大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革實(shí)踐與思考

吳寧 薄鈞戈 崔舒寧 齊琪 謝濤

摘 要：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)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)，其教學(xué)效果不僅直接影響到學(xué)生的計(jì)算機(jī)能力，在一定程度上也影響到本科教學(xué)質(zhì)量。在大數(shù)據(jù)、人工智能等各種新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的時(shí)代，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)如何適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，成為值得深入研究和思考的問(wèn)題。本文以“大學(xué)計(jì)算機(jī)”課程為切入點(diǎn)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、管理手段等方面提出了打造出具有高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)“金課”的若干途徑。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué);大數(shù)據(jù);金課;兩性一度;教學(xué)體系;教學(xué)模式;主動(dòng)學(xué)習(xí)

2018年6月，教育部部長(zhǎng)陳寶生在“新時(shí)代全國(guó)高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議”上第一次提出，要淘汰“水課”、打造“金課”，合理提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量[1]。高教司吳巖司長(zhǎng)則在第十一屆“中國(guó)大學(xué)教學(xué)論壇”上具體闡述了應(yīng)該打造什么樣的“金課”以及如何打造“金課”，并提出了“兩性一度”的“金課”標(biāo)準(zhǔn)。

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)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)。在人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的當(dāng)下，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式以及管理手段等方面如何適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，打造出具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)“金課”，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維能力培養(yǎng)目標(biāo)，是非常值得深入思考和探索的問(wèn)題。

所謂“金課”，當(dāng)然是指高質(zhì)量的課程。對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)而言，我們的思考是：

（1）具有既經(jīng)典又能反映學(xué)科前沿技術(shù)，且具有一定挑戰(zhàn)度的課程教學(xué)體系;

（2）具有強(qiáng)烈吸引力，使學(xué)生樂(lè)于主動(dòng)學(xué)習(xí)的線上線下課堂學(xué)習(xí)環(huán)境;

（3）基于有效互動(dòng)交流和大量設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的探索能力培養(yǎng)模式;

（4）個(gè)性化的學(xué)習(xí)過(guò)程跟蹤管理。

一、讓課程既具經(jīng)典性又有挑戰(zhàn)度

教學(xué)與科研在人才培養(yǎng)中有不同的視角，扮演著不同的角色?？茖W(xué)研究要追前沿，要不斷探索和發(fā)現(xiàn)新理論、發(fā)明新技術(shù);但教學(xué)卻要以基本理論和原理的講授為主。近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，各學(xué)科特別是各新興交叉學(xué)科研究對(duì)計(jì)算機(jī)能力的要求越來(lái)越高。在高校學(xué)分壓縮的大背景下，作為大多數(shù)高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生必修的“大學(xué)計(jì)算機(jī)”課程就扮演著越來(lái)越重要的角色[2]。如何使課程教學(xué)內(nèi)容既具備一定的基礎(chǔ)性、經(jīng)典性，又能與新技術(shù)有機(jī)融合，達(dá)到一定的高階性和挑戰(zhàn)度，成為課程教學(xué)研究的熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

2011年，基于問(wèn)卷調(diào)查、座談交流和實(shí)際教學(xué)體會(huì)，我們?cè)谠谢A(chǔ)上提出了以面向計(jì)算思維的問(wèn)題求解能力為主要培養(yǎng)目標(biāo)的課程體系改革[3]，并在隨后的8年教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)不同專業(yè)大類學(xué)習(xí)需求，不斷修訂和完善“大學(xué)計(jì)算機(jī)”課程教學(xué)體系。特別是針對(duì)我校特點(diǎn)，深入研究了理工類專業(yè)計(jì)算機(jī)能力培養(yǎng)需求，設(shè)計(jì)了以“計(jì)算、構(gòu)造、設(shè)計(jì)”為主題的“大學(xué)計(jì)算機(jī)”課程教學(xué)體系，圍繞計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、軟硬件系統(tǒng)構(gòu)造、算法設(shè)計(jì)等三大知識(shí)主題，培養(yǎng)學(xué)生面向計(jì)算思維的問(wèn)題求解能力。其中，基于C語(yǔ)言的算法設(shè)計(jì)主題占2/3總學(xué)時(shí)。

