計算思維核心研究

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摘要:隨著社會信息化節(jié)奏加快，各行各業(yè)對計算機(jī)應(yīng)用能力要求增強(qiáng)，大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程成為培養(yǎng)計算機(jī)應(yīng)用能力及計算思維的基礎(chǔ)性教育?；诰€上教學(xué)的良好輔助作用，以目前逐漸成熟的虛擬化技術(shù)為支撐，提出以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)實驗開設(shè)人數(shù)最多的兩門課程為切入點，從環(huán)境和資源兩個維度，建設(shè)線上實驗平臺與專業(yè)融合體系化學(xué)習(xí)資源，創(chuàng)建實虛結(jié)合、線下線上、課內(nèi)課外混合式實驗新模式，豐富成績評定方式，激勵自主實踐持久性，內(nèi)外融合互促，為計算思維與人才培養(yǎng)提供強(qiáng)力支撐。

關(guān)鍵詞:線上實驗平臺；虛擬化技術(shù)；計算思維；計算機(jī)基礎(chǔ)課程；數(shù)字化資源

前言

隨著國家對教育信息化的重視和投入，在線教育成為傳統(tǒng)教育的有力輔助與補充[1-2]。2020年春，在突如其來的新冠肺炎疫情之下，“停課不停學(xué)”的開展讓在線學(xué)習(xí)成為剛需。網(wǎng)絡(luò)打破了傳統(tǒng)教育時間和空間上的限制，教育資源重新匹配，教育形式逐步豐富，為維護(hù)正常教學(xué)秩序提供了極大的幫助[3]，更加凸顯教育治理現(xiàn)代化的意義和作用[4]。云計算和虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，為線上實驗教學(xué)的開展提供了支持與保障。線上實驗教學(xué)由于受到儀器設(shè)備、材料環(huán)境等的制約，具有較大的局限性。對于硬件和儀器類實驗，目前常見的方法是采用虛擬仿真技術(shù)提供實驗環(huán)境[5]，但其局限性也很明顯：仿真環(huán)境下的實驗一般只能按一種預(yù)先設(shè)定的邏輯關(guān)系和操作步驟進(jìn)行，限定了學(xué)生的思考方式；同時，仿真出完整的實驗環(huán)境制作成本高，技術(shù)難度也極大。對于計算機(jī)軟件類實驗，日益成熟的虛擬化技術(shù)為其提供了很好的支撐[6]。

虛擬化技術(shù)主要分為服務(wù)器虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化和桌面虛擬化四種。其中，桌面虛擬化又稱為虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)，目前該技術(shù)主要應(yīng)用于計算機(jī)實驗室和多媒體教室，將操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、環(huán)境配置等資源集中放在云端管理，實現(xiàn)集中管理、分布計算，在提高設(shè)備使用和管理效率的同時，在實驗室資源開放和在線實驗平臺建設(shè)方面也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[7-8]。計算機(jī)基礎(chǔ)課程實驗量大、面廣，對培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和信息素養(yǎng)起基礎(chǔ)性支撐作用。隨著社會信息化節(jié)奏加快，各行各業(yè)對計算機(jī)的應(yīng)用需求越來越廣泛深入，主要表現(xiàn)在[9]：1）駕馭計算機(jī)的能力已經(jīng)從計算機(jī)學(xué)科轉(zhuǎn)變?yōu)楦鲗I(yè)的大眾計算共性需求；2）將計算機(jī)技術(shù)與專業(yè)應(yīng)用需求相融合，已成為大學(xué)生在本專業(yè)學(xué)習(xí)、應(yīng)用、研究、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)等方面的必備能力。2006年，美國卡內(nèi)基•梅隆大學(xué)周以真教授定義計算思維是“一種運用計算機(jī)科學(xué)基本概念求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的方式”，并闡述其不僅僅屬于計算機(jī)科學(xué)家，而是每個人的基本技能[10]。2010年發(fā)表的《九校聯(lián)盟（C9）計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中旗幟鮮明地把計算思維能力的培養(yǎng)作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)[11]。由此可見，大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生潛移默化地養(yǎng)成用計算思維方式解決專業(yè)問題、成為復(fù)合型創(chuàng)新人才的基礎(chǔ)性教育。

