“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革與實踐

王 新，周 勇，徐月美，孫晉非，毛 磊

一、“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程改革發(fā)展的四個階段

“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程主要面向高等學(xué)校非計算機專業(yè)學(xué)生開設(shè)，是培養(yǎng)信息時代大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的重要組成部分。中國礦業(yè)大學(xué)“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程建設(shè)與教學(xué)改革始于1992年，當(dāng)時課程名為“計算機基礎(chǔ)知識及應(yīng)用”，由計算中心承擔(dān)全校計算機公共基礎(chǔ)教學(xué)的管理工作和一部分教學(xué)任務(wù)。1997年學(xué)校成立了計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，專門組建了從事計算機基礎(chǔ)教學(xué)的計算機基礎(chǔ)教學(xué)部，有了一批專門從事計算機基礎(chǔ)教學(xué)的師資隊伍，對計算機基礎(chǔ)教學(xué)實行了全面改革。經(jīng)過三次重大的改革舉措，由“計算機基礎(chǔ)知識及應(yīng)用”到“計算機文化基礎(chǔ)”課程，后來發(fā)展為“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”，主要經(jīng)歷了四個大的改革階段。

1.“計算機基礎(chǔ)知識及應(yīng)用”課程建設(shè)時期（1992年-1996年）

“計算機基礎(chǔ)”課程最初的教學(xué)內(nèi)容包括計算機基礎(chǔ)知識、DOS操作系統(tǒng)、WPS文字排版等內(nèi)容。1995年基礎(chǔ)課任課教師們編寫了我校第1本計算機基礎(chǔ)的教材“計算機基礎(chǔ)知識及應(yīng)用”。

2.“計算機文化基礎(chǔ)”課程建設(shè)時期（1996年-2001年）

1996年，國家教委根據(jù)高校非計算機專業(yè)的計算機培養(yǎng)目標(biāo)，提出了三個層次課程體系，將原來開設(shè)的基于DOS環(huán)境的“計算機基礎(chǔ)知識及應(yīng)用”課程改為基于Windows環(huán)境的“計算機文化基礎(chǔ)”課程，并按不同專業(yè)開設(shè)不同的計算機語言課程。這一重大舉措不僅涉及到基于Widows環(huán)境的課程體系設(shè)置和教學(xué)方法、教學(xué)手段的改進，更重要的是教材建設(shè)和師資隊伍建設(shè)。1997年我校成立計算機系，計算機系的計算機基礎(chǔ)部全面負(fù)責(zé)全校的計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)及管理?；A(chǔ)部教師們探索計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)規(guī)律，完善課程體系，進行了全方位、力度較大的一系列教學(xué)改革：1998年和2001年編寫了基于Windows環(huán)境的《計算機實用基礎(chǔ)》《計算機應(yīng)用基礎(chǔ)》教材；積極制作計算機基礎(chǔ)課件，改革教學(xué)方法與手段，結(jié)束了“黑板+粉筆”的單一的教學(xué)模式。

3.“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程建設(shè)期（2002年-2007年）

2002年全面修改課程內(nèi)容體系?！按髮W(xué)計算機基礎(chǔ)”課程教學(xué)較之“計算機文化基礎(chǔ)”有了很大程度的改革，無論從內(nèi)容的廣度、深度有了質(zhì)的改變，強化了計算機的基本原理、基本知識、基本方法，增加了數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)、多媒體基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，計算機信息安全、程序設(shè)計基礎(chǔ)等。2004年按照教育部計算機課程指導(dǎo)委員會推出的“白皮書”中關(guān)于該課程的改革精神，基礎(chǔ)課教師相繼編寫出版了《大學(xué)計算機信息技術(shù)基礎(chǔ)》《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》等教材和與之配套的實驗教材。為保持教材的連續(xù)性并與“白皮書”設(shè)置的課程的一致性，將“計算機基礎(chǔ)知識及應(yīng)用”課程改名為“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”。

4.“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程分類分層改革（2008年至2018年）

針對高校非計算機專業(yè)計算機基礎(chǔ)教育新形勢的需求，學(xué)院基礎(chǔ)課教師提出了計算機基礎(chǔ)教育教學(xué)理念，即“面向?qū)ο?、分類分層；因材施教、教育?chuàng)新”；對大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程體系進行改革，提出了分類分層教學(xué)改革方案，即分為三個類別（理工類、文管類、藝術(shù)體育類）、三個層次（免修、較高要求、一般要求）。在這個教學(xué)改革方案下，設(shè)置了不同類別、不同層次的計算機基礎(chǔ)課程體系，制訂了具有各自專業(yè)特色的分類教學(xué)計劃和體現(xiàn)不同學(xué)生個體差異的分層次教育模式。具體措施有：針對大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程不同類別、不同層次的教學(xué)需求，建立了豐富完備的教學(xué)資源，包括教材、多媒體教學(xué)包、輔助教學(xué)網(wǎng)站、實驗教學(xué)環(huán)境和資源等；針對分類分層教學(xué)需求，改革教學(xué)模式和手段，從傳統(tǒng)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵诮處熤笇?dǎo)下的學(xué)生自主學(xué)習(xí)的方式；通過課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、自主學(xué)習(xí)和個性化學(xué)習(xí)、創(chuàng)新活動等多種模式，積極培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