8年來(lái)的教學(xué)效果表明，課程教學(xué)使學(xué)生總體計(jì)算機(jī)能力有較大提升。以非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生為主要成員的參賽隊(duì)伍2016年和2017年在“中國(guó)高校計(jì)算機(jī)大賽-團(tuán)體程序設(shè)計(jì)天梯賽”、2017 ACM/ICPC陜西省暨全國(guó)邀請(qǐng)賽中斬獲多枚金牌和陜西省冠軍獎(jiǎng)項(xiàng)。

現(xiàn)有課程教學(xué)內(nèi)容雖然通過(guò)加入大量程序和算法設(shè)計(jì)，使學(xué)生通過(guò)實(shí)際編程加深了對(duì)計(jì)算機(jī)原理的理解，并為進(jìn)一步的專業(yè)研究奠定了良好的計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)，但總體上，這樣的課程教學(xué)還是更多地拘泥于“能力”，特別是單機(jī)處理能力上。對(duì)新技術(shù)跟蹤不足，容易造成“只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林”的情況。

如果說(shuō)2004年開(kāi)始大面積講授的“大學(xué)計(jì)算機(jī)”是在“計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)”之上的第一輪改革，那么2011年起開(kāi)啟的則是課程的第二輪改革。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)通信、可穿戴智能設(shè)備等的發(fā)展，一個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)、分享和應(yīng)用數(shù)據(jù)的時(shí)代正在開(kāi)啟[4]。培養(yǎng)能夠適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的跨專業(yè)復(fù)合型人才的需求，開(kāi)始倒逼計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的第三輪改革。

2018年開(kāi)始，通過(guò)對(duì)包括大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)主要知識(shí)點(diǎn)的梳理，結(jié)合課程實(shí)際教學(xué)體會(huì)和MOOC在線學(xué)習(xí)行為分析研究，我們提出了以“構(gòu)造思維能力、邏輯分析能力、問(wèn)題求解能力和對(duì)新技術(shù)的認(rèn)知能力”為主要培養(yǎng)目標(biāo)的面向新工科的“大學(xué)計(jì)算機(jī)”課程教學(xué)體系，主要包含4個(gè)知識(shí)主題（如表1所示），其總體設(shè)計(jì)思路是：

以數(shù)據(jù)為主線，通過(guò)數(shù)據(jù)的表示、存儲(chǔ)、處理、分析等環(huán)節(jié)，將計(jì)算機(jī)的基本理論和現(xiàn)代技術(shù)有機(jī)融合在一起。

通過(guò)自底向上的系統(tǒng)構(gòu)造過(guò)程描述，加強(qiáng)構(gòu)造思維能力培養(yǎng);注重軟硬件協(xié)同原理講述，使學(xué)生加深對(duì)系統(tǒng)原理的理解，而不是背書(shū)。

進(jìn)一步加強(qiáng)問(wèn)題求解能力，特別是對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的抽象分析能力培養(yǎng)，為未來(lái)編寫(xiě)高質(zhì)量程序奠定基礎(chǔ)。

加強(qiáng)對(duì)新技術(shù)理論的了解并通過(guò)初步實(shí)戰(zhàn)去認(rèn)知。不再僅進(jìn)行概述性講授，而是通過(guò)一定的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生認(rèn)知大數(shù)據(jù)和人工智能的基本算法。并借助一定的應(yīng)用案例，為學(xué)生展示新技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。

弱化通過(guò)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)檢索就可以直接獲取到的常識(shí)性知識(shí)和基本操作?，F(xiàn)代“00后”本科生已是“互聯(lián)網(wǎng)原住民”，入校前已對(duì)計(jì)算機(jī)有基本的認(rèn)知和應(yīng)用體驗(yàn)。相比10年前，大多已初步具有網(wǎng)絡(luò)信息檢索的意識(shí)和能力。對(duì)個(gè)別基礎(chǔ)確實(shí)較弱的學(xué)生，可以借助大規(guī)模在線開(kāi)放課程（MOOC）資源補(bǔ)充學(xué)習(xí)。

