計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)在線開放課程群及新形態(tài)教材建設(shè)

吳 寧，閆相國(guó)，崔舒寧

（1.西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2. 西安交通大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引 言

2012年，大規(guī)模開放在線課程（MOOCs）開始在全球興起。作為在線開放課程，MOOC在提高教育質(zhì)量、促進(jìn)教育公平、加快教育現(xiàn)代化等方面都起到了重要的推動(dòng)作用。

教育部吳巖司長(zhǎng)在2017年的第十屆“中國(guó)大學(xué)教學(xué)論壇”上提出：新時(shí)代高等教育的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)涵式發(fā)展。一流本科和一流本科教學(xué)，是內(nèi)涵式發(fā)展的應(yīng)有之義。培養(yǎng)一流人才，基礎(chǔ)和核心是一流本科[1]。作為既是一門獨(dú)立學(xué)科又是其他學(xué)科研究基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)科學(xué)，在各學(xué)科人才培養(yǎng)方案中正在變得越來越重要[2]。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育承擔(dān)著所有非計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)，因此，其教學(xué)質(zhì)量和效果不僅直接影響到學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，在一定程度上也影響到本科教學(xué)質(zhì)量。

各學(xué)科專業(yè)都有包括完整課程體系的培養(yǎng)方案，學(xué)生通過一系列不同層次課程的學(xué)習(xí)和最終的畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)要求。雖然大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教指委在發(fā)布的“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)基本要求”中提出了完整的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系，但受學(xué)時(shí)等各種因素所限，現(xiàn)實(shí)中并未得到完整實(shí)施。

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的另一大糾結(jié)是教材更新與技術(shù)發(fā)展之間存在的時(shí)間差異。計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)以來發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。受編寫周期限制，紙質(zhì)教材內(nèi)容很難完全跟上信息技術(shù)的發(fā)展，從而不可避免地使學(xué)生課堂所學(xué)知識(shí)與信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀存在一定的脫節(jié)。

MOOC的興起使推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合成為高校教學(xué)改革的重要方向。MOOC突破了傳統(tǒng)課堂時(shí)空束縛，使教學(xué)和學(xué)習(xí)過程得以延伸，從而使計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的體系化教學(xué)成為可能。在MOOC建設(shè)基礎(chǔ)上，我們分別在兩門課程中開展了“MOOC+SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的混合教學(xué)改革探索，并取得了良好的效果[3]，對(duì)線上線下相融合的教學(xué)模式有了較深入的認(rèn)識(shí)和體會(huì)；同時(shí)，也為解決因?qū)W時(shí)不足引起的學(xué)生計(jì)算機(jī)能力和培養(yǎng)需求間存在的差異、教材內(nèi)容難以跟上信息技術(shù)發(fā)展這兩大困惑提供了新思路和新途徑。

1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列在線開放課程群建設(shè)

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的主要目標(biāo)是“普及計(jì)算機(jī)文化、培養(yǎng)專業(yè)應(yīng)用能力、訓(xùn)練計(jì)算思維能力”[4]。針對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容，我們?cè)?012年曾提出建設(shè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)精品資源共享課程群的設(shè)想。圍繞6門核心課程，從課程群的角度，開展了知識(shí)體系設(shè)計(jì)、優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)和共享模式探索[5]。

基于對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程群知識(shí)體系的研究，借助MOOC優(yōu)勢(shì)，以在Coursera平臺(tái)運(yùn)行兩年的“.Net平臺(tái)軟件開發(fā)”專項(xiàng)課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，我們建設(shè)了以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)知能力、編程能力和問題求解能力為目標(biāo)的面向理工類專業(yè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列在線開放課程群。課程群由從基礎(chǔ)到進(jìn)階的不同層次、內(nèi)容有效銜接的6門課程及最終的綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)組成，形成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程培養(yǎng)體系。

在線課程群結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程為基點(diǎn)，承擔(dān)著普及計(jì)算機(jī)文化的重任。該課程也是目前多數(shù)高校的必修課程。

圖1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列在線開放課程群結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)期的一線教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生只有經(jīng)歷了編程學(xué)習(xí)（即使是最基本的學(xué)習(xí)），才能真正對(duì)計(jì)算機(jī)原理有所理解，也才真正談得上計(jì)算思維能力訓(xùn)練。因此，在基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)之上，可以設(shè)計(jì)入門級(jí)的C語言程序設(shè)計(jì)課程，幫助學(xué)生掌握基本的程序設(shè)計(jì)方法。

