軟件文化課程教學(xué)法研究與實(shí)踐

覃征?王國龍

摘 要：本文結(jié)合清華大學(xué)多年來在軟件工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子商務(wù)和工程文化領(lǐng)域的科研和教學(xué)探索，探討了軟件文化教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)。在課堂教學(xué)中引入項(xiàng)目導(dǎo)向式教學(xué)法，創(chuàng)新性地結(jié)合問題研究式教學(xué)法和主題式教學(xué)法創(chuàng)立了“融合式”教學(xué)法。

關(guān)鍵詞：軟件文化;項(xiàng)目導(dǎo)向式;“融合式”;軟件工程;電子商務(wù);教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

軟件文化課程是軟件工程學(xué)科在發(fā)展演進(jìn)過程中的重要拓展，是信息科學(xué)、軟件科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科中培養(yǎng)學(xué)生文化素質(zhì)的課程，從知識(shí)單元逐步過渡到知識(shí)體系，建成以人類計(jì)算方法為基礎(chǔ)、以軟件分類為導(dǎo)向、以創(chuàng)新案例為特征、以軟件創(chuàng)新為目標(biāo)、以軟件文化為傳承的軟件文化課程體系。

清華大學(xué)率先在國內(nèi)開設(shè)“軟件文化概論”課程，該課程主要講述軟件文化的基本概念， 軟件系統(tǒng)的基本構(gòu)成，軟件的劃分標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)原則及應(yīng)用領(lǐng)域。課程注重培養(yǎng)學(xué)生掌握軟件 文化研究的科學(xué)方法，對(duì)案例的分析理解能力，使學(xué)生明確最新學(xué)科、交叉學(xué)科在軟件文化創(chuàng)新與發(fā)展過程中所起到的引領(lǐng)作用。軟件文化堪稱是軟件工程領(lǐng)域基礎(chǔ)教學(xué)的“靈魂”和“基石”，本課程自2013年在國內(nèi)首次開設(shè)以來，時(shí)刻關(guān)注國內(nèi)外計(jì)算機(jī)大類文化素質(zhì)課程的建設(shè)情況，結(jié)合交叉學(xué)科的國際發(fā)展前沿，在建設(shè)課程體系的基礎(chǔ)上不斷完善教學(xué)方 法，變“輸入式”為“融合式”，綜合運(yùn)用多種教學(xué)手段，形成了“軟件文化概論”課程教學(xué)方法。該課程在 2016 年得到“清華大學(xué)本科生教育教學(xué)改革項(xiàng)目”的支持，2017年被選入清華大學(xué)“新生研討課”，在國內(nèi)高校起到了示范引領(lǐng)作用。

一、國內(nèi)外計(jì)算機(jī)大類文化素質(zhì)課程調(diào)研

在課程建設(shè)初期，國內(nèi)軟件文化課程建設(shè)尚處空白，課程組對(duì)國內(nèi)外計(jì)算機(jī)大類文化素 質(zhì)課程進(jìn)行調(diào)研。部分歐美高等學(xué)校開設(shè)了計(jì)算機(jī)相關(guān)文化課程。例如，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校從2015年秋季起每學(xué)期開設(shè)“The Beauty and Joy of Computing”課程，該課程主題為計(jì)算之美，主要內(nèi)容包括計(jì)算歷史、社會(huì)意義、重要理論和未來發(fā)展，以此展示計(jì)算應(yīng)用如何改變世界以及計(jì)算如何推進(jìn)其他領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)步;劍橋大學(xué)開設(shè)Foundations of Computer Science，旨在使學(xué)生能夠理解基本的編程規(guī)則，理解基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計(jì)。亞洲的高校有很多課程涉及軟件和計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，以及培養(yǎng)軟件從業(yè)人員除了程序開發(fā)以外應(yīng)具備的其他能力。以韓國首爾大學(xué)為例，在軟件工程課程之外，開設(shè)了軟件應(yīng)用課程、IT 創(chuàng)業(yè)課程、IT 領(lǐng)導(dǎo)力研討、計(jì)算機(jī)主題研究課程。這些課程介紹了軟件開發(fā)基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)計(jì)算模式的基礎(chǔ)上，集成了其他不同領(lǐng)域的知識(shí)，形成了新的模式，使學(xué)生掌握新計(jì)算模式下的軟件設(shè)計(jì)思維，并形成新的設(shè)計(jì)文化。

