大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)新模式研究

許宏麗　王移芝

摘要：針對非計算機專業(yè)計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革深化遇到的新問題，分析教學(xué)計劃、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)資源應(yīng)用與能力培養(yǎng)的關(guān)系，提出整合教學(xué)改革成果和構(gòu)建“重文化-強能力-求創(chuàng)新”的計算機基礎(chǔ)教學(xué)新模式。新模式充分考慮到專業(yè)差異、個體差異以及學(xué)校的培養(yǎng)目標，以思維能力培養(yǎng)為核心、以教學(xué)資源建設(shè)為支撐，滿足非計算機專業(yè)對計算機能力的需求。

關(guān)鍵詞：計算思維；教學(xué)模式；計算機課程改革；計算思維課程體系

0.引言

近年來，眾多專家學(xué)者關(guān)注計算思維，研究如何把它引入到大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育課程中，認為計算思維是近十年來計算科學(xué)和計算機學(xué)科中最具有基礎(chǔ)性、長期性的重要學(xué)術(shù)思想。同時，國家提出了深化高等教育改革應(yīng)該走以提高質(zhì)量為核心的發(fā)展道路。為此，我們將計算思維融入計算機基礎(chǔ)教學(xué)，努力構(gòu)建“素質(zhì)培養(yǎng)-思維訓(xùn)練-拓展創(chuàng)新”課程體系，形成教學(xué)整體解決方案，新的計算機基礎(chǔ)教學(xué)計劃已在北京交通大學(xué)全面實施。

1.“1+X”的計算機基礎(chǔ)教學(xué)課程體系

1997年高教司155號文件《加強非計算機專業(yè)的計算機基礎(chǔ)教學(xué)的幾點意見》明確提出高校要將計算機課程納入學(xué)?；A(chǔ)課程范疇，確立了計算機基礎(chǔ)教學(xué)的必修課和入門課地位。教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會2006年發(fā)布了計算機基礎(chǔ)教學(xué)白皮書——《關(guān)于進一步加強高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)教學(xué)的意見暨計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》，據(jù)此構(gòu)建“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程和6門典型核心課程的“1+X”的設(shè)置方案?！?+X”課程體系強調(diào)課程知識體系的完整性，內(nèi)容涉及知識面廣，理論內(nèi)容較深，但由于實踐體系不完善，因此難以達到教學(xué)目標。在教學(xué)實踐中我們發(fā)現(xiàn)該體系課程內(nèi)容設(shè)置忽視了非計算機專業(yè)對計算機知識的需求，沒有充分體現(xiàn)計算機公共基礎(chǔ)課程的特征，同時缺少完善的教學(xué)實踐系統(tǒng)。經(jīng)過多年的教學(xué)改革，我們積累了從線上虛擬實踐系統(tǒng)到機房和硬件實驗室的線下實驗環(huán)境，我們整合這些資源，提出了“重文化-強能力-求創(chuàng)新”的計算機基礎(chǔ)教學(xué)新模式（以下簡稱“新模式”），如圖1所示。

實踐育人是目前我國大學(xué)教育面臨的新問題。盡管多年來大學(xué)教育一直強調(diào)教學(xué)實踐，但是如何完善實驗環(huán)境，使實踐教學(xué)與課堂教學(xué)有機融合，是我們面臨的問題。新模式注重實踐教學(xué)體系，從計算機技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展以及發(fā)展過程中里程碑式的人和事，使學(xué)生對計算機技術(shù)影響人類文明發(fā)展有了全面系統(tǒng)的了解；突出計算機技術(shù)在相關(guān)專業(yè)和交叉學(xué)科中解決問題的思維方式與科學(xué)方法，進而激發(fā)學(xué)生的思維與創(chuàng)造力；拓展學(xué)生的自我學(xué)習(xí)空間，構(gòu)造多層次創(chuàng)新人才成長環(huán)境，使學(xué)生充分感受到計算機科學(xué)與技術(shù)的滲透力，面對未來敢于挑戰(zhàn)。

基于新模式構(gòu)建的課程體系突出公共基礎(chǔ)課程的特點，從單純的技能培養(yǎng)上升到強調(diào)通識知識、文化的學(xué)習(xí)和對學(xué)生計算機思維能力的培養(yǎng)。圍繞新模式我們開展了一系列教學(xué)實踐，構(gòu)建以資源整合為基礎(chǔ)的實踐訓(xùn)練平臺。

2.以計算思維為導(dǎo)向的計算機基礎(chǔ)教學(xué)課程新體系

計算機基礎(chǔ)教學(xué)課程新體系以學(xué)分制為基礎(chǔ)實施目標管理，設(shè)定總體學(xué)分要求，學(xué)生可據(jù)此自主構(gòu)筑知識結(jié)構(gòu)。新的課程體系內(nèi)容包括如下3層：

