计算思维核心研究

摘要:随着社会信息化节奏加快，各行各业对计算机应用能力要求增强，大学计算机基础课程成为培养计算机应用能力及计算思维的基础性教育。基于线上教学的良好辅助作用，以目前逐渐成熟的虚拟化技术为支撑，提出以华南农业大学计算机基础实验开设人数最多的两门课程为切入点，从环境和资源两个维度，建设线上实验平台与专业融合体系化学习资源，创建实虚结合、线下线上、课内课外混合式实验新模式，丰富成绩评定方式，激励自主实践持久性，内外融合互促，为计算思维与人才培养提供强力支撑。

关键词:线上实验平台；虚拟化技术；计算思维；计算机基础课程；数字化资源

前言

随着国家对教育信息化的重视和投入，在线教育成为传统教育的有力辅助与补充[1-2]。2020年春，在突如其来的新冠肺炎疫情之下，“停课不停学”的开展让在线学习成为刚需。网络打破了传统教育时间和空间上的限制，教育资源重新匹配，教育形式逐步丰富，为维护正常教学秩序提供了极大的帮助[3]，更加凸显教育治理现代化的意义和作用[4]。云计算和虚拟化技术的快速发展，为线上实验教学的开展提供了支持与保障。线上实验教学由于受到仪器设备、材料环境等的制约，具有较大的局限性。对于硬件和仪器类实验，目前常见的方法是采用虚拟仿真技术提供实验环境[5]，但其局限性也很明显：仿真环境下的实验一般只能按一种预先设定的逻辑关系和操作步骤进行，限定了学生的思考方式；同时，仿真出完整的实验环境制作成本高，技术难度也极大。对于计算机软件类实验，日益成熟的虚拟化技术为其提供了很好的支撑[6]。

虚拟化技术主要分为服务器虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化和桌面虚拟化四种。其中，桌面虚拟化又称为虚拟桌面基础架构，目前该技术主要应用于计算机实验室和多媒体教室，将操作系统、应用程序、环境配置等资源集中放在云端管理，实现集中管理、分布计算，在提高设备使用和管理效率的同时，在实验室资源开放和在线实验平台建设方面也展现出良好的应用前景[7-8]。计算机基础课程实验量大、面广，对培养学生的计算思维和信息素养起基础性支撑作用。随着社会信息化节奏加快，各行各业对计算机的应用需求越来越广泛深入，主要表现在[9]：1）驾驭计算机的能力已经从计算机学科转变为各专业的大众计算共性需求；2）将计算机技术与专业应用需求相融合，已成为大学生在本专业学习、应用、研究、创新、创业等方面的必备能力。2006年，美国卡内基•梅隆大学周以真教授定义计算思维是“一种运用计算机科学基本概念求解问题、设计系统和理解人类行为的方式”，并阐述其不仅仅属于计算机科学家，而是每个人的基本技能[10]。2010年发表的《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》中旗帜鲜明地把计算思维能力的培养作为计算机基础教学的核心任务[11]。由此可见，大学计算机基础教学是培养大学生潜移默化地养成用计算思维方式解决专业问题、成为复合型创新人才的基础性教育。

1计算机基础课程实验教学现状分析

计算机基础课程是给高校非计算机专业学生开设的通识类计算机课程。在国外，计算机基础课程一直是受到广泛关注的基础型学科。近年来，随着中小学信息技术课程的开设和普及，我国高校计算机基础课程由原来的计算机基础变为根据各个专业学科需求而逐步分科类开设数据库应用、C语言程序设计、Java语言程序设计、Python语言等[12]，主要目标是培养非计算机专业学生掌握一定的计算机基础知识、技术与方法，以及利用计算机解决本专业领域问题的意识与能力。在计算机基础教学中，理论教学与实验教学互为依存，实验教学是整个教学的“纲”和“灵魂”，对每个大学生的终身学习以及主动应用计算机起着至关重要的作用。为了保障学生具有基本的实践技能，计算机基础课程往往配备1∶1的实验学时，因而实验教学在各个高校中均有涉及学生人数多、学时量大、覆盖专业面广的特点。以华南农业大学为例，2019学年计算机基础实验室承担的基础课实验中，修读数据库应用的有55个专业241个班级，人时数共计119008；修读C语言程序设计的有32个专业140个班级，人时数共计67200，修读Java语言程序设计的有28个专业107个班级，人时数共计51360。国内大部分高校针对计算机基础实验课程特点，利用现代教育信息技术开发建设一系列教学系统和资源并运用于日常教学中，对丰富教学手段、增强教学效果起到一定的促进作用。针对国内高校计算机基础课程实验教学有以下几点思考。

