實(shí)戰(zhàn)化導(dǎo)向的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

李祁，楊玫，王麗娜

（海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院，煙臺246001）

0 引言

為適應(yīng)信息化戰(zhàn)爭需求，打贏未來戰(zhàn)爭，軍隊(duì)院校培養(yǎng)具備一定信息素養(yǎng)和計(jì)算思維能力的現(xiàn)代化軍事人才刻不容緩。計(jì)算機(jī)不僅是信息的載體，更是軍人安身立命需要掌握的重要技能，而軍校計(jì)算機(jī)課程教學(xué)應(yīng)立足于信息化發(fā)展趨勢和軍隊(duì)人才培養(yǎng)需求，以信息的獲取、處理、應(yīng)用和評價作為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與實(shí)戰(zhàn)的有效結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)員終身學(xué)習(xí)和計(jì)算思維能力的構(gòu)建。

軍校非計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》是本科通識教育公共工具模塊的必修課，也是新生學(xué)員入學(xué)后第一門計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，對新入伍學(xué)員不僅有著重要的導(dǎo)向性作用，更是培養(yǎng)實(shí)戰(zhàn)化素養(yǎng)與能力的重要基礎(chǔ)。本文從課程教學(xué)特點(diǎn)出發(fā)，精析大綱及教材，結(jié)合軍校學(xué)員特點(diǎn)，以實(shí)戰(zhàn)化為導(dǎo)向，多維度重構(gòu)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，做足“教學(xué)內(nèi)容三結(jié)合”，即教學(xué)內(nèi)容的前瞻性和實(shí)戰(zhàn)化需求相結(jié)合、教學(xué)內(nèi)容的理論性和教學(xué)設(shè)計(jì)的趣味性相結(jié)合、教學(xué)內(nèi)容的普適性和教學(xué)方法的科學(xué)性相結(jié)合。

1 課程新大綱的分析與解讀

2017 年中央軍委訓(xùn)練管理部為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，統(tǒng)一軍隊(duì)院校教育訓(xùn)練基本標(biāo)準(zhǔn)，制定軍隊(duì)院校教學(xué)大綱，對科學(xué)文化課程做了明確的目標(biāo)要求。其中對《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程的定位是使學(xué)生體驗(yàn)和初步實(shí)踐計(jì)算的魅力，為學(xué)員打開一扇門，看到另一種解決問題的方法，使其具備一定的運(yùn)用計(jì)算求解問題的能力兼顧計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識和思維素養(yǎng)的培養(yǎng)。新大綱制定總體思路：

（1）思維訓(xùn)練為主，技能訓(xùn)練為輔

（2）突出軍事應(yīng)用特色

（3）兼顧理工文學(xué)科需求

（4）平衡大綱指導(dǎo)作用與各院校專業(yè)需求差異

課程大綱設(shè)計(jì)以樹立“厚基礎(chǔ)、重算法、強(qiáng)能力”為教學(xué)理念，強(qiáng)化創(chuàng)造性思維過程的培養(yǎng)，采用靈活多樣的教學(xué)手段，并改革考試方式，突出能力考核。

而針對本課程理念是以計(jì)算思維為牽引、突出軍事應(yīng)用特色、面向不同專業(yè)要求分類指導(dǎo)，其目標(biāo)：

（1）認(rèn)知與理解計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)算方法

（2）正確獲取、評價和使用信息的素養(yǎng)

（3）培養(yǎng)軍事信息系統(tǒng)應(yīng)用能力

（4）基于信息技術(shù)手段的交流與持續(xù)學(xué)習(xí)能力

新教學(xué)大綱更加關(guān)注如何發(fā)揮計(jì)算能力從而解決問題，不過多強(qiáng)調(diào)太專業(yè)的計(jì)算機(jī)科學(xué)知識，選擇Python 作為實(shí)踐語言，將原有模塊知識點(diǎn)既作為教學(xué)內(nèi)容又作為研究對象，通過這種問題求解的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)員在理解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識同時，能主動在各自專業(yè)學(xué)習(xí)中利用計(jì)算思維的方法和技能進(jìn)行問題求解[1]。