（1）素質(zhì)培養(yǎng)層。通過大學(xué)計算機基礎(chǔ)培養(yǎng)大學(xué)生所必須具備的計算機文化基本素質(zhì)，在計算機基礎(chǔ)知識與綜合能力方面打基礎(chǔ)，為后繼課程作準備。

（2）思維訓(xùn)練層。以培養(yǎng)學(xué)生計算思維的基本方法和運用計算機的基本能力為目標。計算機程序設(shè)計作為大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程后的一門重頭課，教學(xué)內(nèi)容針對不同專業(yè)領(lǐng)域，覆蓋面向?qū)ο蟮腃++、Java、VB、Web等不同的實踐環(huán)境，支持實現(xiàn)分類分層教學(xué)，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。

（3）拓展創(chuàng)新層。該層目標是開拓學(xué)生視野，提升學(xué)生綜合應(yīng)用計算機的能力，使學(xué)生具有基本的創(chuàng)新意識。通過一組選修課程（如與專業(yè)結(jié)合的計算機課程、前沿技術(shù)的計算機課程等），進一步培養(yǎng)學(xué)生的計算機綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，滿足專業(yè)需求和信息化社會對人才的需求。

3.以培養(yǎng)思維創(chuàng)新能力為核心的實踐教學(xué)體系

3.1多層次人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)平臺

按照新的教學(xué)體系，以文化修養(yǎng)熏陶和基本操作技能訓(xùn)練為基礎(chǔ)，以計算思維素質(zhì)培養(yǎng)為核心，以綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主線，構(gòu)建新的實踐課程體系（以下簡稱“新體系”）。新體系橫向劃分為4個層次，重視操作型和技能驗證型實驗，普及設(shè)計型和綜合型實驗，鼓勵研究型和創(chuàng)新型實驗。

第1層次為文化修養(yǎng)熏陶。學(xué)生通過計算機認知學(xué)習(xí)平臺了解和認識計算機，注重計算機在人類發(fā)展歷史上的作用和新的發(fā)展趨勢，加深對計算機的學(xué)習(xí)與理解。該層次要求學(xué)生掌握計算機基本操作，如文字處理以及通過網(wǎng)絡(luò)進行信息檢索。學(xué)生可通過立體化學(xué)習(xí)資源以及課外輔導(dǎo)自行完成。

第2層次為基本技能實驗。以操作型和技能驗證型實驗為主，注重基本的實驗原理、實驗方法和實驗技能，初步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)。以計算機基本操作和基本應(yīng)用為主，如掌握信息獲取、數(shù)據(jù)處理、信息展示等相應(yīng)軟件的使用。學(xué)生可以通過選修課、實訓(xùn)等方式在開放的軟件實驗環(huán)境完成。

第3層次為計算思維素質(zhì)實驗。以設(shè)計型和綜合型實驗為主，訓(xùn)練學(xué)生的計算機程序設(shè)計能力，重在培養(yǎng)學(xué)生計算思維，主要包括C++語言程序設(shè)計、Java語言程序設(shè)計、VB語言程序設(shè)計、Web程序設(shè)計和網(wǎng)站與網(wǎng)頁設(shè)計等課程。不同專業(yè)方向的學(xué)生根據(jù)專業(yè)需求進行選擇。本層實驗強調(diào)提高軟件應(yīng)用能力，培養(yǎng)應(yīng)用所學(xué)知識解決工程實際問題的綜合能力。

第4層次為綜合應(yīng)用與創(chuàng)新實驗。本層次包括計算機硬件、數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體等課程，以創(chuàng)新型、新技術(shù)和高層次應(yīng)用實驗為主，重在啟發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣和動手能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和研究能力。本層次的教學(xué)結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新項目，強調(diào)將教師的研究成果應(yīng)用于教學(xué)中。教師根據(jù)自己的研究工作和科研項目發(fā)布實驗項目內(nèi)容。學(xué)生選擇相應(yīng)實驗項目后，在教師指導(dǎo)下，自主地對實驗項目進行分析和設(shè)計，以小論文或軟件形式給出結(jié)果。endprint

3.2“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的實踐教學(xué)模式

在教學(xué)實踐中，我們發(fā)現(xiàn)提高教學(xué)效果的一個根本問題是如何提高學(xué)生的計算機應(yīng)用能力，這需要通過大量的實驗實踐來實現(xiàn)。學(xué)生在課外練習(xí)中，經(jīng)常遇到課堂上不曾講授過的知識和問題，由于不能盡快獲得教師的指導(dǎo)，使得一些疑難問題得不到解決，嚴重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。為此，結(jié)合大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，我們對教師工作進行重新配置，保證線上和線下都能參與輔導(dǎo)。同時，安排高年級研究生進行實時線上輔導(dǎo)，安排教師在實驗室值班，承擔起學(xué)生課外計算機應(yīng)用技能的輔導(dǎo)。我們構(gòu)建以能力為主導(dǎo)的課程考試機制，檢驗學(xué)生是否掌握計算機知識和技術(shù)，即學(xué)生如何應(yīng)用計算機解決實際問題?？荚嚈C制將提高計算機實測比例，根據(jù)解決問題的實際效果客觀評判?？偝煽?yōu)椤盎A(chǔ)知識+綜合實驗+教學(xué)參與”，占比為5：4：1。