在此基礎(chǔ)上，分別通過3門課程，從高質(zhì)量程序設(shè)計(jì)能力、面向?qū)ο蟮目梢暬幊谭椒ê虸/O接口控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等3個(gè)方向，培養(yǎng)學(xué)生利用程序語言求解問題的能力或初步的I/O接口控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。最后，利用軟硬件綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)課程，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)方式，指導(dǎo)學(xué)習(xí)者自主完成1～2個(gè)微型項(xiàng)目設(shè)計(jì)。通過類似于畢業(yè)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐，幫助學(xué)習(xí)者達(dá)到對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的融會(huì)貫通，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的問題求解能力。各在線課程的主要教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)視頻容量見表1。

表1 各在線課程的主要教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)視頻容量

2 融合在線課程資源的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)新形態(tài)系列教材策劃思路

（1）教材與系列MOOC同步規(guī)劃、建設(shè)。書網(wǎng)一體化教材的特點(diǎn)是教材與在線開放課程同步設(shè)計(jì)[6]。教材更多地體現(xiàn)知識(shí)的體系化和完整性，MOOC則更強(qiáng)調(diào)重要知識(shí)點(diǎn)的講解。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)涉及基礎(chǔ)理論和軟硬件設(shè)計(jì)。教材中的知識(shí)體系描述可以通過MOOC教學(xué)視頻展示，同時(shí)系列MOOC中可以加入大量教材難以完全涵蓋的編程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例詳解、測(cè)驗(yàn)、作業(yè)解析等，從而在總體教學(xué)內(nèi)容一致的基礎(chǔ)上，形成教材與MOOC內(nèi)容的互補(bǔ)。

（2）教材與線上課堂雙向關(guān)聯(lián)。MOOC教學(xué)視頻都為短視頻，這一特征為教材與視頻的關(guān)聯(lián)提供了便利的條件。在教材的每一段關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)描述中嵌入二維碼，通過掃描二維碼，可以從教材直接跳轉(zhuǎn)到線上課堂，使學(xué)生在文字閱讀的同時(shí)能方便地從視頻中獲得教師對(duì)知識(shí)點(diǎn)的講解。將教材中與視頻內(nèi)容對(duì)應(yīng)的知識(shí)描述數(shù)字化，通過在線上課堂中加入地址鏈接，實(shí)現(xiàn)在視頻學(xué)習(xí)過程中可以同步閱讀到詳細(xì)的文字描述，實(shí)現(xiàn)從線上課堂到教材的跳轉(zhuǎn)。教材每章后的作業(yè)練習(xí)是對(duì)該章內(nèi)容掌握程度的檢驗(yàn)，限于篇幅，通常情況下教材中不會(huì)附帶對(duì)作業(yè)題目的解析，但這些解析可以借助MOOC實(shí)現(xiàn)，并通過二維碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

（3）相對(duì)穩(wěn)定的紙質(zhì)教材與動(dòng)態(tài)更新的數(shù)字課堂相融合，形成新理論和技術(shù)快速更新的新形態(tài)教材。課堂教學(xué)是以原理講授為主，并不強(qiáng)調(diào)，事實(shí)上也難以追蹤到學(xué)科最前沿（特別是發(fā)展迅猛的計(jì)算機(jī)學(xué)科）。教材是教學(xué)過程中的主要資源，編寫需要一定的時(shí)間周期，其內(nèi)容的更新無法緊隨技術(shù)的發(fā)展，但采用“互聯(lián)網(wǎng)+”思路，在MOOC課堂中可以動(dòng)態(tài)調(diào)整和加入能夠體現(xiàn)新技術(shù)發(fā)展的數(shù)字文檔（如近年迅速興起的大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)等）或某些特定專題的闡述（如什么是機(jī)器學(xué)習(xí)），作為紙質(zhì)教材的擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)教材內(nèi)容的相對(duì)穩(wěn)定，與教材鏈接的數(shù)字課堂資源隨時(shí)更新，由此就能極大縮短教材內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展的差距。

3 面向校園的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合是高等教育的重要發(fā)展方向。建設(shè)在線開放課程群是希望在構(gòu)建相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)領(lǐng)域的同時(shí)，能夠通過線上線下相融合的學(xué)習(xí)方式來平衡專業(yè)研究需求與學(xué)時(shí)有限之間的矛盾，使學(xué)生具備一定的計(jì)算思維能力；研發(fā)與MOOC課堂一體化設(shè)計(jì)的新形態(tài)教材，可以縮短教材內(nèi)容與技術(shù)發(fā)展的差距，便于學(xué)習(xí)并促進(jìn)資源共享?？傊?，在線課程群建設(shè)和新形態(tài)教材研發(fā)的目的都是為了更好地服務(wù)于實(shí)際教學(xué)，服務(wù)于人才培養(yǎng)。

