計算思維核心研究
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摘要:隨著社會信息化節奏加快，各行各業對計算機應用能力要求增強，大學計算機基礎課程成為培養計算機應用能力及計算思維的基礎性教育。基于線上教學的良好輔助作用，以目前逐漸成熟的虛擬化技術為支撐，提出以華南農業大學計算機基礎實驗開設人數最多的兩門課程為切入點，從環境和資源兩個維度，建設線上實驗平臺與專業融合體系化學習資源，創建實虛結合、線下線上、課內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，內外融合互促，為計算思維與人才培養提供強力支撐。
關鍵詞:線上實驗平臺；虛擬化技術；計算思維；計算機基礎課程；數字化資源
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”的開展讓在線學習成為剛需。網絡打破了傳統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，為維護正常教學秩序提供了極大的幫助[3]，更加凸顯教育治理現代化的意義和作用[4]。云計算和虛擬化技術的快速發展，為線上實驗教學的開展提供了支持與保障。線上實驗教學由于受到儀器設備、材料環境等的制約，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提供實驗環境[5]，但其局限性也很明顯：仿真環境下的實驗一般只能按一種預先設定的邏輯關系和操作步驟進行，限定了學生的思考方式；同時，仿真出完整的實驗環境制作成本高，技術難度也極大。對于計算機軟件類實驗，日益成熟的虛擬化技術為其提供了很好的支撐[6]。
虛擬化技術主要分為服務器虛擬化、網絡虛擬化、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架構，目前該技術主要應用于計算機實驗室和多媒體教室，將操作系統、應用程序、環境配置等資源集中放在云端管理，實現集中管理、分布計算，在提高設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方面也展現出良好的應用前景[7-8]。計算機基礎課程實驗量大、面廣，對培養學生的計算思維和信息素養起基礎性支撐作用。隨著社會信息化節奏加快，各行各業對計算機的應用需求越來越廣泛深入，主要表現在[9]：1）駕馭計算機的能力已經從計算機學科轉變為各專業的大眾計算共性需求；2）將計算機技術與專業應用需求相融合，已成為大學生在本專業學習、應用、研究、創新、創業等方面的必備能力。2006年，美國卡內基•梅隆大學周以真教授定義計算思維是“一種運用計算機科學基本概念求解問題、設計系統和理解人類行為的方式”，并闡述其不僅僅屬于計算機科學家，而是每個人的基本技能[10]。2010年發表的《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》中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[11]。由此可見，大學計算機基礎教學是培養大學生潛移默化地養成用計算思維方式解決專業問題、成為復合型創新人才的基礎性教育。
1計算機基礎課程實驗教學現狀分析
計算機基礎課程是給高校非計算機專業學生開設的通識類計算機課程。在國外，計算機基礎課程一直是受到廣泛關注的基礎型學科。近年來，隨著中小學信息技術課程的開設和普及，我國高校計算機基礎課程由原來的計算機基礎變為根據各個專業學科需求而逐步分科類開設數據庫應用、C語言程序設計、Java語言程序設計、Python語言等[12]，主要目標是培養非計算機專業學生掌握一定的計算機基礎知識、技術與方法，以及利用計算機解決本專業領域問題的意識與能力。在計算機基礎教學中，理論教學與實驗教學互為依存，實驗教學是整個教學的“綱”和“靈魂”，對每個大學生的終身學習以及主動應用計算機起著至關重要的作用。為了保障學生具有基本的實踐技能，計算機基礎課程往往配備1∶1的實驗學時，因而實驗教學在各個高校中均有涉及學生人數多、學時量大、覆蓋專業面廣的特點。以華南農業大學為例，2019學年計算機基礎實驗室承擔的基礎課實驗中，修讀數據庫應用的有55個專業241個班級，人時數共計119008；修讀C語言程序設計的有32個專業140個班級，人時數共計67200，修讀Java語言程序設計的有28個專業107個班級，人時數共計51360。國內大部分高校針對計算機基礎實驗課程特點，利用現代教育信息技術開發建設一系列教學系統和資源并運用于日常教學中，對豐富教學手段、增強教學效果起到一定的促進作用。針對國內高校計算機基礎課程實驗教學有以下幾點思考。