二、讓課堂更有吸引力

一個(gè)人被動(dòng)地去做任何事都談不上愉快，不愉快則難有成就。任何成功的研究都包含著一個(gè)重要的因素就是興趣，有了興趣就會(huì)主動(dòng)去做。將學(xué)生的身體引入教室可以通過(guò)簡(jiǎn)單的行政手段，但要將學(xué)生的大腦引入課堂并使其對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣，從而培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、勇于探索的精神，卻是課堂教學(xué)的難點(diǎn)。基于MOOC建設(shè)，我們自2014年開(kāi)始探索線上線下融合的混合教學(xué)模式。歷經(jīng)5年教學(xué)實(shí)踐，我們總結(jié)出混合教學(xué)模式下促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的4個(gè)主要方法。

（1）有效利用MOOC。將MOOC資源引入校內(nèi)，開(kāi)設(shè)面向校內(nèi)學(xué)生的SPOC，融合線上資源開(kāi)展翻轉(zhuǎn)教學(xué)。通過(guò)發(fā)布教學(xué)任務(wù)單的方式，安排學(xué)生利用MOOC視頻學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)或預(yù)習(xí)。同時(shí)，每周安排在線自測(cè)練習(xí)，以鞏固對(duì)所學(xué)基本知識(shí)的理解。

（2）有效利用大班課堂，開(kāi)展互動(dòng)交流。多項(xiàng)研究已表明，交流互動(dòng)可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解，提升課堂學(xué)習(xí)的關(guān)注度。但“互動(dòng)”必須有效。若只是簡(jiǎn)單的一問(wèn)一答，或有問(wèn)無(wú)答，就變成了一種形式而不會(huì)有好的效果。陸國(guó)棟教授特別提出了互動(dòng)的5個(gè)層面[5]。針對(duì)大班教學(xué)的特點(diǎn)，我們也探索了一些除隨機(jī)提問(wèn)之外的課堂互動(dòng)交流形式：

在50分鐘的授課過(guò)程中，設(shè)置若干次短暫的分組交流（如2～3分鐘）。交流小組按相鄰座位隨機(jī)生成，交流結(jié)束后隨機(jī)提問(wèn)回答。此種形式緩解了學(xué)生難以連續(xù)50分鐘高度集中聽(tīng)講的問(wèn)題，同時(shí)也給予學(xué)生一定的消化吸收和相互交流、認(rèn)知的機(jī)會(huì)。

根據(jù)不同課程特點(diǎn)，適當(dāng)設(shè)置隨堂練習(xí)。練習(xí)中周邊學(xué)生可以交流討論（自動(dòng)形成小組），練習(xí)內(nèi)容可以是關(guān)鍵代碼編寫(xiě)、思路描述、問(wèn)題簡(jiǎn)答、電路設(shè)計(jì)等。練習(xí)結(jié)束后，可以隨機(jī)提問(wèn)學(xué)生講述答案及形成的理由。之后教師隨堂點(diǎn)評(píng)。

教師抽取部分常見(jiàn)典型錯(cuò)誤隨堂展示（但并不說(shuō)明存在錯(cuò)誤），學(xué)生相互短暫交流后，自主分析是否存在問(wèn)題及出錯(cuò)原因。此種方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神。

實(shí)踐證明，學(xué)生對(duì)大班課堂的互動(dòng)交流非常認(rèn)可。

（3）有效利用翻轉(zhuǎn)課堂，促進(jìn)主動(dòng)學(xué)習(xí)。大班課堂上的交流互動(dòng)無(wú)論多少種形式，都只能是短暫的，只適合于部分較簡(jiǎn)單問(wèn)題的交流。對(duì)一些需要做一定研究的主題，則難以在大班課堂上實(shí)現(xiàn)。在助教輔助下，我們?cè)诮虒W(xué)環(huán)節(jié)中設(shè)置了若干次以小班為單位的分組討論環(huán)節(jié)，文獻(xiàn)[6]已對(duì)此做了詳細(xì)描述。這種在小組協(xié)助研究基礎(chǔ)上的交流、辯論，有效促進(jìn)了學(xué)生獨(dú)立探索、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和主動(dòng)學(xué)習(xí)的精神和能力。