二、當(dāng)前“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程面臨的問題

信息技術(shù)革命日新月異，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)這些新概念和新技術(shù)的出現(xiàn)，在很多領(lǐng)域引發(fā)了一系列革命性的突破，信息技術(shù)已經(jīng)滲透到各個學(xué)科，因此教育部對大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)提出了新的要求。面對當(dāng)前計算機基礎(chǔ)教育的新形勢，目前國內(nèi)高校開設(shè)的“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程面臨以下兩個問題。

1.計算思維缺少“落地”環(huán)節(jié)

2016年1月，教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機課程教學(xué)指導(dǎo)委員會確立了推進課程改革的總體目標(biāo)：明確以計算思維為導(dǎo)向的教學(xué)改革方向、探索多元化的教學(xué)方案、推動以在線開放課程為代表的教學(xué)模式改革、完善課程教學(xué)成效測評方式，從而建設(shè)適應(yīng)時代要求的新的大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)體系[1]。計算思維作為大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的核心教學(xué)內(nèi)容之一，需要讓學(xué)生能夠在計算機上“體會和實踐”計算思維，從而提升包括計算思維在內(nèi)的普適性能力，更高層面為專業(yè)服務(wù)。但是，包括我校在內(nèi)的國內(nèi)部分高校的計算思維教學(xué)仍然停留在對計算思維概念層面的介紹，還沒有更好的解決在實際教學(xué)過程中“落地”問題。

2.人工智能基礎(chǔ)知識的匱乏

2018年，教育部關(guān)于印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》的通知中指出：根據(jù)人工智能理論和技術(shù)具有普適性、遷移性和滲透性的特點，主動結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和社會需求，積極開展“新工科”研究與實踐，重視人工智能與計算機、控制、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、社會學(xué)、法學(xué)等學(xué)科專業(yè)教育的交叉融合，探索“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式；文件明確規(guī)定將人工智能納入大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容[2]。但是，筆者查閱了目前國內(nèi)很多高等學(xué)校的教材，“人工智能”在大學(xué)計算機基礎(chǔ)教材中鮮有介紹。與此同時，在國內(nèi)影響力大、受眾較廣的平臺如“中國大學(xué)MOOC”“學(xué)堂在線”等，目前雖然開設(shè)有“人工智能與信息社會”“人工智能導(dǎo)論”等相關(guān)課程，也沒有在“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程中介紹人工智能基礎(chǔ)的知識點。

中國礦業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在學(xué)校的大力支持下，在廣泛調(diào)研、研討和匯報后，統(tǒng)一思想，構(gòu)建“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”新課程體系，并于2018年9月在中國礦業(yè)大學(xué)2018級礦業(yè)學(xué)院和安全學(xué)院學(xué)生中進行授課，于2019年4月在“中國大學(xué)MOOC”開設(shè)“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”在線開放課程。

三、構(gòu)建“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”新課程體系

中國礦業(yè)大學(xué)在調(diào)研其他高校優(yōu)秀成果的基礎(chǔ)上，提出了構(gòu)建“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”新的課程體系。

1.教學(xué)目標(biāo)

“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”課程是中國礦業(yè)大學(xué)計算機基礎(chǔ)通識教育的第一門公共基礎(chǔ)必修課，在培養(yǎng)學(xué)生的計算思維水平以及人工智能基礎(chǔ)理論方面具有基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性的重要作用，適用于非計算機專業(yè)學(xué)生。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握計算機軟硬件的基礎(chǔ)知識、計算機求解問題的基本方法以及人工智能的基本知識，以培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)和計算思維能力、運用計算機解決實際問題的能力，進一步提高學(xué)生對人工智能的整體認(rèn)知和應(yīng)用水平。

2.教學(xué)內(nèi)容

“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”課程的知識點包括計算機與計算思維、互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)、計算機求解問題基礎(chǔ)、人工智能基礎(chǔ)四大模式（見表1）。