2 重構(gòu)優(yōu)化教學(xué)基本框架

以素養(yǎng)與能力導(dǎo)向的課程教學(xué)為核心，以計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識為載體，將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、支撐手段以及學(xué)習(xí)評價四個要素相結(jié)合，即是重構(gòu)優(yōu)化教學(xué)的基本結(jié)構(gòu)框架。

圖1 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與其他教學(xué)要素關(guān)系

教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)以主題式、任務(wù)驅(qū)動式為牽引，推動教學(xué)過程，激發(fā)學(xué)員探索欲望，使學(xué)員增強(qiáng)自我效能感；教學(xué)模式重構(gòu)主要結(jié)合不同教學(xué)內(nèi)容分時適度地采取混合式教學(xué)、SPOC、BOPPPS 模型等教學(xué)模式，模式的自由度降低了學(xué)員之間的差異，更利于教員因材施教；支撐手段重構(gòu)，采用共建共享思路，利用同體系專業(yè)課程共享的實(shí)戰(zhàn)素材，構(gòu)建豐富的教學(xué)資源庫，使“戰(zhàn)爭”進(jìn)課堂，提升學(xué)員榮譽(yù)感和使命感；學(xué)習(xí)評價重構(gòu)采用的基本原則是統(tǒng)籌兼顧，突出重點(diǎn)，以此促進(jìn)學(xué)員對學(xué)習(xí)的過程的積極反思和總結(jié)，推進(jìn)學(xué)員自我評價良性發(fā)展。

3 教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)與優(yōu)化

軍?！洞髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》圍繞“計(jì)算”，貫穿“思維”。將自然、社會、軍事問題等通過計(jì)算求解，而這里的計(jì)算是指計(jì)算科學(xué)的統(tǒng)稱，涉及具體問題如何計(jì)算？計(jì)算和這些問題如何融合？從人到計(jì)算機(jī)的求解經(jīng)過一個復(fù)雜的過程，人-計(jì)算是數(shù)學(xué)問題，而計(jì)算如何自動化，將復(fù)雜問題用計(jì)算機(jī)簡單化，就是計(jì)算機(jī)科學(xué)的問題。

圖2《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)

根據(jù)教直委《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程基本要求》對教學(xué)內(nèi)容提出的典型方案：基本型、問題求解型、系統(tǒng)性[2]，其中基本型建議采用寬度優(yōu)先的教學(xué)設(shè)計(jì)原則，這部分涉及的知識內(nèi)容多，可在原有內(nèi)容基礎(chǔ)上刪減組織，并在案例和方法上有所突破；問題求解型基于深度優(yōu)先教學(xué)設(shè)計(jì)原則，突出培養(yǎng)基于算法和程序設(shè)計(jì)的問題求解基本方法和能力，針對不同的學(xué)時需求又可分成：“問題簡約型”和“問題求解擴(kuò)展型”；系統(tǒng)型則基于寬度和深度兼顧的教學(xué)設(shè)計(jì)原則，從計(jì)算思維培養(yǎng)角度組織和表述教學(xué)內(nèi)容，在計(jì)算系統(tǒng)理解和問題求解方法上同時體現(xiàn)廣度和深度的要求，一般課時學(xué)時要求較多。

以此方案為基礎(chǔ)，結(jié)合軍校特點(diǎn)，這里將重構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容分為兩大模塊：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識與應(yīng)用（基本型）和Python 程序設(shè)計(jì)（問題求解型）。前者是問題求解的基礎(chǔ)，主要以信息的表示與處理為核心，圍繞信息的表示（包含數(shù)值、字符、聲音、圖像）、信息處理的工具——計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及應(yīng)用（計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)）展開。

