阐释课程改革基于计算思维计算机基础课程革新研究学术
更新时间：2024-04-20
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摘 要：计算思维是当前计算机教育界关注的热点之一。本文首先阐述了计算思维内涵及其目前进展，然后从计算思维的角度重新梳理大学计算机基础课程内容，并对算法、数据库和网络技术进行初步剖析，为其他专业领域解决实际问题提供启示和方法参考。
关键词：计算思维；计算机基础课程；算法；数据库；网络
一、引言
当前高校的计算机基础课程内容一般是由计算机基础知识、软硬件、数据库、多媒体、网络和信息安全等几个模块组成。由于部分教学内容与中学信息技术课程内容重复，造成学生学习兴趣不大、教务部门减少课时等不利局面。那么，问题的症结究竟在哪里呢？
计算机基础课程与高等数学、大学英语一样，作为大学素质教育或通识教育的基本组成部分，应该讲授那些能够培养学生计算思维的普适概念、方法和技术，如算法思维、协议思维和计算系统思维以及应用广泛的数据库和网络技术等。力图引导学生自觉地将计算思维贯穿于学习和工作当中，并深刻理解计算在延伸人的想象力和创造力等方面的巨大作用。
计算思维作为人类科学思维的基本方式之一，应属于思维科学的一个专门领域。目前被广泛认可的计算思维概念是由美国卡内基·梅隆大学周以真教授提出的，即计算思维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的行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维的本质是抽象和自动化[3]，它反映了计算的根本问题，即什么能被有效地自动进行。教指委也非常重视计算思维，近几年多次召开专题会议，研究和探讨计算思维在大学素质教育中的地位以及计算思维在培养学生创新能力的重要作用，发表了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，确定以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革方向[4]，近期还获得教育部的立项支持。
算法概念可以提高学生有条理地处理和解决问题的思维能力。
那么如何培养算法思维呢？答案就是掌握算法背后的逻辑。不同的算法策略看似不同，实则一脉相承，甚至从更高的层次上看就是同一种思维方式。算法设计中的每一种策略作为问题求解的方法，可以应用于多个专业领域，具有明显的计算思维特征[7]。
（1）分治策略。分治策略问题求解的基本思想是把一个难以直接解决的大问题，分解成一些规模较小的子问题，以便各个击破，分而治之。如果子问题还比较大，可反复使用分治算法，直到最后的子问题可以直接得出它们的结果。由于分治算法的子问题类型常与原来的相同，因而很自然地使用递归方法。分治策略是解决工作、学习和生活中常见问题的一种思维方法，它在组织管理和军事领域得到广泛的应用。例如某大企业的销售公司，由于其许多产品优质而非常畅销，总部会到各地建立分支机构（子公司），这其中就蕴涵着分治思想。
（2）动态规划。动态规划问题求解的基本思想是将待求解的问题分解为若干个互相联系的子问题，然后按自底向上的顺序推导出原问题的解。通过存储子问题的解，可以避免在求解过程中重复多次求解同一个子问题，从而可以提高该算法的求解效率。动态规划算法实质是分治思想和冗余解决方法的结合。动态规划已在经济管理、生产调度、工程技术和最优控制等方面得到了广泛的应用，最短路线、库存管理、资源分配、设备更新、排序和装载等问题运用动态规划算法求解比较方便。
（3）贪心算法。贪心算法问题求解的基本思想是将待求解的问题分解成若干个子问题进行分步求解，且每一步总是做出当前最好的选择，以期得到问题最优解。贪心算法对每个子问题得到其局部最优解，再将各个局部最优解整合成问题的解。它体现了一种“快刀斩乱麻”的思想，以当前和局部利益最大化为导向的问题求解策略简单易行，具有广泛的适用性。
数据库设计是对于一个给定的应用环境，设计优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储和管理数据，满足各种用户的应用需求，包括信息管理要求和数据操作要求。信息管理要求是在数据库中应该存储和管理的数据对象，数据操作要求是对数据对象进行增删改、查询和统计操作。