以我校機(jī)械類和生命科學(xué)類專業(yè)為例，目前的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)類課程總學(xué)時(shí)多為104學(xué)時(shí)。完成學(xué)習(xí)后，多數(shù)學(xué)生能夠編寫簡(jiǎn)單控制臺(tái)程序，但對(duì)包括經(jīng)典算法設(shè)計(jì)、可視化編程等則存在較大欠缺。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)類課程多數(shù)安排在本科一年級(jí)或二年級(jí)第一學(xué)期，加之課程學(xué)習(xí)過程中因?qū)W時(shí)原因缺乏足夠的設(shè)計(jì)實(shí)踐，導(dǎo)致在四年級(jí)需要做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)很多知識(shí)都已忘記，也影響到了后期的專業(yè)研究。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了面向校園、線上線下相融合的體系化計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)環(huán)境。

（1）通過開設(shè)與系列在線開放課程群結(jié)合的選修課，幫助學(xué)生完成對(duì)軟硬件知識(shí)的進(jìn)一步學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)體系化。

（2）利用小學(xué)期實(shí)訓(xùn)，或在必修課程中加入大作業(yè)等方式，從軟硬件綜合設(shè)計(jì)MOOC中選擇1～2個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行自主設(shè)計(jì)實(shí)踐；對(duì)接口控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有需求的專業(yè)，可以在微機(jī)原理與接口技術(shù)教學(xué)過程中或結(jié)束后，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，開展硬件接口控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)訓(xùn)練。

這樣，通過104學(xué)時(shí)課內(nèi)學(xué)習(xí)+融合系列MOOC的選修課+綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐，可以使學(xué)生達(dá)到初級(jí)程序設(shè)計(jì)或簡(jiǎn)單接口設(shè)計(jì)水平。

（3）利用在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，借助二維碼和超鏈接技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻學(xué)習(xí)與教材的雙向跳轉(zhuǎn)；通過輔助文獻(xiàn)閱讀實(shí)現(xiàn)教材內(nèi)容的擴(kuò)充和動(dòng)態(tài)更新；設(shè)置在線自測(cè)練習(xí)、論壇答疑交流等環(huán)節(jié)延伸教學(xué)過程；在課程群知識(shí)體系設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，構(gòu)建可點(diǎn)擊操作的可視化在線課程群知識(shí)地圖，幫助學(xué)生了解課程群中各課程知識(shí)點(diǎn)間的相關(guān)性和課程間知識(shí)的關(guān)聯(lián)性，以及各知識(shí)點(diǎn)所包含的核心概念及其概念描述。

由此，構(gòu)建出包括實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、答疑、考試等多個(gè)環(huán)節(jié)的立體化、系列化計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)環(huán)境。

（4）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程多為大班教學(xué)。利用系列MOOC資源，在已有實(shí)踐基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索如何通過線上線下教學(xué)的有效結(jié)合，提高大班教學(xué)環(huán)境下的混合教學(xué)效果。

4 結(jié) 語

隨著人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在各學(xué)科研究中的重要性和人才培養(yǎng)的必要性愈加凸顯，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的質(zhì)量也在一定程度上影響著本科教育的質(zhì)量，完善的課程體系是學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)有效掌握的基礎(chǔ)。MOOC的興起及線上線下相融合的教學(xué)模式探索，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系化教學(xué)提供了可能。借助學(xué)校、高等教育出版社和“愛課程”平臺(tái)的支持，我們已完成了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列在線開放課程群建設(shè)，已在當(dāng)年度秋季學(xué)期上線發(fā)布；結(jié)合MOOC教學(xué)，我們啟動(dòng)了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列教材編寫，設(shè)計(jì)了紙質(zhì)教材與在線課堂雙向關(guān)聯(lián)、教學(xué)內(nèi)容動(dòng)態(tài)更新的新形態(tài)教材建設(shè)策略。試圖通過線上線下教學(xué)資源的深度融合，構(gòu)建出體系化、獨(dú)立領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生通過“理論學(xué)習(xí)+設(shè)計(jì)實(shí)踐”，初步具備一般計(jì)算機(jī)軟硬設(shè)計(jì)能力，滿足專業(yè)研究的需求。