基于分類教學指導的大學計算機基礎課程實驗改革

薛慶　陳宇峰　張東生　趙三元

摘要：就如何面對學生基礎參差不齊的現(xiàn)狀，如何面向不同專業(yè)的學生在有限的學時提供信息素養(yǎng)的熏陶、計算機科學知識的傳授和計算思維能力的培養(yǎng)等問題，探討大學計算機基礎分類教學的改革與實踐，提出計算機公共教學為專業(yè)提供支持，并以虛擬實驗為例，詳細介紹機械類專業(yè)分類教學的內(nèi)容、方法和預期效果。

關鍵詞：大學計算機；分類教學；實驗改革

0 引言

大學計算機基礎一直是大學本科一年級的必修課，是學習和應用計算機的入門課程。不同專業(yè)的學生在大學4年內(nèi)的課程體系有很大不同，研究型大學以培養(yǎng)高水平復合型人才為目標，注重學生綜合能力和素質(zhì)的提高。大學計算機基礎課程如何為專業(yè)課提供基礎知識和基礎技術，如何培養(yǎng)學生計算機應用的基本能力是當前熱點問題。文科類、理工類以及農(nóng)林、醫(yī)學等不同專業(yè)對大學計算機基礎課程的需求不同，加之受到內(nèi)容多、學時少的影響和限制，我們必須探索合理的改革目標和路徑，嘗試分類教學，有針對性地在不同分類的需求上展示所需的計算機科學分支。

1 計算機公共教學需要分類指導

我們多年從事大學計算機基礎課程教學和實驗輔導，對不同專業(yè)對計算機知識和能力的需求有深入了解。如何改革教學內(nèi)容、如何面向不同類別的專業(yè)建立恰當?shù)慕虒W體系，是我們深度思考的問題，分類教學是一種有效的手段。

文中所說的分類教學是指在統(tǒng)一教學指導的前提下，基于人才培養(yǎng)目標，面向不同專業(yè)類別進行的，不以學校來簡單劃分。根據(jù)不同專業(yè)需求，設計不同的教學方案，包括教學內(nèi)容、教學手段、教學素材、教學過程和教學實驗。如北京理工大學總體學科和專業(yè)的設置基于對各專業(yè)的課程體系、專業(yè)培養(yǎng)計劃的縝密分析，通過對不同專業(yè)、不同年級的學生的訪談溝通，特別是學生進入大三大四后對計算機科學的依賴，將大學計算機基礎授課對象分為信息類、理工機械類、理工理科類、管理類、文科類和藝術類等。其中管理類需要數(shù)據(jù)庫方面的支持，而機械類對仿真相關方法和知識關注度更高。針對不同類別的專業(yè)重點強調(diào)某些內(nèi)容，這是面向應用培養(yǎng)復合型人才的最高境界。又如河南大學每年上萬學生學習大學計算機基礎課程，目前教學分為社科、人文、理工、醫(yī)學與生命科學、經(jīng)管教育等5類，都需要一套能夠服務于專業(yè)需求的教學計劃與之配套。所以分類教學是大學計算機公共教學的首要環(huán)節(jié)，不僅體現(xiàn)在課程講授上，也體現(xiàn)在虛擬實驗中，即為不同大類的學生訂制不同的實驗。

2 計算機公共教學應該為專業(yè)需求提供支持

作為重要的基礎課，大學計算機基礎課程應該為各類專業(yè)學生今后的專業(yè)學習和專業(yè)技能應用奠定堅實的基礎。我們的原則是計算機公共教學應該為專業(yè)需求提供支持，具體措施如下。

1）為不同專業(yè)的學生訂制不同的教學內(nèi)容。

我們將大學計算機基礎分為4類，分別為大學計算機基礎、計算機應用基礎、計算機科學導論、計算機科學與程序設計。每個分支都有獨立的教學小組、定制不同的教學大綱。

2）選擇合適的教師承擔不同類別的課程教學。

北京理工大學計算機公共基礎課教學團隊是國家級優(yōu)秀教學團隊，由多學科多專業(yè)背景的教師組成，除計算機專業(yè)外，還有自動控制類、機械制造類、信息工程類。這些教師除有很強的計算機應用能力外，還有本專業(yè)堅實的基礎理論和系統(tǒng)的專業(yè)知識，他們深知如何將計算機的基礎知識和應用深度融合到自己專業(yè)領域，他們也能夠深入淺出地面向?qū)W生講授課程內(nèi)容，尤其是他們能夠結合科研給學生豐富的應用實例。

3）運用虛擬實驗配合課堂教學。

為解決學時少內(nèi)容多的矛盾，更重要的是體現(xiàn)不同內(nèi)容對專業(yè)的服務，我們設計了18個虛擬實驗，見表1。實驗配套相應教材，由學生課后自主完成。

上述實驗中，不同類別教學內(nèi)容可以有針對性地選擇其中的部分實驗，讓學生練習和體驗，具體實施如表2。

3 機械類大學計算機基礎課程分類教學設計

筆者曾在美國幾所大學訪問交流，深入了解過多所大學在工程學院的課程設置及課程內(nèi)容。很多大學在大學一年級的課程中都有編程課程Computer Science and Programming，還有些大學的工程學院從大一到大四，一門實踐類的課程貫穿始終。如美國史蒂文斯理工大學，在工程學院開設Engineering Design（1）至EngineeringDesign（8），連續(xù)8個學期都有，學生可以靈活選，內(nèi)容包括編程實現(xiàn)對簡單機器人的控制、用力學知識編程計算桁架的結構性能、用Matlab進行仿真分析等；工程學院的每個學生無論專業(yè)是機械工程、電子工程還是計算機工程，都必須修滿這個課的全部學分。這就是一個問題驅(qū)動并且理論與實際很好結合的實例。