数据库系统的成就推动着许多研究领域的进步，也对各行各业和政府管理带来了巨大的支撑。例如，上市公司数据库系统是中国证券报社研发的，它主要为证券市场提供全面、准确和权威的上市公司基本信息，同时为中证报和证券监管机构提供数据服务。通过Web浏览或检索，可以对上市公司进行数据分析，从而发现最有投资价值的公司。又如，各级政府可以建立覆盖辖区内的经济社会空间数据库，它包含基础空间数据、自然资源数据和经济社会资源等，为政府宏观经济管理提供及时和全面的信息，提高了公共部门的行政效率。
3.网络的行为理解 互联网被认为是人类有史以来最伟大的发明之一，它革新了人类交流与思维的模式。但是网络也给人们带来了许多安全隐患，出现了一些恶意程序，它们通过程序自动登录系统，发送大量的垃圾信息并尝试交易。为了解决这类问题，人们提出了全自动区分计算机和人类的图灵测试（Completely Automated Public Turing Test to Tell Computers and Humans Apart，简称CAPTCHA），它是一个能不断进行判断“是人还是机器”测试程序。
据统计，全球用户每天进行的CAPTCHA测试大约有2亿次，如果每次大约花费10秒钟。这样每天有超过50万小时进行这类计算。也就是说，全球网民每天要付出如此大的代价来证明自己是人类，而不是机器。那么，能不能利用用户花费在CAPTCHA测试上的精力来实现一些有利于信息社会发展的目标呢？这正是reCAPTCHA项目的初衷——致力于纸质媒体数字化。
为了便于知识更快更广的传播，大量的书籍以及报刊需要数字化。reCAPTCHA是利用CAPTCHA的原理，借助于人脑对难以识别的字符进行辨别的技术。也就是说，reCAPTCHA不仅可以反垃圾邮件，而且还可以帮助进行古籍数字化。reCAPTCHA工作原理是：要求用户在一次测试中识别两个单词，其中一个从想要数字化的图书中截取出来，另一个系统知道其正确答案。用户给出的两个答案之一与已知正确答案匹配，就算通过测试。那个有待数字化的单词会被随机发送多个测试，在大量的测试结果被聚合后，就能得到这个单词准确的数字化结果。
许多著名的网站都已开始从原来的CAPTCHA转到reCAPTCHA。在不到11个月的时间里，reCAPTCHA帮助The New York Times完成了其从1851年到1980年所有内容数字化。这就是网络的力量，是在互联网中人类集体行为和智慧的结晶，也是一种理解人类行为的计算思维方式。
既然计算思维是一种基本的科学思维方式，因此计算机基础课程就应在平时教学中潜移默化地训练和培养学生的计算思维能力，进而锻炼和提高学生的创新意识和创新能力。计算思维能力培养是贯穿大学计算机教学过程中的系统工程，计算思维存在于计算机的许多分支学科中，所以通过计算机基础课程就能完全达到培养学生计算思维能力的策略是不切实际的。这就要求在课程内容设置时，不但要充分考虑计算机各分支学科间的关联，还需要关注计算思维及其在各个专业领域中的应用，使课程内容之间、课程与课程之间具有连贯性。
对照大学英语教学四年不断线，即一、二年级是基础英语，三、四年级是专业英语或双语教学，如果大学计算机教育不仅仅是依靠1～2门计算机基础课程，而是与各个专业后续课程密切配合，做到大学计算机教育四年不断线，则学生的计算机应用水平将会有质的飞跃，计算思维能力也源于：本科论文www.618jyw.com
就水到渠成。因此，如何将计算机基础课程与各个专业的后续与计算机相关课程无缝衔接是一个亟待要解决的问题，值得我们进一步探索。
参考文献：
朱亚宗. 论计算思维[J]. 计算机科学，2009，36（4）：53-55，93.
Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM， 2006， 49（3）： 33-35.
[3] 董荣胜. 计算思维与计算机方法论[J]. 计算机科学，2009，36（4）：1-4，42.
[4] 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（9）：4.
[5] 陈国良. 计算思维与大学计算机基础教育[J]. 中国大学教学，2011（1）：7-11.
[6] 周恒明. 算法之道[M]. 北京：机械工业出版社，2011.
[7] 赵岭忠. 算法设计策略与计算思维[J]. 企业科技与发展，2010（8）：43-45.
[8] 王珊等. Web时代的数据库新技术研究与开发[A]//中国计算机科学技术发展报告（2006）[C]. 北京：清华大学出版社，2007.