國內(nèi)部分高校已經(jīng)開設(shè)了計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)課程。清華大學(xué)開設(shè)的計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)課程， 共計(jì)32學(xué)時(shí)，主要介紹計(jì)算機(jī)基本組成和工作原理、操作系統(tǒng)相關(guān)概念和基本方法、常用工 具軟件、多媒體技術(shù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)、網(wǎng)頁制作;北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)等兄弟高校也開設(shè)了計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)等相關(guān)課程。與此同時(shí)，在世界范圍內(nèi)，軟件工程作為獨(dú)立的學(xué)科，已產(chǎn)生廣泛的影響力，關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)變革、未來創(chuàng)新等諸多方面，已形成以軟件應(yīng)用為特征的新文化。但是在國內(nèi)外，尚未有人進(jìn)行軟件文化的深入研究。

為此，清華大學(xué)立足軟件發(fā)展，建設(shè) “軟件文化概論”課程，目的是推動(dòng)軟件科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。課程旨在使學(xué)生掌握軟件文化的基本概念、通用軟件系統(tǒng)的基本構(gòu)成、世界軟件分類標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外信息化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)典案例和核心推動(dòng)力;能夠從軟件文化的視角了解人類的計(jì)算歷史、計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程、信息學(xué)科的發(fā)展歷程和軟件創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)發(fā)展的里程碑，軟件在各領(lǐng)域中的應(yīng)用和未來發(fā)展趨勢(shì);掌握全球軟件的劃分標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)原則及 應(yīng)用領(lǐng)域。掌握軟件文化研究的科學(xué)方法，培養(yǎng)對(duì)經(jīng)典案例的探究分析能力，建立起軟件科學(xué)的科學(xué)發(fā)展觀。課程主要內(nèi)容包括三部分：人類計(jì)算及計(jì)算機(jī)的歷史、世界軟件分類標(biāo)準(zhǔn)、信息產(chǎn)業(yè)與智能軟件應(yīng)用。課程的設(shè)置符合教育部推進(jìn)“新工科”建設(shè)的需求，以軟件文化為軸，將創(chuàng)新前沿與計(jì)算機(jī)、控制、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科交叉融合。

二、結(jié)合問題研究式教學(xué)法與主題式教學(xué)法

“軟件文化概論”課程，面向清華大學(xué)全校低年級(jí)本科生。由于學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的掌握程 度不同，即使在同年級(jí)軟件工程專業(yè)本科生之間，不同人的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)程度也有很大差異，因此盡快使學(xué)生擺脫中學(xué)時(shí)“灌輸式”教學(xué)法，適應(yīng)大學(xué)的教學(xué)節(jié)奏是課程能否取得實(shí)效的重要因素。

為了充分利用各種不同類型的數(shù)字資源，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，課程組采用問題 研究式教學(xué)法和主題式教學(xué)法相結(jié)合的“融合式”教學(xué)法規(guī)劃每節(jié)課的授課內(nèi)容及教學(xué)形式。問題研究式教學(xué)法和主題式教學(xué)法在國內(nèi)外著名大學(xué)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，課程組以軟件文化為紐帶，將二者融合起來，形成了獨(dú)特的教學(xué)方式。以問題引領(lǐng)教學(xué)，教師結(jié)合學(xué)科前沿提出問題，根據(jù)問題以主題報(bào)告的形式論述相關(guān)命題，同時(shí)以問題引領(lǐng)學(xué)習(xí)，學(xué)生通過研究教師提出的問題，抓住主題建立研究思路，對(duì)于課程的學(xué)習(xí)有更深刻的理解。