1計算機(jī)基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

計算機(jī)基礎(chǔ)課程是給高校非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的通識類計算機(jī)課程。在國外，計算機(jī)基礎(chǔ)課程一直是受到廣泛關(guān)注的基礎(chǔ)型學(xué)科。近年來，隨著中小學(xué)信息技術(shù)課程的開設(shè)和普及，我國高校計算機(jī)基礎(chǔ)課程由原來的計算機(jī)基礎(chǔ)變?yōu)楦鶕?jù)各個專業(yè)學(xué)科需求而逐步分科類開設(shè)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、C語言程序設(shè)計、Java語言程序設(shè)計、Python語言等[12]，主要目標(biāo)是培養(yǎng)非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生掌握一定的計算機(jī)基礎(chǔ)知識、技術(shù)與方法，以及利用計算機(jī)解決本專業(yè)領(lǐng)域問題的意識與能力。在計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中，理論教學(xué)與實驗教學(xué)互為依存，實驗教學(xué)是整個教學(xué)的“綱”和“靈魂”，對每個大學(xué)生的終身學(xué)習(xí)以及主動應(yīng)用計算機(jī)起著至關(guān)重要的作用。為了保障學(xué)生具有基本的實踐技能，計算機(jī)基礎(chǔ)課程往往配備1∶1的實驗學(xué)時，因而實驗教學(xué)在各個高校中均有涉及學(xué)生人數(shù)多、學(xué)時量大、覆蓋專業(yè)面廣的特點。以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)為例，2019學(xué)年計算機(jī)基礎(chǔ)實驗室承擔(dān)的基礎(chǔ)課實驗中，修讀數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的有55個專業(yè)241個班級，人時數(shù)共計119008；修讀C語言程序設(shè)計的有32個專業(yè)140個班級，人時數(shù)共計67200，修讀Java語言程序設(shè)計的有28個專業(yè)107個班級，人時數(shù)共計51360。國內(nèi)大部分高校針對計算機(jī)基礎(chǔ)實驗課程特點，利用現(xiàn)代教育信息技術(shù)開發(fā)建設(shè)一系列教學(xué)系統(tǒng)和資源并運用于日常教學(xué)中，對豐富教學(xué)手段、增強(qiáng)教學(xué)效果起到一定的促進(jìn)作用。針對國內(nèi)高校計算機(jī)基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)有以下幾點思考。

1.1課內(nèi)實驗學(xué)時有限，課外輔助實驗條件與學(xué)生需求不適應(yīng)隨著高校人才培養(yǎng)方案的調(diào)整，各專業(yè)課內(nèi)總學(xué)分有所減少，實驗課時也相應(yīng)地壓縮。實驗課的特點是需要大量練習(xí)、嘗試與探索，課時的減少直接影響實驗教學(xué)效果。另外，來自不同地區(qū)的學(xué)生初高中階段信息技術(shù)普及差異較大，部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生需要更多的實踐時間。學(xué)生具有利用課外時間自主實踐的強(qiáng)烈需求，而提供給學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的平臺與資源條件不足[13]。

1.2虛擬線上實驗平臺的輔助潛能有待開發(fā)目前學(xué)生進(jìn)行課程實驗主要按照教學(xué)安排，在固定的時間到固定的機(jī)房完成，會出現(xiàn)有的學(xué)生因故缺課、實驗進(jìn)度較慢、學(xué)生有額外的興趣拓展等問題，目前主要的解決方式是讓學(xué)生使用自己的電腦安裝相應(yīng)的軟件，或在公共機(jī)房特定開放時間內(nèi)完成。對于沒有電腦的學(xué)生，時間和資源都受到限制，成為自主學(xué)習(xí)探索的障礙，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)熱情與積極性的激發(fā)與培養(yǎng)。

1.3實驗教學(xué)資源建設(shè)可結(jié)合專業(yè)應(yīng)用實現(xiàn)融合創(chuàng)新計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的深層次目標(biāo)是培養(yǎng)非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生利用計算機(jī)解決本專業(yè)領(lǐng)域問題的意識與能力。目前的實驗項目及案例中，從專業(yè)應(yīng)用需求出發(fā)、與專業(yè)知識結(jié)合的資源相對匱乏。另外，隨著學(xué)生的移動學(xué)習(xí)需求不斷增加，針對移動學(xué)習(xí)所需的自學(xué)和幫助資源欠缺，影響學(xué)生的體驗度，缺少與時俱進(jìn)的時代性。

