工程教育背景下基于對分理念的本科生計算思維能力的培養(yǎng)

畢春光 谷雪 劉泓伶 蘭杰雨

摘要：為了促使我校的本科工程教育達(dá)到我國的《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，以計算機(jī)類學(xué)生本科教育為例，以對分課堂為形式設(shè)計課上教學(xué)、自主學(xué)習(xí)、課堂討論等教學(xué)環(huán)節(jié)，提高對學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)。制訂三個課堂的人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)，使創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工程、技能產(chǎn)出能力培養(yǎng)貫穿專業(yè)教育全過程，提升工程教育下計算機(jī)類專業(yè)的教育質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工程教育;對分課堂;計算機(jī)專業(yè);思維能力;畢業(yè)要求

中圖分類號：G424

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）27-0109-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

2015年，為了適應(yīng)“新工科”高等教育的發(fā)展，解決各高校多年來對于工科課程理論知識、動手實踐能力與技術(shù)產(chǎn)出相適應(yīng)的教學(xué)問題，我國成立了中國工程教育認(rèn)證協(xié)會，接受各高校工程類專業(yè)進(jìn)行認(rèn)證[1]。2016年，在吉隆坡召開的國際工程聯(lián)盟大會上，中國高等教育具有里程碑意義的歷史性突破是我國正式加入了《華盛頓協(xié)議》?！度A盛頓協(xié)議》是世界上頗具影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議，若高校畢業(yè)生畢業(yè)于通過認(rèn)證協(xié)會認(rèn)證的工程專業(yè)，學(xué)生的學(xué)位也能夠得到《華盛頓協(xié)議》其他認(rèn)證協(xié)會成員的認(rèn)可，此舉大大加深了我國工程教育在國際上的影響力[2，3]。與此同時，這也對我國工程教育體系帶來了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展契機(jī)，以計算機(jī)大類的本科教育為例，對計算機(jī)類本科生按照國際標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)、鍛煉本科生的計算思維能力，以提高工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量為目的，改善傳統(tǒng)理論教學(xué)忽視技術(shù)產(chǎn)出是目前亟待解決的問題。因此，為了使理工科課程教育注重課堂學(xué)習(xí)、自我了解和課程實踐相結(jié)合，解決多年來高校課堂教學(xué)問題與困境，近年來國內(nèi)各高校紛紛推出了對分課堂教學(xué)模式[4，5]。對分課堂是中國提出的原創(chuàng)教學(xué)模式，以對分課堂為教學(xué)改革的方式，注重本科生思維能力的培養(yǎng)，以課堂教育與動手實踐相結(jié)合為具體舉措，不斷發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)相互結(jié)合中發(fā)現(xiàn)的問題，提出更好的教學(xué)方法以適應(yīng)工程教育認(rèn)證的要求。

1 本科工程教育的基本定位

在《華盛頓協(xié)議》中，明確將本科工程教育定位于培養(yǎng)學(xué)生的“解決復(fù)雜工程問題”的能力。解決復(fù)雜工程問題的教育從以往教師在課堂上進(jìn)行演示逐步轉(zhuǎn)化培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，以自我實踐來解決復(fù)雜工程問題從而發(fā)現(xiàn)新的問題。南京師范大學(xué)的陳波指出，工程教育的基本定位要以學(xué)習(xí)者為中心，轉(zhuǎn)化為制定課程規(guī)范的高校教師來說，要突出“以學(xué)生發(fā)展為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心、以學(xué)生學(xué)習(xí)需求為中心和以學(xué)生學(xué)習(xí)效果為中心”來引導(dǎo)學(xué)生解決復(fù)雜的工程問題。但長久以來，在以“解決復(fù)雜工程問題”來要求學(xué)生時，可以看到一些適合專業(yè)領(lǐng)域難度的學(xué)生能夠取得一些優(yōu)秀的成績，但隨著問題的深入、解決問題的時間越長，能夠解決“問題”的“學(xué)有余力”的學(xué)生總體上是越來越少。因此，對于本科工程教育的基本定位不能為少數(shù)學(xué)生而設(shè)計，在我國工程教育認(rèn)證中，對于專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)頂尖學(xué)生的成績往往不予支持，但不意味著對于這部分學(xué)生的教育工作不重要，而強(qiáng)調(diào)工程教育認(rèn)證定位需要具有普適性。對如何按照工程教育的基本定位來完善本科教育教學(xué)改革，浙江師范大學(xué)鄭忠龍也提出了實踐中的問題，如工程實踐和畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容和量不足以支持相關(guān)畢業(yè)要求達(dá)成、課外創(chuàng)新或?qū)嵺`活動所支撐的能力如何保證全體學(xué)生達(dá)成，缺乏有力證據(jù)，這都給明確本科教育的基本定位帶來新的困難。針對此，中國工程教育認(rèn)證協(xié)會針對畢業(yè)生培養(yǎng)頒布了《工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)》，以專業(yè)目標(biāo)、課程體系、師資隊伍、支持條件、學(xué)生發(fā)展、管理制度、質(zhì)量評價等方面細(xì)化本科工程教育的基本定位，這些方面需要我們在本科生專業(yè)培養(yǎng)方案中明確制定、在教學(xué)與實踐中不斷探索、在學(xué)生的專業(yè)考察過程中不斷完善，從而達(dá)到工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求[6]。