目前基于問題的學習、基于項目的學習等一些新思想、新做法層出不窮，以轉變學生的學習方式為目的，強調(diào)主動探究和創(chuàng)新實踐，著眼于給學生終身受用的知識和能力，回應了時代對教育的需求。通過分析美國部分大學工程學院一年級計算機類課程的設置，以及北京理工大學機械大類學生后續(xù)課程設計、畢業(yè)設計中對計算機相關知識和工具的應用，我們在分類教學設計中對機械大類實施比較大的改革，具體思路是：

（1）將大學計算機基礎課程與后續(xù)的程序設計課程打通，形成新的課程——計算機科學與程序設計。

（2）新課程的內(nèi)容體系以培養(yǎng)學生計算思維為導向，以培養(yǎng)目標為驅(qū)動，以案例教學為線索，以服務專業(yè)應用為目標。

（3）在高度濃縮課程理論教學的同時，強化學生實驗，充分利用虛擬實驗平臺，將演示與體驗結合，將理論與實際結合，將基礎課內(nèi)容與專業(yè)課應用結合。

（4）課程的進行采用漸進式案例，問題復雜程度從簡到難，練習內(nèi)容由淺入深，學生作業(yè)成果從小到大。

（5）注重全過程考核，將學生作業(yè)、實驗、考試和“成果”一并列入考核內(nèi)容。

數(shù)據(jù)庫的基礎知識是課程內(nèi)容之一，介紹數(shù)據(jù)管理的基礎知識和數(shù)據(jù)庫的基本思想。為幫助學生理解，我們從需求出發(fā)，以車間零備件庫存管理為例，緊密結合機械類學生的應用，設計漸進式的問題（案例），見表3。學生由淺入深地學習計算機科學的知識并掌握程序設計的技能。

4 分類教學實驗改革實例——仿真計算與Madab虛擬實驗

在工科專業(yè)中，特別是機械大類，學生在專業(yè)課學習過程中經(jīng)常用到仿真。仿真計算利用模型復現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，通過虛擬實驗來研究已存在或設計中的系統(tǒng)。北京理工大學是以理工為主的研究型大學，從基礎課就培養(yǎng)學生的研究素養(yǎng)。我們在虛擬實驗的設計中，特別設置了針對理工類的演示驗證實驗，實驗既有功能的體現(xiàn)，又有算法的設計。學生可以比較早地了解今后從事研究所用的知識和工具，從而激發(fā)學生求知的愿望。

實驗17涉及連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真、模型參數(shù)優(yōu)化、離散系統(tǒng)建模與仿真等知識點。學生通過虛擬交互性實驗了解系統(tǒng)建模與仿真的基本概念及模型優(yōu)化與驗證思想，理解離散系統(tǒng)仿真原理。學生最后對實驗內(nèi)容進行總結和思考，將實驗涉及的相關內(nèi)容拓展和系統(tǒng)化，完成實驗報告。

實驗17中的水箱系統(tǒng)仿真計算與模型優(yōu)化，如圖1所示，學生首先觀察虛擬水箱系統(tǒng)，通過控制閥門可以向水箱注水。單擊屏幕上的“開始”，仿真程序?qū)崿F(xiàn)虛擬水箱注水的過程，并獲得水面變化的記錄。然后，學生根據(jù)計算公式填入對水箱橫截面積和流量的參數(shù)估計，根據(jù)已經(jīng)設定的輸入流量，仿真計算獲得對應的水位變化記錄。學生可以多次輸入?yún)?shù)，觀察不同的仿真結果，分析結果的誤差，修正水箱參數(shù)，重新執(zhí)行，直到誤差小于1為止，這時，將以上水箱橫截面、流量及水位參數(shù)和誤差記錄下來。

此外，還可以讓學生完成蟻群算法的分析和應用，在實驗中，學生首先了解蟻群算法，在界面選擇“覓食模擬問題”，根據(jù)軟件提示，選定螞蟻種群數(shù)量，用鼠標拖動折線繪制2條覓食路徑，單擊“覓食”，經(jīng)過給定的時間后，獲得最優(yōu)路徑，將螞蟻覓食過程記錄相應的表中。學生可以進一步改變螞蟻種群數(shù)量以及路徑數(shù)量，重復進行多次試驗。如果學生選擇“路徑優(yōu)化問題”，如圖2所示，可以在地圖上任意選擇10個點作為城市坐標，通過蟻群算法計算最優(yōu)路徑，實現(xiàn)所有城市的遍歷，還可以獲得優(yōu)化后的路徑及其長度。

這樣的實驗有力展示了計算的魅力，啟發(fā)和培養(yǎng)了學生的計算思維，引導學生產(chǎn)生對底層計算方法深入探究的興趣，對學生后續(xù)專業(yè)課的學習和專業(yè)知識的綜合應用起到非常好的作用。

5 結語

當前，大學計算機基礎課程的教學廣受關注，改革的思路各不相同，也不乏有建設性的理念和措施。筆者對計算機基礎的分類教學和虛擬實驗，特別是在理工機械類的教學內(nèi)容和實驗方法進行了較大力度的改革。近年來在不同的教學班嘗試實施，收到較好效果。

這些改革的實施將全面培養(yǎng)本科生的科學素養(yǎng)和科學思維，有效提升本科生的學術意識，使他們在后續(xù)課程和今后工作中，能夠自學和自主應用計算機程序設計的知識，編程解決實際問題，成為具有自主學習能力、研究性學習能力、終生學習能力，能夠適應環(huán)境和任務變化的復合型人才。

（編輯：彭遠紅）