1.4實驗考核方式可進(jìn)一步完善實驗考核通常以實驗報告或程序的運行結(jié)果為依據(jù)，考核方式往往比較單一。同時，由于學(xué)生的入學(xué)基礎(chǔ)存在差異，而考核過程中又難以實施分層考核，一般以大多數(shù)學(xué)生的掌握程度平衡難度，難以反映學(xué)生真正的實操能力。對于基礎(chǔ)比較好的學(xué)生而言，他們的潛能得不到挖掘和發(fā)揮，也有礙學(xué)習(xí)積極性的調(diào)動。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課實驗室在信息化建設(shè)的推動下，通過整合教學(xué)資源、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和開發(fā)實用性系統(tǒng)，先后建有作業(yè)存儲系統(tǒng)、機(jī)房管理系統(tǒng)、實驗管理系統(tǒng)以及虛擬桌面快速交付系統(tǒng)等多個實驗教學(xué)與管理系統(tǒng)，在實驗教學(xué)與管理中發(fā)揮了積極作用；但偏重于教學(xué)管理應(yīng)用，實驗教學(xué)平臺與資源的共享方面建設(shè)不足，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的平臺和資源有限，和計算思維的培養(yǎng)目標(biāo)有一定差距。

2以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向的線上實驗平臺與資源建設(shè)

2.1建設(shè)目標(biāo)

以培養(yǎng)計算思維為導(dǎo)向，以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)實驗開設(shè)人數(shù)最多的兩門課程為切入點，從環(huán)境和資源兩個維度，構(gòu)建虛擬線上實驗平臺，以及融入不同學(xué)科應(yīng)用特點的課程資源，為學(xué)生創(chuàng)建實虛結(jié)合、線下線上、課內(nèi)課外混合式實驗環(huán)境，逐步培養(yǎng)學(xué)生的“基本使用能力—技術(shù)應(yīng)用能力—專業(yè)應(yīng)用能力—協(xié)作創(chuàng)新能力”。同時，結(jié)合課外學(xué)習(xí)實踐的過程記錄與結(jié)果評價，將課外實驗與訓(xùn)練成果納入課程考核，豐富課內(nèi)成績評定模式，激勵課外自主學(xué)習(xí)實踐的持久性，形成課內(nèi)課外良性循環(huán)。總體建設(shè)思路如圖1所示。

2.2建設(shè)內(nèi)容

2.2.1利用虛擬化技術(shù)建設(shè)計算機(jī)基礎(chǔ)課程虛擬線上實驗平臺以計算機(jī)基礎(chǔ)實驗室現(xiàn)有軟硬件及穩(wěn)定高速的校園網(wǎng)絡(luò)為依托，采用桌面虛擬化技術(shù)，首先為修讀人數(shù)多、覆蓋面廣、運用普遍的兩門計算機(jī)基礎(chǔ)實驗課程數(shù)據(jù)庫應(yīng)用和C語言程序設(shè)計建設(shè)線上實驗平臺，進(jìn)而可擴(kuò)展到其他基礎(chǔ)課程。學(xué)生可使用筆記本電腦、PC機(jī)或平板電腦等接入設(shè)備，通過瀏覽器或客戶端軟件連接到遠(yuǎn)程的虛擬桌面系統(tǒng)，輸入用戶信息驗證通過后，即可訪問平臺軟件，結(jié)合線上學(xué)習(xí)資源，實現(xiàn)自主實驗。平臺充分發(fā)揮以學(xué)生為中心和主導(dǎo)的特點，為學(xué)生提供課前預(yù)習(xí)預(yù)練、課后溫習(xí)鞏固的課外拓展環(huán)境。