2 對分課堂的特點

對分課堂作為我國以適應(yīng)專業(yè)發(fā)展要求而新提出的教學(xué)模式，自始至終注重教師講授和學(xué)生的討論與實踐相結(jié)合。傳統(tǒng)意義上對分課堂由復(fù)旦大學(xué)的張學(xué)新教授提出，指將課堂教學(xué)時間分為兩個部分，一部分時間留給任課教師講解專業(yè)課程理論知識，其余時間留給學(xué)生自主討論當(dāng)堂課的知識，也可以有教師拋出一個開放性的問題，誘導(dǎo)學(xué)生利用自己掌握的知識和通過學(xué)生間的思想碰撞、頭腦風(fēng)暴、同學(xué)間各自對于當(dāng)前知識的了解對問題加以解決，讓學(xué)生迅速吸收當(dāng)堂課的專業(yè)知識[7，8]。在此過程中，對以往填鴨式的教學(xué)環(huán)節(jié)做出了改善，但也提出了新的挑戰(zhàn)。任課教師不能照本宣科的介紹一堂課的內(nèi)容，而要注重學(xué)生的課前預(yù)習(xí)，在課堂上的學(xué)生對當(dāng)堂課的知識應(yīng)該有一個初步了解，快速入門后主要突出一堂課的知識點和難點。其次，教師需要思考留給學(xué)生討論內(nèi)容的選題，這部分內(nèi)容既要結(jié)合課程，又要思維開放，做到廣度和深度的相結(jié)合，對于動手能力強(qiáng)的試驗，還要考慮到學(xué)生在實驗室中解決此問題的上手程度。近年來高校通過以對分課堂為主要形式的教學(xué)改革，總結(jié)出其開放、多元、理論與實踐充分結(jié)合的特點。