建立學(xué)習(xí)獎勵機制，即成績結(jié)構(gòu)中的教學(xué)參與成績，對學(xué)習(xí)拓展模塊和參與創(chuàng)新型實驗的同學(xué)，綜合其實驗報告、實驗結(jié)果演示、答辯等環(huán)節(jié)，對他們的學(xué)習(xí)主動性進行評價。在課程的總成績中，實驗成績所占比例由20%提高到40%，對其中特別優(yōu)秀的，經(jīng)過答辯組老師的評議，其成績可直接作為該課程的成績，免予期末考試。

3.3“惠及大眾，培育冒尖”的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式實踐

ACM-ICPC（ACM International Collegiate Programming Contest）是世界上公認的規(guī)模最大、水平最高的國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽，是當代信息技術(shù)相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生展示其創(chuàng)新實踐能力和國際競爭力的高端平臺。為此，我們構(gòu)建了以ACM程序設(shè)計競賽為基礎(chǔ)的拓展創(chuàng)新訓(xùn)練平臺，堅持“惠及大眾，培育冒尖”的主導(dǎo)思想，踐行“賽課結(jié)合，賽練互動”的執(zhí)教方法，重視“訓(xùn)練平臺，管理機制”的建設(shè)環(huán)節(jié)，獲得了良好的實踐效果。

ACM程序設(shè)計競賽是少數(shù)精英型學(xué)生參與的活動，但是也不能曲高和寡、脫離大眾。根據(jù)學(xué)生的實際需求，結(jié)合國內(nèi)、國際不同層次的計算機競賽要求，在重點培養(yǎng)拔尖人才的同時，充分利用優(yōu)勢資源，面向全校開設(shè)講座以及校內(nèi)競賽，達到鼓勵一般、重點培養(yǎng)的目的。

4.差異化教學(xué)實踐模式

4.1基于學(xué)科差異的分類教學(xué)

好的教學(xué)體系需要一個操作性強的教學(xué)模式來支持。計算機基礎(chǔ)教學(xué)面對全校不同專業(yè)的學(xué)生，每個專業(yè)的計算機能力要求差異較大。在對北京交通大學(xué)各學(xué)院調(diào)研的基礎(chǔ)上，我們對專業(yè)需求進行分析、歸類和總結(jié)，根據(jù)“學(xué)科專業(yè)、知識結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)層次”構(gòu)建如下的計算機基礎(chǔ)課程分類、分層和模塊化的教學(xué)模式。

學(xué)科專業(yè)分為3個大類：理工類、人文/外語類、經(jīng)濟/管理類。

知識結(jié)構(gòu)分為3個模塊：大學(xué)計算機基礎(chǔ)、程序設(shè)計基礎(chǔ)和計算機技術(shù)與應(yīng)用。

培養(yǎng)層次分為2個層次：基本能力培養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

4.2基于學(xué)生個體差異的分層教學(xué)

根據(jù)學(xué)生個體差異，構(gòu)建“強基礎(chǔ)，重技能，鼓勵創(chuàng)新”的層次教學(xué)結(jié)構(gòu)，強化對理論知識的掌握和對實踐能力的培養(yǎng)，如圖2所示。

理論知識分為基礎(chǔ)知識、專項應(yīng)用和綜合應(yīng)用3層；實踐能力分為基本技能、應(yīng)用技能和創(chuàng)新技能。

新課程體系在教學(xué)實踐中考慮學(xué)生的個體和專業(yè)差異，培養(yǎng)方案面向全體學(xué)生。如圖2所示，基礎(chǔ)教學(xué)強調(diào)對基本的概念、原理和方法的掌握，目標定位在使絕大部分學(xué)生通過學(xué)習(xí)能夠掌握該課程領(lǐng)域的基本知識和技能。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以根據(jù)各自的基礎(chǔ)選擇學(xué)習(xí)或免修。個體培養(yǎng)而向優(yōu)秀學(xué)生（如思源班、卓越工程師計劃班、國際班等），該部分教學(xué)與學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng)新活動和學(xué)科競賽相結(jié)合，使學(xué)生有機會進一步拓展視野，提高能力。

4.3基于過程的模塊化課程教學(xué)