2.2.2按需為學(xué)生訂制參與學(xué)科競賽與創(chuàng)新訓(xùn)練的線上實踐環(huán)境學(xué)生在參與學(xué)科競賽、創(chuàng)新訓(xùn)練時，用到的軟件環(huán)境往往功能強(qiáng)大，或安裝配置運行要求較高，或單機(jī)環(huán)境無法實現(xiàn)，或硬件配置及軟件間沖突等，所需軟件及應(yīng)用并不能完全安裝，網(wǎng)上申請環(huán)境又需要一定的費用，成為限制探索實踐的障礙。積極開放渠道收集學(xué)生需求，在服務(wù)器端安裝配置所需軟件及環(huán)境，通過接受申請開通使用權(quán)限，完成用戶管理、維護(hù)更新、安全訪問等工作，為學(xué)生參與競賽或完成創(chuàng)新訓(xùn)練提供支持?；诰€上實驗平臺與創(chuàng)新實踐環(huán)境的需求，結(jié)合目前主要的桌面虛擬化技術(shù)架構(gòu)特點分析，擬采用VDI架構(gòu)。目前主要的四類桌面虛擬化架構(gòu)有VDI（VirtualDesktopInfrastructure）架構(gòu)、RDS（RemoteDesktopServices）架構(gòu)、IDV（In-telligentDesktopVirtualization）架構(gòu)和VOI（VirtualOSInfrastructure）架構(gòu)[14]。傳統(tǒng)的主流桌面虛擬化技術(shù)VDI的特點：服務(wù)端可以虛擬出多個不同的虛擬機(jī)，安裝不同需求的操作系統(tǒng)和軟件；支持多終端訪問，包括PC機(jī)、一體機(jī)、筆記本電腦、平板電腦；運算、數(shù)據(jù)和服務(wù)集中于服務(wù)器端，訪問安全便捷[15]。基于以上特點，VDI架構(gòu)成為本平臺建設(shè)的首選。較為成熟的VDI技術(shù)主要有VMwareViewer、CitrixXenDesktop以及KVM，綜合考慮虛擬化技術(shù)的成熟度、穩(wěn)定性以及開源程度，擬選定KVM作為本次線上平臺與環(huán)境建設(shè)的虛擬化技術(shù)基礎(chǔ)[16]。虛擬線上實驗平臺架構(gòu)如圖2所示。

2.2.3課內(nèi)課外相融通的數(shù)字化資源建設(shè)按照完成課內(nèi)學(xué)習(xí)任務(wù)和實現(xiàn)課外與專業(yè)應(yīng)用結(jié)合拓展的不同目標(biāo)與需求，以知識難度遞進(jìn)式構(gòu)建實驗資源與體系，分為基礎(chǔ)資源、拓展資源和創(chuàng)新資源，資源建設(shè)圖如圖3所示。選定數(shù)據(jù)庫應(yīng)用和C語言程序設(shè)計兩門課程作為切入點，按照自建與引進(jìn)其他高校和教學(xué)平臺已有優(yōu)質(zhì)資源加以匯集與共享的原則，建設(shè)線上實驗資源庫，包括課件庫、經(jīng)典案例庫、實驗項目庫、文獻(xiàn)資料庫等。課內(nèi)實驗注重知識的重溫與鞏固，課外實驗側(cè)重于思考性與啟發(fā)性，結(jié)合不同學(xué)科實際應(yīng)用需求，強(qiáng)調(diào)自學(xué)成分。積極探索與實施“計算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)+專業(yè)應(yīng)用結(jié)合”的設(shè)計思路，分析華南農(nóng)業(yè)大學(xué)涉農(nóng)專業(yè)、理科專業(yè)、工科專業(yè)、文科專業(yè)等幾大專業(yè)的特點，根據(jù)知識模塊整理與開發(fā)一系列與不同專業(yè)相結(jié)合的經(jīng)典實驗項目。

2.2.4建設(shè)混合式學(xué)習(xí)輔導(dǎo)、督促與激勵機(jī)制實驗學(xué)習(xí)重要的是環(huán)環(huán)相扣，提供完備的實驗指導(dǎo)和順暢的師生交流渠道，及時提供解答與幫助是保障實驗順利進(jìn)行的關(guān)鍵。加強(qiáng)資源利用的引導(dǎo)性，實現(xiàn)課外實驗過程記錄與實驗結(jié)果評價，推動實行課外附加分制度，將網(wǎng)絡(luò)自修納入課程考核，激發(fā)學(xué)生持久學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)課內(nèi)課外良性循環(huán)，同時推進(jìn)考核方式、方法多樣化，給學(xué)生以更加客觀、合理的成績評定。

3平臺與資源建設(shè)的意義與優(yōu)點

線上實驗平臺與課程資源建設(shè)將為計算機(jī)基礎(chǔ)實驗教學(xué)開展混合式學(xué)習(xí)與拓展式訓(xùn)練提供支持，涉及的專業(yè)廣、受益學(xué)生多，具體研究意義包含以下三個方面。