二者結(jié)合的過程中，問題的設(shè)計(jì)必須依托軟件文化教學(xué)大綱，緊扣交叉學(xué)科前沿，讓學(xué) 生有自己的思維空間，這樣才能讓學(xué)生有拓展自己思維的動(dòng)力。同時(shí)，問題的深度和廣度要 和課程主題的設(shè)計(jì)相匹配。主題報(bào)告的講授需要對(duì)問題起到引領(lǐng)作用，讓學(xué)生在聽課的時(shí)候 產(chǎn)生共鳴，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

目前，課程組以軟件形成和發(fā)展的過程為主線，將“軟件文化概論”劃分為人類計(jì)算發(fā) 展的歷史、計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷程、軟件發(fā)展的歷程、軟件分類、軟件應(yīng)用領(lǐng)域、軟件未來發(fā)展趨勢(shì)等主題展開論述。例如，在講授人類計(jì)算的歷史時(shí)，課程組從工業(yè)背景、學(xué)術(shù)背景、應(yīng)用背景、經(jīng)濟(jì)環(huán)境等角度全面分析了早期計(jì)算工具發(fā)展的社會(huì)大環(huán)境。每一部分不是簡單分析歷史，而是通過梳理早期計(jì)算工具的演化歷程，針對(duì)經(jīng)典案例，采用歷史對(duì)比的方法形成東西方文化差異性研究，拓寬本科生認(rèn)識(shí)問題的能力。通過中美原子彈制作過程中使用的計(jì)算工具的差異，引出“計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷程和軟件發(fā)展的歷程”這一主題。在講授計(jì)算機(jī)發(fā)展的歷程和軟件發(fā)展的歷程時(shí)，課程組提出了“目前在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，是什么引領(lǐng)了這個(gè)時(shí)代，會(huì)給我們帶來什么思考”這一問題。在主題報(bào)告中，利用視頻、圖片等形式，課程組通過對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的梳理引導(dǎo)學(xué)生探究問題：（1）時(shí)間節(jié)點(diǎn)，代表這個(gè)時(shí)代的特征是如何推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的。（2）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，馮 · 諾依曼結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展。（3）運(yùn)算速度節(jié)點(diǎn)，從電子管計(jì)算機(jī)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度幾何速度增長。（4）應(yīng)用領(lǐng)域節(jié)點(diǎn)，是由哪一領(lǐng)域推動(dòng)，與其他領(lǐng)域怎么樣相輔相成。在分析節(jié)點(diǎn)的過程中，既從事件的視角分析，又從人物的視角分析，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)在科研過程中建立自己的文化生態(tài)環(huán)境。

軟件分類是軟件文化的重要基礎(chǔ)知識(shí)，是根據(jù)國內(nèi)外眾多分類標(biāo)準(zhǔn)而形成的硬性知識(shí)。 相比計(jì)算機(jī)和軟件的發(fā)展歷程、軟件未來發(fā)展趨勢(shì)等主題，看似枯燥，缺乏探究的空間，而 課程組在主題講授過程中，扣住“橫看成嶺側(cè)成峰”的探究問題，引導(dǎo)學(xué)生分別從計(jì)算機(jī)硬件、 操作系統(tǒng)、編程語言、編程工具、軟件應(yīng)用等五個(gè)視角進(jìn)行比較。這樣以比較的方式，讓學(xué)生感受分類的過程，并在分類過程中不拘泥現(xiàn)有知識(shí)框架，通過分析論證的方式驗(yàn)證已有的分類標(biāo)準(zhǔn)。既對(duì)已經(jīng)講授過的計(jì)算機(jī)和軟件發(fā)展的歷程進(jìn)行了回顧，又對(duì)即將講授的軟件應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了展望。通過這種教學(xué)方法成功地將這一段看似簡單枯燥的內(nèi)容變成承上啟下的關(guān)鍵主題。