3 對分課堂對工程教育的適用性

工程認(rèn)證教育突出強(qiáng)調(diào)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力，以計算機(jī)類專業(yè)教育為例，解決復(fù)雜問題能力的先行課是培養(yǎng)計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計算思維能力。工程教育要求下計算思維能力的培養(yǎng)通過傳統(tǒng)的灌輸式教育已顯得捉襟見肘，一堂1-2個學(xué)時的計算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課或核心專業(yè)課不能很好地培養(yǎng)以計算思維能力為核心的數(shù)學(xué)思維能力、難點細(xì)化能力、邏輯思維能力、動手實踐能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力的綜合能力的培養(yǎng)。但對分課堂的出現(xiàn)很容易將學(xué)生能力培養(yǎng)從傳統(tǒng)的教學(xué)模式中切分出來，其特點與培養(yǎng)計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計算能力培養(yǎng)有較好地契合，也更好地適應(yīng)工程教育的要求。以計算機(jī)思維能力培養(yǎng)重新設(shè)計對分課堂的教學(xué)安排，可分為三個過程：課堂講授、自主學(xué)習(xí)、課堂討論（如表1）。假設(shè)一門計算機(jī)專業(yè)核心課一周有2課時，每課時45分鐘。在第一個課時的課堂講授中，教師在前半節(jié)課講解本章的專業(yè)知識，留出本節(jié)課的時間給學(xué)生提出一個開放性的問題，以小組為單位，每小組4-5人，討論該節(jié)課的知識點以及解決問題的想法。在自主學(xué)習(xí)中，任課教師和學(xué)生應(yīng)該把握好兩個課時間的間隙，教師可以給出當(dāng)前知識點的相關(guān)資料、難點問題、交叉知識點，留給學(xué)生自行復(fù)習(xí)第一個課時的內(nèi)容，查閱當(dāng)前知識點的相關(guān)資料并對下一個課時的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，同樣以小組為單位，學(xué)生可以互相交流各自查找到的資料，對解決問題提出自己的看法。在第2個課時中，主要以課堂討論和動手實踐為主，通過交流的方式全班學(xué)生可以對問題的解決進(jìn)行思維碰撞，在解決問題的過程中強(qiáng)化了對各個知識點的理解。在動手實踐環(huán)節(jié)，每個學(xué)生可以上機(jī)嘗試自己的方法對解決問題的可行性，也可以分小組合作完成一個實際問題，注重學(xué)生在團(tuán)隊協(xié)作中扮演的角色和各自適應(yīng)解決的問題，因材施教。每周兩個課時的循環(huán)往復(fù)，教師的角色從以往的教育者變?yōu)橐龑?dǎo)者，學(xué)生成為課程學(xué)習(xí)、解決問題的主角，這體現(xiàn)了工程教育認(rèn)證中“以學(xué)生為中心”的原則，也培養(yǎng)了學(xué)生技能產(chǎn)出的能力。

4 工程教育背景下計算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)模式

工程教育背景下計算機(jī)類專業(yè)人才培養(yǎng)模式可以分為三個課堂，由課上、課下、社會分別作為三個課堂的培養(yǎng)載體。對分課堂在工程教育的適應(yīng)性改進(jìn)后，學(xué)生的計算思維能力得到提高，也完成了學(xué)生教育中第一課堂的內(nèi)容。除此之外，以對分課堂為基礎(chǔ)，在學(xué)生專業(yè)教育的第一課堂還可以安排課程設(shè)計、綜合實踐、學(xué)科競賽等多個環(huán)節(jié)。第一課堂主要目的是使專業(yè)學(xué)習(xí)強(qiáng)基固本，在第一課堂的基礎(chǔ)上，鼓勵計算思維能力較強(qiáng)的學(xué)生參加國家、省市、學(xué)校的大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目，也可也選擇自己感興趣的科研領(lǐng)域參加任課教師的科研項目或?qū)W習(xí)型的專業(yè)社團(tuán)（如ACM協(xié)會、電子愛好者協(xié)會等），同時也鼓勵學(xué)生參加專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)科競賽，使學(xué)生在第一課堂學(xué)到的專業(yè)知識應(yīng)用到工程項目的實踐中，對專業(yè)知識有現(xiàn)實的應(yīng)用體會。在第三課堂中，鼓勵高校高年級學(xué)生或即將畢業(yè)年級學(xué)生通過暑期社會實踐等環(huán)節(jié)，參加企業(yè)實習(xí)或開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，使創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工程貫穿專業(yè)教育全過程，使工程教育逐層推進(jìn)，努力提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，培養(yǎng)計算機(jī)類一流人才。

5 總結(jié)

以工程教育為導(dǎo)向的對分課堂相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，更能突出學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主導(dǎo)地位，激發(fā)其在學(xué)習(xí)過程中的自主性和更高的參與度，也能培養(yǎng)其計算能力思維。教師在專業(yè)教育中也能更好地發(fā)揮其作用并在教學(xué)環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)問題，不斷探索并優(yōu)化，使學(xué)生可以更好地提升計算思維能力和解決復(fù)雜工程問題的能力，以適應(yīng)工程教育的要求。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】