1.1課內實驗學時有限，課外輔助實驗條件與學生需求不適應隨著高校人才培養方案的調整，各專業課內總學分有所減少，實驗課時也相應地壓縮。實驗課的特點是需要大量練習、嘗試與探索，課時的減少直接影響實驗教學效果。另外，來自不同地區的學生初高中階段信息技術普及差異較大，部分基礎薄弱的學生需要更多的實踐時間。學生具有利用課外時間自主實踐的強烈需求，而提供給學生個性化學習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目前學生進行課程實驗主要按照教學安排，在固定的時間到固定的機房完成，會出現有的學生因故缺課、實驗進度較慢、學生有額外的興趣拓展等問題，目前主要的解決方式是讓學生使用自己的電腦安裝相應的軟件，或在公共機房特定開放時間內完成。對于沒有電腦的學生，時間和資源都受到限制，成為自主學習探索的障礙，不利于學生學習熱情與積極性的激發與培養。
1.3實驗教學資源建設可結合專業應用實現融合創新計算機基礎課程教學的深層次目標是培養非計算機專業學生利用計算機解決本專業領域問題的意識與能力。目前的實驗項目及案例中，從專業應用需求出發、與專業知識結合的資源相對匱乏。另外，隨著學生的移動學習需求不斷增加，針對移動學習所需的自學和幫助資源欠缺，影響學生的體驗度，缺少與時俱進的時代性。
1.4實驗考核方式可進一步完善實驗考核通常以實驗報告或程序的運行結果為依據，考核方式往往比較單一。同時，由于學生的入學基礎存在差異，而考核過程中又難以實施分層考核，一般以大多數學生的掌握程度平衡難度，難以反映學生真正的實操能力。對于基礎比較好的學生而言，他們的潛能得不到挖掘和發揮，也有礙學習積極性的調動。華南農業大學計算機基礎課實驗室在信息化建設的推動下，通過整合教學資源、引進先進技術和開發實用性系統，先后建有作業存儲系統、機房管理系統、實驗管理系統以及虛擬桌面快速交付系統等多個實驗教學與管理系統，在實驗教學與管理中發揮了積極作用；但偏重于教學管理應用，實驗教學平臺與資源的共享方面建設不足，為學生提供自主學習的平臺和資源有限，和計算思維的培養目標有一定差距。
2以計算思維培養為導向的線上實驗平臺與資源建設
2.1建設目標
以培養計算思維為導向，以華南農業大學計算機基礎實驗開設人數最多的兩門課程為切入點，從環境和資源兩個維度，構建虛擬線上實驗平臺，以及融入不同學科應用特點的課程資源，為學生創建實虛結合、線下線上、課內課外混合式實驗環境，逐步培養學生的“基本使用能力—技術應用能力—專業應用能力—協作創新能力”。同時，結合課外學習實踐的過程記錄與結果評價，將課外實驗與訓練成果納入課程考核，豐富課內成績評定模式，激勵課外自主學習實踐的持久性，形成課內課外良性循環。總體建設思路如圖1所示。
2.2建設內容
2.2.1利用虛擬化技術建設計算機基礎課程虛擬線上實驗平臺以計算機基礎實驗室現有軟硬件及穩定高速的校園網絡為依托，采用桌面虛擬化技術，首先為修讀人數多、覆蓋面廣、運用普遍的兩門計算機基礎實驗課程數據庫應用和C語言程序設計建設線上實驗平臺，進而可擴展到其他基礎課程。學生可使用筆記本電腦、PC機或平板電腦等接入設備，通過瀏覽器或客戶端軟件連接到遠程的虛擬桌面系統，輸入用戶信息驗證通過后，即可訪問平臺軟件，結合線上學習資源，實現自主實驗。平臺充分發揮以學生為中心和主導的特點，為學生提供課前預習預練、課后溫習鞏固的課外拓展環境。
2.2.2按需為學生訂制參與學科競賽與創新訓練的線上實踐環境學生在參與學科競賽、創新訓練時，用到的軟件環境往往功能強大，或安裝配置運行要求較高，或單機環境無法實現，或硬件配置及軟件間沖突等，所需軟件及應用并不能完全安裝，網上申請環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生需求，在服務器端安裝配置所需軟件及環境，通過接受申請開通使用權限，完成用戶管理、維護更新、安全訪問等工作，為學生參與競賽或完成創新訓練提供支持。基于線上實驗平臺與創新實踐環境的需求，結合目前主要的桌面虛擬化技術架構特點分析，擬采用VDI架構。目前主要的四類桌面虛擬化架構有VDI（VirtualDesktopInfrastructure）架構、RDS（RemoteDesktopServices）架構、IDV（In-telligentDesktopVirtualization）架構和VOI（VirtualOSInfrastructure）架構[14]。傳統的主流桌面虛擬化技術VDI的特點：服務端可以虛擬出多個不同的虛擬機，安裝不同需求的操作系統和軟件；支持多終端訪問，包括PC機、一體機、筆記本電腦、平板電腦；運算、數據和服務集中于服務器端，訪問安全便捷[15]。基于以上特點，VDI架構成為本平臺建設的首選。較為成熟的VDI技術主要有VMwareViewer、CitrixXenDesktop以及KVM，綜合考慮虛擬化技術的成熟度、穩定性以及開源程度，擬選定KVM作為本次線上平臺與環境建設的虛擬化技術基礎[16]。虛擬線上實驗平臺架構如圖2所示。