講解軟件應(yīng)用領(lǐng)域和軟件未來發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，通過大量案例分析的形式展示了軟件發(fā)展對(duì)人們思維方式的影響（如自動(dòng)化工具、系統(tǒng)分析工具、時(shí)間管理工具），軟件發(fā)展對(duì)人們生活方式的影響（如共享單車、移動(dòng)支付），軟件發(fā)展對(duì)未來創(chuàng)新的引領(lǐng)（如航空航天、國防軍事、智慧醫(yī)療、科學(xué)探索）。在主題設(shè)計(jì)過程中，把軟件文化作為多學(xué)科聯(lián)系的紐帶，以“云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能”等新技術(shù)前沿為基礎(chǔ)，鼓勵(lì)學(xué)生從信息科學(xué)、生命科學(xué)、人文科學(xué)多角度探究軟件應(yīng)用反映出來的開發(fā)者、用戶群體的文化特征，使學(xué)生能夠在此基礎(chǔ)上理解時(shí)代的文化特征對(duì)社會(huì)變革的推動(dòng)作用。

這種開創(chuàng)性的教學(xué)方式對(duì)教師的理論深度和廣度有更高的要求，同時(shí)要求教師對(duì)科技前 沿發(fā)展有深刻的思考。沒有深厚的理論功底和廣闊的知識(shí)儲(chǔ)備，在分析問題的時(shí)候就容易捉 襟見肘，陷入固化的思維模式，不僅難以和學(xué)生深入交流，更無法促進(jìn)學(xué)生主觀能動(dòng)性的發(fā) 揮，調(diào)動(dòng)學(xué)生思考的熱情。近幾年來，結(jié)合“軟件文化概論”課程反饋，課程組先后編著了《軟件文化基礎(chǔ)》《Software Culture》等多部著作并在國內(nèi)外著名出版社出版，為課程教學(xué)打下了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。對(duì)前沿科技發(fā)展沒有敏銳的嗅覺會(huì)使得課堂變成歷史的回顧，不能夠跟上軟件發(fā)展的腳步，會(huì)造成學(xué)生實(shí)際接觸的內(nèi)容和課程內(nèi)容脫節(jié)。當(dāng)然，學(xué)生也無法再像以前一樣，安于課本知識(shí)的學(xué)習(xí)，問題的導(dǎo)向使得他們必須升華課本知識(shí)，從主題報(bào)告中汲取營養(yǎng)，學(xué)會(huì)分析問題、解決問題，提升自己的研究能力。

三、采用項(xiàng)目導(dǎo)向式教學(xué)法

課本上的知識(shí)都是固定的，更新的速度很難跟上發(fā)展的速度。學(xué)生有能力自學(xué)課本知識(shí)， 但是如何把課本知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，才是關(guān)鍵所在。雖然“融合式”教學(xué)法已經(jīng)可以讓 學(xué)生學(xué)會(huì)解決問題，但是不把學(xué)習(xí)場(chǎng)景放到項(xiàng)目中就無法營造真實(shí)的科研氛圍，也很難培養(yǎng) 學(xué)生在科研過程中的組織、交流和表現(xiàn)能力。作為軟件工程領(lǐng)域基礎(chǔ)課程，“軟件文化概論” 課程更需要逐步培養(yǎng)學(xué)生的自主探索能力和科學(xué)研究能力。因此教師應(yīng)將自己的研究成果和 工程項(xiàng)目融入教學(xué)環(huán)節(jié)，以研究課題與學(xué)生交流，使得課程高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

課程組教師參與完成了多個(gè)國家“973”課題、“863”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、博士點(diǎn)基金項(xiàng)目。項(xiàng)目具有很強(qiáng)的理論性和專業(yè)性，對(duì)于學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)具有前瞻性的 指導(dǎo)意義。但是復(fù)雜的工程項(xiàng)目會(huì)讓學(xué)生望而卻步，無從下手，甚至難以理解。這就要求教師具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目背景，可以將大型工程項(xiàng)目根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)和需求進(jìn)行合理拆分。拆分后的項(xiàng)目“目標(biāo)精細(xì)化，任務(wù)具體化，內(nèi)容重點(diǎn)化”，可以和課堂教學(xué)中引入的問題相呼應(yīng)。