1.1课内实验学时有限，课外辅助实验条件与学生需求不适应随着高校人才培养方案的调整，各专业课内总学分有所减少，实验课时也相应地压缩。实验课的特点是需要大量练习、尝试与探索，课时的减少直接影响实验教学效果。另外，来自不同地区的学生初高中阶段信息技术普及差异较大，部分基础薄弱的学生需要更多的实践时间。学生具有利用课外时间自主实践的强烈需求，而提供给学生个性化学习的平台与资源条件不足[13]。

1.2虚拟线上实验平台的辅助潜能有待开发目前学生进行课程实验主要按照教学安排，在固定的时间到固定的机房完成，会出现有的学生因故缺课、实验进度较慢、学生有额外的兴趣拓展等问题，目前主要的解决方式是让学生使用自己的电脑安装相应的软件，或在公共机房特定开放时间内完成。对于没有电脑的学生，时间和资源都受到限制，成为自主学习探索的障碍，不利于学生学习热情与积极性的激发与培养。

1.3实验教学资源建设可结合专业应用实现融合创新计算机基础课程教学的深层次目标是培养非计算机专业学生利用计算机解决本专业领域问题的意识与能力。目前的实验项目及案例中，从专业应用需求出发、与专业知识结合的资源相对匮乏。另外，随着学生的移动学习需求不断增加，针对移动学习所需的自学和帮助资源欠缺，影响学生的体验度，缺少与时俱进的时代性。

1.4实验考核方式可进一步完善实验考核通常以实验报告或程序的运行结果为依据，考核方式往往比较单一。同时，由于学生的入学基础存在差异，而考核过程中又难以实施分层考核，一般以大多数学生的掌握程度平衡难度，难以反映学生真正的实操能力。对于基础比较好的学生而言，他们的潜能得不到挖掘和发挥，也有碍学习积极性的调动。华南农业大学计算机基础课实验室在信息化建设的推动下，通过整合教学资源、引进先进技术和开发实用性系统，先后建有作业存储系统、机房管理系统、实验管理系统以及虚拟桌面快速交付系统等多个实验教学与管理系统，在实验教学与管理中发挥了积极作用；但偏重于教学管理应用，实验教学平台与资源的共享方面建设不足，为学生提供自主学习的平台和资源有限，和计算思维的培养目标有一定差距。

2以计算思维培养为导向的线上实验平台与资源建设

2.1建设目标

以培养计算思维为导向，以华南农业大学计算机基础实验开设人数最多的两门课程为切入点，从环境和资源两个维度，构建虚拟线上实验平台，以及融入不同学科应用特点的课程资源，为学生创建实虚结合、线下线上、课内课外混合式实验环境，逐步培养学生的“基本使用能力—技术应用能力—专业应用能力—协作创新能力”。同时，结合课外学习实践的过程记录与结果评价，将课外实验与训练成果纳入课程考核，丰富课内成绩评定模式，激励课外自主学习实践的持久性，形成课内课外良性循环。总体建设思路如图1所示。

2.2建设内容

2.2.1利用虚拟化技术建设计算机基础课程虚拟线上实验平台以计算机基础实验室现有软硬件及稳定高速的校园网络为依托，采用桌面虚拟化技术，首先为修读人数多、覆盖面广、运用普遍的两门计算机基础实验课程数据库应用和C语言程序设计建设线上实验平台，进而可扩展到其他基础课程。学生可使用笔记本电脑、PC机或平板电脑等接入设备，通过浏览器或客户端软件连接到远程的虚拟桌面系统，输入用户信息验证通过后，即可访问平台软件，结合线上学习资源，实现自主实验。平台充分发挥以学生为中心和主导的特点，为学生提供课前预习预练、课后温习巩固的课外拓展环境。

2.2.2按需为学生订制参与学科竞赛与创新训练的线上实践环境学生在参与学科竞赛、创新训练时，用到的软件环境往往功能强大，或安装配置运行要求较高，或单机环境无法实现，或硬件配置及软件间冲突等，所需软件及应用并不能完全安装，网上申请环境又需要一定的费用，成为限制探索实践的障碍。积极开放渠道收集学生需求，在服务器端安装配置所需软件及环境，通过接受申请开通使用权限，完成用户管理、维护更新、安全访问等工作，为学生参与竞赛或完成创新训练提供支持。基于线上实验平台与创新实践环境的需求，结合目前主要的桌面虚拟化技术架构特点分析，拟采用VDI架构。目前主要的四类桌面虚拟化架构有VDI（VirtualDesktopInfrastructure）架构、RDS（RemoteDesktopServices）架构、IDV（In-telligentDesktopVirtualization）架构和VOI（VirtualOSInfrastructure）架构[14]。传统的主流桌面虚拟化技术VDI的特点：服务端可以虚拟出多个不同的虚拟机，安装不同需求的操作系统和软件；支持多终端访问，包括PC机、一体机、笔记本电脑、平板电脑；运算、数据和服务集中于服务器端，访问安全便捷[15]。基于以上特点，VDI架构成为本平台建设的首选。较为成熟的VDI技术主要有VMwareViewer、CitrixXenDesktop以及KVM，综合考虑虚拟化技术的成熟度、稳定性以及开源程度，拟选定KVM作为本次线上平台与环境建设的虚拟化技术基础[16]。虚拟线上实验平台架构如图2所示。

