在相當的偏差，在很長一段時間內，大部分課程主要局限于講授計算機的基本概念以及常用/流行軟件產品的使用。這些課程僅限于軟件操作訓練式的“大學計算機基礎”及程序設計類課程，而缺乏對計算思維的培養。近年來，計算思維課程逐漸得到重視，已經在全國多所高校成為通識教育的重要內容。與之前的軟件操作訓練式課程不同，計算思維課程重點讓學生感性地認識計算機的工作方式，培養用計算手段解決問題的思維方式。③
筆者所在課程組負責全校各院系大一新生的計算思維課程教學。課程組采用集中備課方式，對講授內容與授課方式進行了細致的討論和研究。通過一學期的教學過程，筆者對該課程中存在的一些問題進行了總結，并給出一些自己的思考和可能的改進方向。
1 目前存在的主要問題
計算思維課程首次面向全校范圍內大一新生講授，在教學過程中，筆者總結出以下一些問題：
（1）教學內容的問題。目前計算思維課程的教學內容非常豐富，涉及到計算機專業的各個方向，比如體系結構、算法、數據庫、人工智能、網絡通信等等。而課程的總學時數僅有24學時。雖然各部分內容僅作介紹性講解，但時間分配上還是顯得非常緊迫。對于部分內容，需要有一些前序知識作為基礎才便于學生理解，如果先介紹這些前序知識再講解則需要更多的課時分配。
（2）學生基礎的問題。學生在計算機方面的基礎差異巨大。一部分學生在中學時代已經參加過一些計算機方面的競賽，甚至能熟練地掌握多門編程語言。與此相反的，一部分學生則沒有任何計算機基礎，有的學生甚至沒有接觸過計算機。在講授計算思維課程時，如果照顧零基礎的學生，講得過于簡單則會導致部分有基礎的學生喪失興趣，相反則會讓無基礎的學生跟不上。這樣的矛盾非常顯著而且難以克服。
（3）學習方式的問題。由于課程面向大一新生，大部分學生仍然習慣于中學傳統應試教育模式。實際上計算思維的培養是一個長期、循序漸進、潛移默化的過程，因此該課程的教學更強調宏觀的、思維的、感性的認識。而大一學生很容易陷入細節中，專注于求解某一道題，而忽略了從整體上體會利用計算工具求解問題的思維方式。這樣的學習方式轉變在計算思維課程上顯得非常突出，但是對于剛從高中畢業的學生來說非常困難。
（4）學習動機的問題。計算思維作為一門基礎課程，不直接和專業相關，會導致部分學生興趣不大。另外一方面，計算思維課程屬于新開課程，其重要性并沒有得到學生的正確認識。與專業必修課相比，學生認為計算思維只是一門其它學院開的課程，從心理上默認為不重要的一類課程。而與英語、數學等基礎課程相比，學生會將中學時代的認識遷移過來，認為高考涉及到的課程顯然更重要。因此計算思維課程雖然在學校和社會層面得到了重視，但是在學生層面仍然處于一個尷尬的地位，使得學生缺乏強烈的學習動機。
2 思考與改進
基于以上提及的問題，結合筆者教學過程的思考，主要提出以下幾點改進設想：
（1）設置課程群替代單獨課程。高速發展的經濟社會要求非計算機專業學生未來應具備的計算能力是掌握支持各學科研究創新的新型計算手段并應用計算手段進行各學科的研究與創新。④不同學科專業的學生對計算思維的理解與掌握方式也不盡相同。如果將目前計算思維單獨課程分解為多個課程組成的課程群，每個課程偏向于不同的方向，則有利于面向不同專業的學生提供更切合實際情況的課程教學。一方面，學生能選擇與自己專業最相關的課程，提高學習動機與興趣;另一方面，課程群中每一門課程的教學內容相對集中，有利于在有限的學時內更加深入地講解相關內容。實際上，像英語基礎教學課程就設置了口語、聽力、寫作等多種課程。計算思維的課程群則可以結合計算機二級學科方向和學校其它專業配置來進行設置。
（2）實施可操作化的分層教學。實施分層教學有利于緩解學生之間基礎差異巨大的矛盾。⑤實際上這樣的教學方式在其它基礎課程教學中已經被廣泛采用。例如有些高校的英語課程會根據入學考試對學生進行分級篩選，按照不同的基礎水平將學生分到不同的層級進行學習。而大學數學課程則往往根據不同專業學生的要求和基礎進行不同難度內容的教學。類似地，計算思維課程也可以分為兩至三個層級，讓不同基礎水平的學生具有更多的選擇。此外，即使是同一門課程里，也可以根據學生的不同基礎設置不同的考試要求，以及在課后練習等方面體現出差異。分層次教學有利于讓所有學生都能學有所獲，同時也緩解教師在授課內容準備上的矛盾。
（3）引導學生掌握思維性學習方式。引導學生從中學時代的應試教育學習方式轉換為面向思維培養的學習方式。這種學習方式的轉變不僅對計算思維課程的學習至關重要，同時也能促進學生在大學期間其它課程學習中的主動性。⑥具體而言，在課堂教學上，盡量關注內在思想的揭示與貫通，而不過分強調細節步驟。在課后作業及考試考核上，盡量關注對學生整體思想及思考方式的評價，而不強調對于細節操作和具體求解的考核。另外，應當充分給予學生獨立思考和發表自己看法的時間和機會。這樣學生會慢慢接受用思考的方式去理解和掌握計算思維。
（4）多種方式提高學生的學習興趣和動機。提高學生的學習興趣和動機能從根本上激發學生的主動性，有利于教學效果的提升。具體而言，可以從以下方式入手。首先，應當強調計算思維的重要性，展示計算思維廣泛運用前景以提高學生學習主動性。比如在講授遺傳算法時，通過展示遺傳算法在日本高鐵車頭設計中的實際效果，能夠讓學生直觀地了解該算法的效用。其次，可借助計算機歷史故事的介紹以增加課程趣味性。實際上，許多歷史故事中蘊含著豐富的計算思維，在增加趣味的同時也有利于學生自然地接受和掌握計算思維。此外，可以強化實驗操作并及時反饋以增強學生的動手能力。在筆者的教學過程中，通過鼓勵學生利用實驗平臺制作一些自己感興趣的簡單小游戲，極大地提高了學生的學習熱情。另外，可以針對不同的專業進行學科融合，引入跨學科元素案例。例如，結合化學領域的Gaussian軟件來講解計算思維如何體現在計算工具上，能讓相關專業的學生更直接地感受到計算思維的重要性和實用性。
3 結束語
本文針對本科生計算思維課程，結合筆者的教學實踐，對教學過程進行了總結和思考。針對教學內容繁多而學時有限、學生基礎差異顯著、學習方式轉變困難、學習動機缺乏等問題進行了思考，并提出開設課程群、實施分層教學、引導學生改變學習方式以及提高學習興趣等若干可能的改進方案。在未來的教學中，筆者將結合實際適當引入這些方案，以便進一步提高計算思維課程的教學效果。
注釋
① Wing， J. putational thinking. Communications of the ACM，2006.49（3）：33.
② 九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明[J].中國大學教學，2010.
③ 陳國良，董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育[J].中國大學教學，2011.
④ 許麗娟，黃冬梅，王愛繼.以計算思維為導向的非計算機專業程序設計課程創新教學[J].計算機教育，2015.