2.2.3課內課外相融通的數字化資源建設按照完成課內學習任務和實現課外與專業應用結合拓展的不同目標與需求，以知識難度遞進式構建實驗資源與體系，分為基礎資源、拓展資源和創新資源，資源建設圖如圖3所示。選定數據庫應用和C語言程序設計兩門課程作為切入點，按照自建與引進其他高校和教學平臺已有優質資源加以匯集與共享的原則，建設線上實驗資源庫，包括課件庫、經典案例庫、實驗項目庫、文獻資料庫等。課內實驗注重知識的重溫與鞏固，課外實驗側重于思考性與啟發性，結合不同學科實際應用需求，強調自學成分。積極探索與實施“計算機技術基礎+專業應用結合”的設計思路，分析華南農業大學涉農專業、理科專業、工科專業、文科專業等幾大專業的特點，根據知識模塊整理與開發一系列與不同專業相結合的經典實驗項目。
2.2.4建設混合式學習輔導、督促與激勵機制實驗學習重要的是環環相扣，提供完備的實驗指導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行的關鍵。加強資源利用的引導性，實現課外實驗過程記錄與實驗結果評價，推動實行課外附加分制度，將網絡自修納入課程考核，激發學生持久學習的積極性，促進課內課外良性循環，同時推進考核方式、方法多樣化，給學生以更加客觀、合理的成績評定。
3平臺與資源建設的意義與優點
線上實驗平臺與課程資源建設將為計算機基礎實驗教學開展混合式學習與拓展式訓練提供支持，涉及的專業廣、受益學生多，具體研究意義包含以下三個方面。
3.1夯實課內教學質量
3.1.1線上實驗平臺與課程資源建設為課內實驗提供輔助與補充，實現課外課內混合式實驗實驗教學模式的特點是講授式占比很小，更多為探究式、任務式、案例式與合作式，更加適合于混合式學習。學生通過“課前在線預習預練—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度安排，增強學習效果。
3.1.2突破課內實驗學時有限、課外實驗條件受限的困境，為學生按需實驗與教師分層施教提供支持由于大學新生計算機基礎應用能力存在顯著差別，計算機基礎課程作為入學新生的必修課，教學要照顧大多數學生的接受能力，無法顧及優秀學生和學困生的需求。實驗教學中充分體現學生為主導，引導學生積極利用課前課后時間發揮自主性。通過虛擬實驗平臺，學生只要連接校園網，就可以在圖書館、教室、宿舍等地使用云桌面繼續開展實驗。基礎薄弱的學生可以反復實踐以加深理解，學習能力強的學生也可以深入探索鉆研。教師可以隨時隨地接入平臺進行備課，也可以針對不同程度學生布置相應作業，實現分層施教。
3.1.3為線下實驗開展提供應急預案，提升實驗教學應對突發公共安全事件的能力高速網絡環境下的線上實驗平臺與資源，成為實驗室硬件環境受損或短缺時的備用方案，如網絡病毒導致機房系統故障，或臨時增加學生選修課程等；亦可作為特殊情況下面授實驗的有效替代與補充，如重大公共安全衛生事件發生時的應急預案，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。計算機基礎實驗課程量大面廣，線上實驗平臺的創建可以大大增強其應對風險能力，保障實驗教學正常有序開展。
3.2促進課外創新人才與計算思維培養
隨著社會經濟不斷發展，大量復合型創新人才的培養是加快工業化和信息化融合的關鍵。學生參加學科競賽、創新創業訓練是培養創新思維與能力的重要途徑。線上為學生按需定制的與計算機相關的學科競賽與創新訓練平臺，可以解決學生對復雜實踐環境的需求，為培養創新人才提供基礎條件。通過建設與專業特色相融合的實驗項目及案例等資源，啟迪學生思維，讓學生各展所長，促進學生知識、能力、素質的全面協調發展，培養大學生養成用計算思維方式解決專業問題的能力。
4結語
社會各行業對計算機應用能力的要求不斷提高。以培養大學生計算思維為導向，提出開展計算機基礎課程線上實驗平臺與資源建設研究，通過線下線上混合式實踐訓練，突破時空限制，充分發揮學生自主積極性，提高課內教學質量，同時可以為線下實驗教學的開展提供應急與輔助預案；學科競賽與創新實踐環境的建設，可以深度激發與挖掘學生的探索與創新精神；以技能、能力、思維的三層培養目標為核心，為實現培養具有計算思維的創新人才的長遠目標奠定基礎。
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作者:李玉峰 陳志民 葉志嬋 謝虎 谷豐 單位:華南農業大學基礎實驗與實踐訓練中心