表1 “計算思維與人工智能基礎(chǔ)”課程知識點模塊

“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”新課程教學(xué)內(nèi)容主要有兩大特色：

（1）進一步明確“計算思維”在大學(xué)計算基礎(chǔ)通識教育中的核心地位。在第1模塊“計算機與計算思維”和第3模塊“計算機求解問題基礎(chǔ)”中切實解決計算思維的“落地”問題。其中，在第3模塊中選擇Raptor——一種基于流程圖的可視化程序設(shè)計環(huán)境。Raptor規(guī)則簡單，容易掌握，能夠使學(xué)生短時間就可以進入問題求解的實質(zhì)性算法學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在計算機上“體會和實踐”計算思維[3]。

（2）將人工智能納入大學(xué)計算機基礎(chǔ)通識教育。具體知識點內(nèi)容如下：人工智能概述知識點包括人工智能的概念、人工智能的發(fā)展、人工智能的研究內(nèi)容、人工智能的主要方法以及人工智能當(dāng)前研究熱點（機器視覺、自動駕駛、自動客服等）；搜索與博弈知識點包括基于狀態(tài)空間圖的搜索技術(shù)、深度優(yōu)先搜索和寬度優(yōu)先搜索和博弈；機器學(xué)習(xí)知識點包括機器學(xué)習(xí)概述、距離函數(shù)及相似性度量函數(shù)、分類算法分析和聚類算法分析。

3.教材建設(shè)

在教師、知識、學(xué)生的教學(xué)活動序列中，教材具有舉足輕重的地位，不僅是“體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的知識載體”，而且是開展教學(xué)活動、聯(lián)系教學(xué)和學(xué)生的重要工具和紐帶。2018年教學(xué)團隊成員編寫“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”教材，共分為九章內(nèi)容，分別是：第一章“計算機技術(shù)與計算思維基礎(chǔ)”，第二章“計算機中信息的表示”，第三章“計算機系統(tǒng)的基本組成和基本工作原理”，第四章“互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)”，第五章“計算機新技術(shù)”，第六章“計算機求解問題基礎(chǔ)”，第七章“人工智能概述”，第八章“搜索與博弈和第九章機器學(xué)習(xí)”。

教材的表現(xiàn)形式有數(shù)字資源平臺包括試題庫、PPT課件、電子教案、教學(xué)大綱、教材素材等。教材同時提供教學(xué)短視頻二維碼，方便學(xué)生掃描預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。2019年4月，教學(xué)團隊編寫的“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”教材正式立項為“十三五”江蘇省高等學(xué)校重點教材。

4.教師隊伍

為了加強“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”授課教師的水平，中國礦業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院對現(xiàn)有師資管理方式實施調(diào)整，加大師資隊伍的培訓(xùn)力度。

（1）調(diào)整教學(xué)系室結(jié)構(gòu)。首先將計算機基礎(chǔ)部18名教師轉(zhuǎn)入專業(yè)系室，使他們逐步融入專業(yè)教學(xué)并拓展自身知識結(jié)構(gòu)和教育理念。通過師資管理模式的變革，為教師創(chuàng)造了換角色、換視角、換位思考的機會，使他們能夠在課程調(diào)整之后，駕馭教材、分解知識點的能力得到提升。其次，鼓勵長期擔(dān)任專業(yè)課的教師主講“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”課程。這些具有廣闊的計算機專業(yè)知識背景的專業(yè)教師，根據(jù)自身對計算機科學(xué)領(lǐng)域的研究，對“計算思維”和“人工智能”的解讀更加深入。他們的授課得到非計算機專業(yè)學(xué)生的一致好評，使更多的學(xué)生受益，也提升了學(xué)?！坝嬎闼季S與人工智能基礎(chǔ)”課程的整體教學(xué)水平。編入專業(yè)系室的基礎(chǔ)課任課教師，在承擔(dān)一到兩門專業(yè)課程的同時，參與課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等工作，拓展了專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)。

（2）師資隊伍培訓(xùn)。為了進一步提升教師的專業(yè)能力，引導(dǎo)教師研究教學(xué)、潛心教學(xué)，切實提升教師的教學(xué)能力和水平，學(xué)校教務(wù)部聯(lián)合學(xué)院，每年組織兩次“師德師風(fēng)與教學(xué)能力提升研修班”。為了在我校全面開展“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”課程教學(xué)，該課程的任課教師全部參加2019年蘇州大學(xué)的“大數(shù)據(jù)、人工智能”專題師資培訓(xùn)。