（4）有效利用信息技術(shù)。將信息技術(shù)融入教學(xué)，主要體現(xiàn)在基于信息技術(shù)的智慧教學(xué)和學(xué)習(xí)過(guò)程管理。計(jì)算機(jī)課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，只有通過(guò)大量設(shè)計(jì)實(shí)踐，才有可能真正理解所學(xué)知識(shí)，也才能提高實(shí)戰(zhàn)能力。將各種智慧教學(xué)工具用于課堂，可以方便地進(jìn)行隨堂練習(xí)和結(jié)果統(tǒng)計(jì);利用自主研發(fā)的“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)平臺(tái)”，可以為學(xué)生提供不受限在線編程練習(xí)及智能指導(dǎo);基于在線學(xué)習(xí)行為分析，按周給出五個(gè)等級(jí)的個(gè)性化學(xué)習(xí)成績(jī)預(yù)警，可幫助學(xué)生及早了解其學(xué)習(xí)狀況和最終可能的學(xué)習(xí)效果，從而起到一定的警示作用。

數(shù)年來(lái)，我們?cè)趯?shí)踐中不斷探索、改進(jìn)線上線下相融合的混合教學(xué)模式，教學(xué)效果不斷提升。表2為2018年度采用統(tǒng)一難度試卷、統(tǒng)一線下考試成績(jī)，以相同專業(yè)背景和相同基礎(chǔ)學(xué)生為樣本的成績(jī)對(duì)比。其中，參與混合教學(xué)的學(xué)生未經(jīng)任何選拔，為完全自然班。數(shù)據(jù)說(shuō)明，相比傳統(tǒng)課堂，參與混合教學(xué)的學(xué)生成績(jī)平均提高了19.04%，特別是對(duì)能夠在一定程度上反映學(xué)生能力的主觀設(shè)計(jì)型題目，成績(jī)更是提高了逾1倍。由此說(shuō)明，混合教學(xué)對(duì)學(xué)生知識(shí)理解和能力提升等方面都具有顯著效果。

三、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)在各學(xué)科研究中的重要性愈加凸顯的同時(shí)，也為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。已有眾多學(xué)者針對(duì)“大學(xué)計(jì)算機(jī)”課程教學(xué)內(nèi)容改革進(jìn)行了深入研究[7-8]。作為高校第一門(mén)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，“大學(xué)計(jì)算機(jī)”的重要性毋庸置疑。但同樣確定的是，計(jì)算思維能力培養(yǎng)絕非一門(mén)課程學(xué)習(xí)所能實(shí)現(xiàn)，而是需要一個(gè)相對(duì)完整的課程系列。鑒于目前高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程學(xué)時(shí)有限和能力需求之間存在一定差距的普遍現(xiàn)狀，我們建設(shè)并在“中國(guó)大學(xué)MOOC”平臺(tái)發(fā)布了四層次計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列在線開(kāi)放課程群（如圖1所示），力圖通過(guò)融合線上資源，為學(xué)生提供體系化的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)。

一流課程建設(shè)離不開(kāi)完善的課程體系設(shè)計(jì)和有吸引力的課堂教學(xué)模式，同樣也離不開(kāi)有效的學(xué)習(xí)過(guò)程管理。模擬教師在側(cè)、實(shí)時(shí)指導(dǎo)的個(gè)性化精準(zhǔn)學(xué)習(xí)服務(wù)，是現(xiàn)代高等教育教學(xué)管理應(yīng)有的思路。

在系列MOOC群建設(shè)基礎(chǔ)上，結(jié)合新形態(tài)系列教材建設(shè)和面向校園的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)[9]、多環(huán)節(jié)交叉融合的教學(xué)模式、有效的學(xué)習(xí)過(guò)程跟蹤管理，是打造出線上線下融合的體系化計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)系列金課的必要手段，也是真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維能力培養(yǎng)的有效途徑。

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[責(zé)任編輯：余大品]