[责任编辑：余大品]
关键词：计算思维；计算机基础课程；算法；数据库；网络
一、引言
当前高校的计算机基础课程内容一般是由计算机基础知识、软硬件、数据库、多媒体、网络和信息安全等几个模块组成。由于部分教学内容与中学信息技术课程内容重复，造成学生学习兴趣不大、教务部门减少课时等不利局面。那么，问题的症结究竟在哪里呢？
计算机基础课程与高等数学、大学英语一样，作为大学素质教育或通识教育的基本组成部分，应该讲授那些能够培养学生计算思维的普适概念、方法和技术，如算法思维、协议思维和计算系统思维以及应用广泛的数据库和网络技术等。力图引导学生自觉地将计算思维贯穿于学习和工作当中，并深刻理解计算在延伸人的想象力和创造力等方面的巨大作用。
计算思维作为人类科学思维的基本方式之一，应属于思维科学的一个专门领域。目前被广泛认可的计算思维概念是由美国卡内基·梅隆大学周以真教授提出的，即计算思维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的行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维的本质是抽象和自动化[3]，它反映了计算的根本问题，即什么能被有效地自动进行。教指委也非常重视计算思维，近几年多次召开专题会议，研究和探讨计算思维在大学素质教育中的地位以及计算思维在培养学生创新能力的重要作用，发表了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，确定以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革方向[4]，近期还获得教育部的立项支持。
二、结合案例的计算思维能力培养
为了培养学生的计算思维能力，需要对计算机基础课程内容进行重新审视和梳理。从计算思维的角度出发，计算机基础课程教学内容应包括[5]：计算思维和计算理论、算法基础和通用语言、计算机硬件和软件技术、计算社会与职业论题等。根据周以真教授提出的计算思维概念，它应包括问题求解、系统设计和人的行为理解三个方面。下面从这三个方面探讨在计算机基础课程中如何运用计算思维来解决不同专业领域的实际问题。1.算法的问题求解
算法是计算机科学中最具方法论性质的核心概念，也被誉为计算机的灵魂[6]。虽然算法属于计算理论的知识范畴，但计算机解决任何问题都要依赖于算法。因此，大学的计算机基础课程加入摘自：学术论文网www.618jyw.com算法概念可以提高学生有条理地处理和解决问题的思维能力。
那么如何培养算法思维呢？答案就是掌握算法背后的逻辑。不同的算法策略看似不同，实则一脉相承，甚至从更高的层次上看就是同一种思维方式。算法设计中的每一种策略作为问题求解的方法，可以应用于多个专业领域，具有明显的计算思维特征[7]。
（1）分治策略。分治策略问题求解的基本思想是把一个难以直接解决的大问题，分解成一些规模较小的子问题，以便各个击破，分而治之。如果子问题还比较大，可反复使用分治算法，直到最后的子问题可以直接得出它们的结果。由于分治算法的子问题类型常与原来的相同，因而很自然地使用递归方法。分治策略是解决工作、学习和生活中常见问题的一种思维方法，它在组织管理和军事领域得到广泛的应用。例如某大企业的销售公司，由于其许多产品优质而非常畅销，总部会到各地建立分支机构（子公司），这其中就蕴涵着分治思想。
（2）动态规划。动态规划问题求解的基本思想是将待求解的问题分解为若干个互相联系的子问题，然后按自底向上的顺序推导出原问题的解。通过存储子问题的解，可以避免在求解过程中重复多次求解同一个子问题，从而可以提高该算法的求解效率。动态规划算法实质是分治思想和冗余解决方法的结合。动态规划已在经济管理、生产调度、工程技术和最优控制等方面得到了广泛的应用，最短路线、库存管理、资源分配、设备更新、排序和装载等问题运用动态规划算法求解比较方便。
（3）贪心算法。贪心算法问题求解的基本思想是将待求解的问题分解成若干个子问题进行分步求解，且每一步总是做出当前最好的选择，以期得到问题最优解。贪心算法对每个子问题得到其局部最优解，再将各个局部最优解整合成问题的解。它体现了一种“快刀斩乱麻”的思想，以当前和局部利益最大化为导向的问题求解策略简单易行，具有广泛的适用性。
2.数据库的系统设计
数据库技术是计算机科学技术中应用最广的技术之一，它已造就了C. W. Bachman、E. F. Codd和James Gray三位图灵奖得主，并带动了一个巨大的软件产业——数据库管理系统产品及其解决方案。数据库研究有着非凡的生产力，每年为信息产业带来几百亿美元的收入，对经济发展具有很大的推动作用[8]。数据库设计是对于一个给定的应用环境，设计优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储和管理数据，满足各种用户的应用需求，包括信息管理要求和数据操作要求。信息管理要求是在数据库中应该存储和管理的数据对象，数据操作要求是对数据对象进行增删改、查询和统计操作。