5.教學(xué)手段

“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”在傳統(tǒng)多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上，加入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)節(jié)，進行了MOOC平臺建設(shè)。借助“中國大學(xué)MOOC”網(wǎng)絡(luò)平臺，教學(xué)團隊于2019年4月推出“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”網(wǎng)絡(luò)在線課程。根據(jù)第一輪網(wǎng)絡(luò)授課基礎(chǔ)上總結(jié)的經(jīng)驗，計劃2019年9月在中國礦業(yè)大學(xué)新生中實施“MOOC+SPOC”的線上線下混合教學(xué)模式，進一步提升學(xué)生課堂參與力和討論能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。進行線上線下的混合教學(xué)，特別需要加強對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)控。因此，課題組采取兩大措施保證良好的教學(xué)效果。

（1）重視學(xué)習(xí)跟蹤。利用網(wǎng)絡(luò)平臺，每章課程學(xué)習(xí)結(jié)束后向?qū)W生發(fā)布學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)要求，并將學(xué)生學(xué)習(xí)情況（如觀看視頻、章節(jié)測驗、作業(yè)等）向?qū)W生發(fā)布，以達到督促的目的。

（2）重視過程考核。為了引導(dǎo)學(xué)生從關(guān)注“期末一錘定音”到關(guān)注“學(xué)習(xí)過程”，我們將課程最終成績分為線上學(xué)習(xí)成績和線下學(xué)習(xí)成績，成績比例分配如表2所示。線上學(xué)習(xí)成績包含章節(jié)測驗和觀看視頻部分成績，這部分成績比例不能過大，否則就會造成成績失真。線下學(xué)習(xí)成績包含課堂表現(xiàn)及綜合作業(yè)、課堂測驗和期末考試部分。

表2 “計算思維與人工智能基礎(chǔ)”成績比例分配

6.教學(xué)保障

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，目前考試的形式已經(jīng)轉(zhuǎn)向為計算機網(wǎng)絡(luò)為依托的在線考試模式。題庫建設(shè)是在線考試系統(tǒng)的真正核心，是在線考試中最重要的一個環(huán)節(jié)。為了保證“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”課程的標(biāo)準(zhǔn)化測試，教學(xué)團隊建設(shè)完成機考題庫系統(tǒng)。題庫中知識點設(shè)計既要符合教學(xué)大綱的要求，又要突出課程的重點難點，并且需要全面覆蓋教學(xué)內(nèi)容。“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”題庫系統(tǒng)分為兩部分：一部分是練習(xí)題庫，供學(xué)生在學(xué)習(xí)一個階段后，管理員開放練習(xí)題庫讓學(xué)生測試知識點的熟練程度；另一部分為考試題庫，專門用來課程的標(biāo)準(zhǔn)化考核。

“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”課程配套的實驗課程內(nèi)容在進一步完善之中。目前，實驗預(yù)約課程管理平臺已經(jīng)建設(shè)完成。計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院利用專業(yè)優(yōu)勢，自主研發(fā)了實驗預(yù)約課程管理平臺，主要的功能模塊是：學(xué)生實驗預(yù)約系統(tǒng)、實驗排課系統(tǒng)、教師管理系統(tǒng)、學(xué)生管理系統(tǒng)、實驗室課表管理系統(tǒng)、實驗室動態(tài)信息系統(tǒng)和統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)。學(xué)生通過手機或者電腦自主預(yù)約實驗上課時間，根據(jù)課程平臺的預(yù)約時間和機房；教師根據(jù)學(xué)生實驗內(nèi)容進行個性化指導(dǎo)，不再統(tǒng)一規(guī)定實驗內(nèi)容和實驗進度?？紤]到大學(xué)生計算機基礎(chǔ)差異，教師根據(jù)實驗教學(xué)重點和難點，提前錄制了微課程，發(fā)布到實驗教學(xué)平臺供學(xué)生隨時隨地的網(wǎng)上觀看或本地下載學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語

2018年12月，“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”第一輪授課結(jié)束。通過調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，379名中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院和安全學(xué)院的學(xué)生對“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”課程的整體評價較高：占87.1%的學(xué)生喜歡學(xué)習(xí)這門課程，占88.4%的學(xué)生認(rèn)為在將來的工作以及生活中都會有一定的應(yīng)用，接近七成的學(xué)生認(rèn)為很有必要學(xué)習(xí)這門課程。

然而，在推進“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革過程中，還有很多具體問題值得探討，亟待解決。例如，目前還有沒有適當(dāng)?shù)摹⑨槍Υ笠恍律R背景的人工智能基礎(chǔ)實驗；沒有基于學(xué)生知識和能力水平差異的“計算思維與人工智能基礎(chǔ)”分層教學(xué)；課程的教學(xué)評價有待進一步細(xì)化；等等。