同樣因?yàn)槭谡n群體層次差異大，拆分后的多個(gè)項(xiàng)目需形成難度梯度，適應(yīng)不同層次水平 的學(xué)生選擇。比如在軟件應(yīng)用領(lǐng)域的講授時(shí)，課程組對(duì)自己研發(fā)的推薦系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了深入 分析，將平臺(tái)拆分成了“數(shù)據(jù)分析子項(xiàng)目”“數(shù)據(jù)建模子項(xiàng)目”“推薦算法子項(xiàng)目”“金融分析子項(xiàng)目”“文化研究子項(xiàng)目”。其中，較為基礎(chǔ)的“數(shù)據(jù)分析子項(xiàng)目”面向剛剛?cè)腴T的計(jì)算機(jī)大類學(xué)生;“數(shù)據(jù)建模子項(xiàng)目”和“推薦算法子項(xiàng)目”面向?qū)W有余力、有一定計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)大類學(xué)生;“金融分析子項(xiàng)目”面向經(jīng)濟(jì)類和管理類的學(xué)生;“文化研究子項(xiàng)目”針對(duì)人文社科類學(xué)生設(shè)計(jì)。不同層次，不同背景的學(xué)生都能從應(yīng)用的角度結(jié)合軟件文化主題進(jìn)行研究。不同小組之間不同學(xué)科的同學(xué)也可以通過交流碰撞出思維的火花，獲得多樣化能力的提升。

在軟件未來發(fā)展趨勢(shì)研究中，課程組分析了自己的預(yù)研項(xiàng)目“智能交通”的研究內(nèi)容和 研究重點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生采集分析交通數(shù)據(jù)。參與課程的同學(xué)實(shí)地到學(xué)校附近的交通路口采集車 流量數(shù)據(jù)，記錄紅綠燈時(shí)間，通過提前自學(xué)圖論的知識(shí)，規(guī)劃交通信號(hào)燈。

除此之外，對(duì)于學(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣選擇的項(xiàng)目，教師和助教都會(huì)進(jìn)行幫助和指導(dǎo)。部分 本科生選擇通過自主研發(fā)一個(gè)游戲來體會(huì)軟件文化的內(nèi)涵，感受研發(fā)團(tuán)隊(duì)的文化對(duì)軟件發(fā)展 帶來的影響，以及對(duì)用戶群體的影響。有的團(tuán)隊(duì)通過游戲開發(fā)實(shí)現(xiàn)了自己對(duì)于英雄的夢(mèng)想以 及對(duì)愛情的思考;有的團(tuán)隊(duì)通過游戲開發(fā)對(duì)未來人工智能進(jìn)行暢想并闡述了自己的價(jià)值觀; 有的團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)了第一人稱射擊游戲，實(shí)現(xiàn)了從游戲玩家到游戲開發(fā)者的轉(zhuǎn)變。

四、未來展望

“軟件文化概論”課程已經(jīng)開設(shè)了6年，課題組嘗試了從不同的視角闡述這門課的教學(xué)思路，取得了一些成績，很多學(xué)生也通過這門課程的學(xué)習(xí)具備了科學(xué)研究能力。立足于國內(nèi)的教學(xué)實(shí)踐，課程組已建立了軟件文化課程教學(xué)體系。依托該教學(xué)體系，課程組已將軟件文化基礎(chǔ)知識(shí)、發(fā)展歷程、重要研究成果的里程碑融會(huì)貫通，以教材和著作形式先后由高等教育出版社出版《軟件文化基礎(chǔ)》;Springer出版社出版英文版Fundamentals of Software Culture，是國際上首部軟件文化英文著作，全球發(fā)行，產(chǎn)生了廣泛的影響。

目前，“軟件文化概論”課程已經(jīng)作為軟件工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的文化核心課程之一，同時(shí)也作為電子商務(wù)專業(yè)文化基礎(chǔ)課程之一，在清華大學(xué)教學(xué)中使用并在全國高等院校中推廣。該課程將在世界新興起的“工程文化教育”領(lǐng)域和教育部建設(shè)的“金課”領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響，從未來發(fā)展上看，該門課程也具有現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

[責(zé)任編輯：周 楊]