在分類、分層次教學(xué)體系中，每門課程采取“重基礎(chǔ)、強實踐、過程考核”的模塊化教學(xué)。每門課程包括基礎(chǔ)知識模塊和研究拓展模塊?；A(chǔ)知識模塊為本課程所有學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)理論和基本技能；拓展模塊為根據(jù)授課對象構(gòu)建的該課程的專項應(yīng)用知識和技能。我國中學(xué)計算機教育狀況不均衡，為滿足不同水平學(xué)生的求知欲望，考試采用階段性過關(guān)考核方式，每學(xué)期安排至少2次考試，對于已學(xué)習(xí)過相關(guān)內(nèi)容的學(xué)生可以參加第一次考核，通過后進入優(yōu)秀學(xué)生培養(yǎng)過程的學(xué)習(xí)，進行拓展模塊知識的學(xué)習(xí)。拓展模塊由任課教師根據(jù)所在教學(xué)班的具體情況進行安排，充分發(fā)揮教師的優(yōu)勢，體現(xiàn)個性化教育。

4.4實踐教學(xué)新體系

建立與理論教學(xué)并行的，既相對獨立，又相互聯(lián)系的實踐教學(xué)新體系。新體系加強基礎(chǔ)，拓寬專業(yè)知識面，培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力，全面提高學(xué)生的實驗知識、實驗技能、工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力，加強學(xué)生的社會適應(yīng)能力。新體系壓縮了課內(nèi)教學(xué)時數(shù)，增加實驗時數(shù)，同時精選知識點和技能點。

教師在課堂上講出內(nèi)容的精髓后，讓學(xué)生在計算機上練習(xí)實驗相關(guān)的技術(shù)和方法。教學(xué)和實驗時數(shù)一般達到1：1甚至1：2，如C語言程序設(shè)計課程，24學(xué)時上課，24學(xué)時實驗教學(xué)，再加上24學(xué)時的課外實踐。

5.教學(xué)實踐與成果

5.1新課程體系應(yīng)用

2012北京交通大學(xué)新教學(xué)計劃規(guī)定非計算機專業(yè)計算機課程選修學(xué)分為4學(xué)分。根據(jù)計算機基礎(chǔ)教育的指導(dǎo)思想與教育理念，大學(xué)本科學(xué)生入學(xué)后先學(xué)習(xí)大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程，然后選修1門程序設(shè)計課及相應(yīng)的課程設(shè)計，如表1所示。

5.2教學(xué)實踐成果

新課程體系經(jīng)歷了“研究-實踐-調(diào)研-修改”的螺旋式發(fā)展過程，我們從教學(xué)實踐中找問題，發(fā)現(xiàn)新方法，不斷完善課程體系。

1）開展能力培養(yǎng)與思維訓(xùn)練相結(jié)合的實踐教學(xué)。

利用自制的立體化教學(xué)資源，突出實驗教學(xué)中的分類、分層的分級實踐教學(xué)模式，以滿足不同基礎(chǔ)不同層次不同專業(yè)學(xué)生對教學(xué)的需求，實現(xiàn)因材施教和個性化培養(yǎng)。新課程體系在2010年選擇了3個學(xué)院、4個課堂進行試點，2011年開始在新生范圍內(nèi)試運行，2012年在全校范圍內(nèi)試行新課程體系。

2）突出過程考核與理論考試相結(jié)合的能力檢查機制。

利用自主研制開發(fā)的在線考試系統(tǒng)和試題庫構(gòu)建靈活的考核機制。自2008年以來每屆新生的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程考試全部采用“實驗作業(yè)+課程設(shè)計”方式，強調(diào)對學(xué)生實踐動手能力和計算機綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)；C語言程序設(shè)計課程采用筆試和上機編程相結(jié)合的模式，其他系列課程則分別采用開卷、半開卷等模式進行考核。

3）探索“惠及大眾，培育冒尖”的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

2008-2011年間，北京交通大學(xué)代表隊連續(xù)4年晉級ACM-ICPC全球總決賽，并獲排名獎狀，其成績在中國大陸名列前茅（中國大陸只有上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中山大學(xué)和北京交通大學(xué)7所學(xué)校連續(xù)4年晉級全球總決賽并獲排名獎狀）；北京交通大學(xué)代表隊在ACM-ICPC亞洲區(qū)預(yù)賽中獲金獎5次、銀獎9次和銅獎17次。

6.結(jié)語

非計算機專業(yè)計算機課程教學(xué)的新模式在近3年的教學(xué)實踐中獲得良好效果，但是，大學(xué)計算機教育不同于大學(xué)數(shù)學(xué)教育，它建立在計算機科學(xué)學(xué)科之上。這門學(xué)科的飛速發(fā)展以及社會對計算機應(yīng)用人才需求不斷變化，要求我們對新模式要不斷地進行實踐與完善，才能培養(yǎng)出符合社會發(fā)展需要的人才。endprint