数据库系统的成就推动着许多研究领域的进步，也对各行各业和政府管理带来了巨大的支撑。例如，上市公司数据库系统是中国证券报社研发的，它主要为证券市场提供全面、准确和权威的上市公司基本信息，同时为中证报和证券监管机构提供数据服务。通过Web浏览或检索，可以对上市公司进行数据分析，从而发现最有投资价值的公司。又如，各级政府可以建立覆盖辖区内的经济社会空间数据库，它包含基础空间数据、自然资源数据和经济社会资源等，为政府宏观经济管理提供及时和全面的信息，提高了公共部门的行政效率。
3.网络的行为理解 互联网被认为是人类有史以来最伟大的发明之一，它革新了人类交流与思维的模式。但是网络也给人们带来了许多安全隐患，出现了一些恶意程序，它们通过程序自动登录系统，发送大量的垃圾信息并尝试交易。为了解决这类问题，人们提出了全自动区分计算机和人类的图灵测试（Completely Automated Public Turing Test to Tell Computers and Humans Apart，简称CAPTCHA），它是一个能不断进行判断“是人还是机器”测试程序。
据统计，全球用户每天进行的CAPTCHA测试大约有2亿次，如果每次大约花费10秒钟。这样每天有超过50万小时进行这类计算。也就是说，全球网民每天要付出如此大的代价来证明自己是人类，而不是机器。那么，能不能利用用户花费在CAPTCHA测试上的精力来实现一些有利于信息社会发展的目标呢？这正是reCAPTCHA项目的初衷——致力于纸质媒体数字化。
为了便于知识更快更广的传播，大量的书籍以及报刊需要数字化。reCAPTCHA是利用CAPTCHA的原理，借助于人脑对难以识别的字符进行辨别的技术。也就是说，reCAPTCHA不仅可以反垃圾邮件，而且还可以帮助进行古籍数字化。reCAPTCHA工作原理是：要求用户在一次测试中识别两个单词，其中一个从想要数字化的图书中截取出来，另一个系统知道其正确答案。用户给出的两个答案之一与已知正确答案匹配，就算通过测试。那个有待数字化的单词会被随机发送多个测试，在大量的测试结果被聚合后，就能得到这个单词准确的数字化结果。
许多著名的网站都已开始从原来的CAPTCHA转到reCAPTCHA。在不到11个月的时间里，reCAPTCHA帮助The New York Times完成了其从1851年到1980年所有内容数字化。这就是网络的力量，是在互联网中人类集体行为和智慧的结晶，也是一种理解人类行为的计算思维方式。
既然计算思维是一种基本的科学思维方式，因此计算机基础课程就应在平时教学中潜移默化地训练和培养学生的计算思维能力，进而锻炼和提高学生的创新意识和创新能力。计算思维能力培养是贯穿大学计算机教学过程中的系统工程，计算思维存在于计算机的许多分支学科中，所以通过计算机基础课程就能完全达到培养学生计算思维能力的策略是不切实际的。这就要求在课程内容设置时，不但要充分考虑计算机各分支学科间的关联，还需要关注计算思维及其在各个专业领域中的应用，使课程内容之间、课程与课程之间具有连贯性。
对照大学英语教学四年不断线，即一、二年级是基础英语，三、四年级是专业英语或双语教学，如果大学计算机教育不仅仅是依靠1～2门计算机基础课程，而是与各个专业后续课程密切配合，做到大学计算机教育四年不断线，则学生的计算机应用水平将会有质的飞跃，计算思维能力也源于：本科论文www.618jyw.com
就水到渠成。因此，如何将计算机基础课程与各个专业的后续与计算机相关课程无缝衔接是一个亟待要解决的问题，值得我们进一步探索。
参考文献：
朱亚宗. 论计算思维[J]. 计算机科学，2009，36（4）：53-55，93.
Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM， 2006， 49（3）： 33-35.
[3] 董荣胜. 计算思维与计算机方法论[J]. 计算机科学，2009，36（4）：1-4，42.
[4] 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（9）：4.
[5] 陈国良. 计算思维与大学计算机基础教育[J]. 中国大学教学，2011（1）：7-11.
[6] 周恒明. 算法之道[M]. 北京：机械工业出版社，2011.
[7] 赵岭忠. 算法设计策略与计算思维[J]. 企业科技与发展，2010（8）：43-45.
[8] 王珊等. Web时代的数据库新技术研究与开发[A]//中国计算机科学技术发展报告（2006）[C]. 北京：清华大学出版社，2007.
[责任编辑：余大品]
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