圖3 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識與應(yīng)用模塊

Python 語言因?yàn)槠涿赓M(fèi)、易學(xué)、功能強(qiáng)大，在網(wǎng)絡(luò)編程、圖形用戶界面編程、科學(xué)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，選擇其作為本門課程的實(shí)踐語言是為了將它作為求解問題的工具，但一門程序設(shè)計(jì)語言并未作為一門單獨(dú)課程開設(shè)，而是在僅有48學(xué)時的大基課程中，且僅占6～10 學(xué)時學(xué)習(xí)，無論是從學(xué)習(xí)一門編程語言角度，還是輔助教學(xué)的工具角度，讓學(xué)員熟練掌握并應(yīng)用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，何況對于大一年級剛?cè)胄５男律鷮W(xué)員，很多都未曾接觸過編程語言，因此，教學(xué)內(nèi)容的提煉和教學(xué)方法的選取顯得尤為重要，Python 程序設(shè)計(jì)這個模塊要保證課堂設(shè)計(jì)有針對性，課下練習(xí)有典型性。對教員提出了更高的要求。

將Python 程序設(shè)計(jì)模塊按照語言學(xué)習(xí)的特點(diǎn)分成五個主題：

簡要介紹Python 語言基礎(chǔ)知識，包括基本元素、常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、基本控制語句。通過艦載機(jī)維修記錄統(tǒng)計(jì)的軍事案例理解“自頂向下，逐步求精”的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法。

（2）Python 程序設(shè)計(jì)方法

在面向過程程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用函數(shù)實(shí)現(xiàn)程序模塊化、語句層次上封裝，進(jìn)而引出面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法，通過手雷投擲參數(shù)案例加深對面向?qū)ο缶幊趟枷氲睦斫狻?/p>

（3）基于計(jì)算機(jī)的問題求解

圍繞計(jì)算思維的核心概念即邏輯思維與算法思維展開研究，將常用的一些算法思想如分治、歸納、抽象、建模等通過典型的軍事案例講解展示。

（4）科學(xué)計(jì)算

利用Python 科學(xué)計(jì)算模塊Numpy、Scipy、Pandas、Matplotlib 等求解飛行訓(xùn)練數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)彈飛行軌跡問題等軍事案例，體驗(yàn)第三方庫科學(xué)計(jì)算模塊的強(qiáng)大。

圖4 Python程序設(shè)計(jì)模塊及軍事案例

（5）其他應(yīng)用

四旋翼飛行系統(tǒng)作為一種欠輸入系統(tǒng)，其在四個輸入力的作用下可以產(chǎn)生垂直運(yùn)動、俯仰運(yùn)動、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動、偏航運(yùn)動、前后運(yùn)動、側(cè)向運(yùn)動這六種輸出狀態(tài)[16]。其飛行動作皆可通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，本文著重介紹垂直運(yùn)動、俯仰運(yùn)動、偏航運(yùn)動。

以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為主，使用Python 完成對具體軍事案例問題的程序編寫與實(shí)現(xiàn)，如艦載機(jī)參數(shù)加密問題、利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲進(jìn)行軍事輿情分析、網(wǎng)絡(luò)攻防等。

4 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與優(yōu)化案例

以下是按照深度學(xué)習(xí)路線（DELC）教學(xué)理論框架[3]展示已優(yōu)化的面向?qū)ο缶幊袒A(chǔ)部分（含軍事案例）。

（1）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與目標(biāo)

面向?qū)ο缶幊淌荘ython 的一個核心特性，在Python 中，幾乎所有的事物都是對象，通過學(xué)習(xí)Python 面向?qū)ο缶幊蹋斫鈱ο蟮谋举|(zhì)，從而更好地使用Python對象。

教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)“手雷投擲技術(shù)參數(shù)分析”問題，共設(shè)3 級標(biāo)準(zhǔn)。能分析出模型為0 級；根據(jù)模型能實(shí)現(xiàn)Python 的函數(shù)功能為1 級；能定義出相應(yīng)的類和對象為2 級；實(shí)現(xiàn)程序的完整功能，并調(diào)試成功則為3 級。