2.2.3课内课外相融通的数字化资源建设按照完成课内学习任务和实现课外与专业应用结合拓展的不同目标与需求，以知识难度递进式构建实验资源与体系，分为基础资源、拓展资源和创新资源，资源建设图如图3所示。选定数据库应用和C语言程序设计两门课程作为切入点，按照自建与引进其他高校和教学平台已有优质资源加以汇集与共享的原则，建设线上实验资源库，包括课件库、经典案例库、实验项目库、文献资料库等。课内实验注重知识的重温与巩固，课外实验侧重于思考性与启发性，结合不同学科实际应用需求，强调自学成分。积极探索与实施“计算机技术基础+专业应用结合”的设计思路，分析华南农业大学涉农专业、理科专业、工科专业、文科专业等几大专业的特点，根据知识模块整理与开发一系列与不同专业相结合的经典实验项目。

2.2.4建设混合式学习辅导、督促与激励机制实验学习重要的是环环相扣，提供完备的实验指导和顺畅的师生交流渠道，及时提供解答与帮助是保障实验顺利进行的关键。加强资源利用的引导性，实现课外实验过程记录与实验结果评价，推动实行课外附加分制度，将网络自修纳入课程考核，激发学生持久学习的积极性，促进课内课外良性循环，同时推进考核方式、方法多样化，给学生以更加客观、合理的成绩评定。

3平台与资源建设的意义与优点

线上实验平台与课程资源建设将为计算机基础实验教学开展混合式学习与拓展式训练提供支持，涉及的专业广、受益学生多，具体研究意义包含以下三个方面。

3.1夯实课内教学质量

3.1.1线上实验平台与课程资源建设为课内实验提供辅助与补充，实现课外课内混合式实验实验教学模式的特点是讲授式占比很小，更多为探究式、任务式、案例式与合作式，更加适合于混合式学习。学生通过“课前在线预习预练—课中跟随实验—课后在线巩固提升”的混合形式，紧密同步线下实验课程进度安排，增强学习效果。

3.1.2突破课内实验学时有限、课外实验条件受限的困境，为学生按需实验与教师分层施教提供支持由于大学新生计算机基础应用能力存在显著差别，计算机基础课程作为入学新生的必修课，教学要照顾大多数学生的接受能力，无法顾及优秀学生和学困生的需求。实验教学中充分体现学生为主导，引导学生积极利用课前课后时间发挥自主性。通过虚拟实验平台，学生只要连接校园网，就可以在图书馆、教室、宿舍等地使用云桌面继续开展实验。基础薄弱的学生可以反复实践以加深理解，学习能力强的学生也可以深入探索钻研。教师可以随时随地接入平台进行备课，也可以针对不同程度学生布置相应作业，实现分层施教。

3.1.3为线下实验开展提供应急预案，提升实验教学应对突发公共安全事件的能力高速网络环境下的线上实验平台与资源，成为实验室硬件环境受损或短缺时的备用方案，如网络病毒导致机房系统故障，或临时增加学生选修课程等；亦可作为特殊情况下面授实验的有效替代与补充，如重大公共安全卫生事件发生时的应急预案，在2020年抗击新冠疫情特殊时期，线上教育成为弥补线下教育无法正常开展的一项重要选择。计算机基础实验课程量大面广，线上实验平台的创建可以大大增强其应对风险能力，保障实验教学正常有序开展。

3.2促进课外创新人才与计算思维培养

随着社会经济不断发展，大量复合型创新人才的培养是加快工业化和信息化融合的关键。学生参加学科竞赛、创新创业训练是培养创新思维与能力的重要途径。线上为学生按需定制的与计算机相关的学科竞赛与创新训练平台，可以解决学生对复杂实践环境的需求，为培养创新人才提供基础条件。通过建设与专业特色相融合的实验项目及案例等资源，启迪学生思维，让学生各展所长，促进学生知识、能力、素质的全面协调发展，培养大学生养成用计算思维方式解决专业问题的能力。

4结语

社会各行业对计算机应用能力的要求不断提高。以培养大学生计算思维为导向，提出开展计算机基础课程线上实验平台与资源建设研究，通过线下线上混合式实践训练，突破时空限制，充分发挥学生自主积极性，提高课内教学质量，同时可以为线下实验教学的开展提供应急与辅助预案；学科竞赛与创新实践环境的建设，可以深度激发与挖掘学生的探索与创新精神；以技能、能力、思维的三层培养目标为核心，为实现培养具有计算思维的创新人才的长远目标奠定基础。

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作者:李玉峰 陈志民 叶志婵 谢虎 谷丰 单位:华南农业大学基础实验与实践训练中心