3.1夯實課內(nèi)教學(xué)質(zhì)量

3.1.1線上實驗平臺與課程資源建設(shè)為課內(nèi)實驗提供輔助與補充，實現(xiàn)課外課內(nèi)混合式實驗實驗教學(xué)模式的特點是講授式占比很小，更多為探究式、任務(wù)式、案例式與合作式，更加適合于混合式學(xué)習(xí)。學(xué)生通過“課前在線預(yù)習(xí)預(yù)練—課中跟隨實驗—課后在線鞏固提升”的混合形式，緊密同步線下實驗課程進(jìn)度安排，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

3.1.2突破課內(nèi)實驗學(xué)時有限、課外實驗條件受限的困境，為學(xué)生按需實驗與教師分層施教提供支持由于大學(xué)新生計算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用能力存在顯著差別，計算機(jī)基礎(chǔ)課程作為入學(xué)新生的必修課，教學(xué)要照顧大多數(shù)學(xué)生的接受能力，無法顧及優(yōu)秀學(xué)生和學(xué)困生的需求。實驗教學(xué)中充分體現(xiàn)學(xué)生為主導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生積極利用課前課后時間發(fā)揮自主性。通過虛擬實驗平臺，學(xué)生只要連接校園網(wǎng)，就可以在圖書館、教室、宿舍等地使用云桌面繼續(xù)開展實驗?；A(chǔ)薄弱的學(xué)生可以反復(fù)實踐以加深理解，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生也可以深入探索鉆研。教師可以隨時隨地接入平臺進(jìn)行備課，也可以針對不同程度學(xué)生布置相應(yīng)作業(yè)，實現(xiàn)分層施教。

3.1.3為線下實驗開展提供應(yīng)急預(yù)案，提升實驗教學(xué)應(yīng)對突發(fā)公共安全事件的能力高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的線上實驗平臺與資源，成為實驗室硬件環(huán)境受損或短缺時的備用方案，如網(wǎng)絡(luò)病毒導(dǎo)致機(jī)房系統(tǒng)故障，或臨時增加學(xué)生選修課程等；亦可作為特殊情況下面授實驗的有效替代與補充，如重大公共安全衛(wèi)生事件發(fā)生時的應(yīng)急預(yù)案，在2020年抗擊新冠疫情特殊時期，線上教育成為彌補線下教育無法正常開展的一項重要選擇。計算機(jī)基礎(chǔ)實驗課程量大面廣，線上實驗平臺的創(chuàng)建可以大大增強(qiáng)其應(yīng)對風(fēng)險能力，保障實驗教學(xué)正常有序開展。

3.2促進(jìn)課外創(chuàng)新人才與計算思維培養(yǎng)

隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，大量復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是加快工業(yè)化和信息化融合的關(guān)鍵。學(xué)生參加學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練是培養(yǎng)創(chuàng)新思維與能力的重要途徑。線上為學(xué)生按需定制的與計算機(jī)相關(guān)的學(xué)科競賽與創(chuàng)新訓(xùn)練平臺，可以解決學(xué)生對復(fù)雜實踐環(huán)境的需求，為培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供基礎(chǔ)條件。通過建設(shè)與專業(yè)特色相融合的實驗項目及案例等資源，啟迪學(xué)生思維，讓學(xué)生各展所長，促進(jìn)學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展，培養(yǎng)大學(xué)生養(yǎng)成用計算思維方式解決專業(yè)問題的能力。

4結(jié)語

社會各行業(yè)對計算機(jī)應(yīng)用能力的要求不斷提高。以培養(yǎng)大學(xué)生計算思維為導(dǎo)向，提出開展計算機(jī)基礎(chǔ)課程線上實驗平臺與資源建設(shè)研究，通過線下線上混合式實踐訓(xùn)練，突破時空限制，充分發(fā)揮學(xué)生自主積極性，提高課內(nèi)教學(xué)質(zhì)量，同時可以為線下實驗教學(xué)的開展提供應(yīng)急與輔助預(yù)案；學(xué)科競賽與創(chuàng)新實踐環(huán)境的建設(shè)，可以深度激發(fā)與挖掘?qū)W生的探索與創(chuàng)新精神；以技能、能力、思維的三層培養(yǎng)目標(biāo)為核心，為實現(xiàn)培養(yǎng)具有計算思維的創(chuàng)新人才的長遠(yuǎn)目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

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作者:李玉峰 陳志民 葉志嬋 謝虎 谷豐 單位:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)實驗與實踐訓(xùn)練中心