教學(xué)目標(biāo)：

①能正確地定義類

②能夠靈活運(yùn)用對象的屬性和方法解決問題

③能正確寫出對象的繼承

教學(xué)手段：原理描述與Python 實(shí)踐相結(jié)合

（2）預(yù)測評估

課前雨課堂布置預(yù)習(xí)作業(yè)，通過查看完成情況，了解學(xué)員預(yù)習(xí)情況和先驗(yàn)知識結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)課堂教學(xué)內(nèi)容的刪減。

（3）營造環(huán)境

以“虛實(shí)結(jié)合、人文互動”為原則營造課堂情境，使學(xué)生融入其中實(shí)時參與，用手雷投擲作為軍事案例將學(xué)員引入情境。

圖5 問題情境引入

（4）預(yù)備并激活先期知識與獲取新知識

預(yù)備工作并激活先期知識的目的是要激活大腦中現(xiàn)有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以用于更強(qiáng)的聯(lián)結(jié)，因此獲取新知之前幫助學(xué)生用10%的時間搜集背景知識，激活先期經(jīng)驗(yàn)知識，然后再一步步探求原委[4]。主要采取的教學(xué)方法是互動式教學(xué)，發(fā)送題目互動題目，交流研討式。

圖6 雨課堂交互式提問

再用80%的時間教授新知；最后10%的時間則用

于聯(lián)系新舊知識點(diǎn)會起到更好的效果。

（5）深度加工

深度加工目標(biāo)是多維知識整合，而以問題為線索的知識建構(gòu)能有效地加深對問題的理解，通常問題來自于所學(xué)內(nèi)容中的難點(diǎn)重點(diǎn)，即把學(xué)習(xí)設(shè)置到真實(shí)復(fù)雜的問題情境中[5]。學(xué)生能否進(jìn)行“深度加工”，教師的引導(dǎo)至關(guān)重要。

在這個軍事案例中，學(xué)員已經(jīng)通過分析構(gòu)建手雷飛行軌跡相關(guān)問題的模型，達(dá)到0 級標(biāo)準(zhǔn)，完成了Python 的函數(shù)功能，達(dá)到1 級標(biāo)準(zhǔn)，接下請學(xué)員自行創(chuàng)建類及該類的數(shù)據(jù)成員和成員方法，需要強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：類名的定義、構(gòu)造函數(shù)的寫法、self 是類的對象。比較并區(qū)分類的對象和對象。

（6）學(xué)習(xí)評價

深度學(xué)習(xí)評價是以設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)為依據(jù)，運(yùn)用調(diào)查、測驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析等方法，來對深度學(xué)習(xí)過程及結(jié)果做出價值判斷，并對深度學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行反思和修訂的活動[6]。學(xué)員已經(jīng)通過手雷投擲參數(shù)分析案例由淺層到深度學(xué)習(xí)的過程，經(jīng)歷了邏輯的解釋、慎重的討論、批判的思考，體驗(yàn)式的實(shí)踐，基本能夠利用面向?qū)ο蟮姆椒ń鉀Q一個具體問題。最后通過用面向?qū)ο蟮姆椒ǜ膶懼暗某绦虬咐淖鳂I(yè)，完成該理論知識的完整評價。

5 結(jié)語

面向?qū)崙?zhàn)化教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)與優(yōu)化始終貫徹了“用”計(jì)算機(jī)求解問題的思路，體現(xiàn)并強(qiáng)化了“計(jì)算”的作用，即三個“用”：入門，“用”計(jì)算機(jī)來計(jì)算數(shù)學(xué)中的數(shù)值計(jì)算問題；深化，從系統(tǒng)角度“用”計(jì)算機(jī)求解計(jì)算科學(xué)問題；專業(yè)，“用”計(jì)算機(jī)解決軍事領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)的問題。為海軍信息化人才培養(yǎng)夯實(shí)信息素養(yǎng)與應(yīng)用能力基礎(chǔ)。