面向綜合能力培養(yǎng)的大學計算機通識課程改革

趙宏 郭蘊

摘 要：在計算機技術不斷與各專業(yè)融合，特別是隨著“四新”建設對計算機技術需求的日益增強，提高面向全校學生開設的大學計算機通識課程的教學質(zhì)量和育人效果十分必要。本文首先討論了大學計算機通識教育的根本目標，提出了面向大學生計算機通識素養(yǎng)培育的3A5S（3 Abilities and 5 Skills）模型，探索實現(xiàn)了3A5S教學實踐模式。多年的課程教學實踐表明，本文提出的3A5S教學實踐模式有效，體現(xiàn)了大學計算機通識課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。3A5S模式是一種“能力目標”而非“知識目標”導向的整體化計算機通識課程育人的新模式。

關鍵詞：大學計算機;3A5S模式;兩性一度;挑戰(zhàn)項目性學習（CPBL）;能力培養(yǎng)

在計算機技術不斷融入各專業(yè)的今天，特別是隨著“四新”建設對計算機技術的需求日益提高，在高校加強計算機通識必修課建設，提高計算機通識課程的教學質(zhì)量和育人效果十分必要。然而對于大學計算機通識課程來講，在我國大學普遍存在的減少計算機通識教育的學分、有的高校甚至取消計算機基礎課的現(xiàn)象表明，我國高校的計算機通識教育還遠遠沒有達到令各專業(yè)滿意的教學效果。大學計算機通識課程正面臨著教師不愿意教、學生不愿意學、專業(yè)學院不滿意的多重危機。

因此，如何解決各專業(yè)對計算機技術的緊迫需求與目前我國大學計算機通識教育還無法滿足這一需求的矛盾，以及大學新生由于高中時期長期處于被動的學習狀態(tài)難于直接進入與其截然相反的自主學習狀態(tài)的問題，是如今亟待解決的課題。本文針對大學計算機通識課程曾一度徘徊于方法論與工具論之間屬性界定的問題[1]，提出了創(chuàng)新性的認識——大學計算機通識課程既不是教會學生抽象的方法，也不是教會學生具體工具的使用，而是對學生具有計算思維能力和用計算機求解問題的能力的培養(yǎng)?；趯Υ髮W計算機工具性和方法論屬性的新認識，我們首先深入探討了大學計算機通識課程的育人目標，進而提出了3A5S的模型，然后給出了可落地實施的實現(xiàn)3A5S模型的教學實踐模式，最后分析總結(jié)了3A5S模型在南開大學多年實踐的有效性。

一、大學計算機通識課程的3A5S模型

大學計算機通識課程的目標不是培養(yǎng)計算機專業(yè)人才，而是使非計算機專業(yè)的學生具有主動使用計算機獨立或合作解決專業(yè)或生活中的問題的意識和能力。非計算機專業(yè)學生對計算機課程學習的本質(zhì)需求就是能用計算機輔助解決專業(yè)和生活中的問題，能用計算機為專業(yè)學習和研究服務。因此，經(jīng)過深入研究我們認為，對非計算機專業(yè)學生的計算機課程學習，可以歸納為如下三個能力的培養(yǎng)。

1.計算思維能力

以計算機學科為代表的計算思維與以數(shù)學為代表的邏輯思維和以物理、化學為代表的實證思維一樣，已經(jīng)是當代大學生應該具備的三大思維。大學計算機通識必修課程需要培養(yǎng)非計算機專業(yè)學生基本的計算思維能力，建立主動用計算機解決問題的意識，這樣才能夠與計算機專業(yè)人員對話，共同尋求用計算機輔助求解專業(yè)和生活中的問題的方法。我們把這種能力稱為“能想”。

2.獨立應用基本工具或編程語言解決問題的能力

當代人的學習和生活已經(jīng)無法離開計算機，具備基本的使用計算機軟件工具或者通過簡單的編程去解決問題的能力是當代大學生必須具備的基本能力。例如，能夠使用工具進行基本的辦公文檔處理，或使用SPSS，MATLAB，Python，R，C++等進行基本的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等。我們把這種能力稱為“能用”。

3.用計算機創(chuàng)新性求解問題的綜合能力

學習的最終目標就是要解決問題。非計算機專業(yè)大學生應該具備利用已有的計算機知識，與計算機專業(yè)人員合作解決較為復雜問題的綜合科研能力。我們把這種能力稱為“能創(chuàng)新性解決問題”。

由Spady首先提出的OBE（Outcome Based Education）理念是指教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后所取得的學習成果，強調(diào)“以學生為中心”[2]。教育教學模式的發(fā)展過程中產(chǎn)生了多種理念和方法，其中OBE理念和方法被公認為是追求卓越教育的有效方法之一。在美國、英國、加拿大等國家，OBE成為教育改革的主流理念。

基于以上對大學計算機通識課程三方面育人目標的認識和OBE理念，我們提出了實現(xiàn)學生從“擁有知識”到“具備能力”的學習目標轉(zhuǎn)變的理論模型——3A5S模型，如圖1所示。

在3A5S模型中，我們將大學計算機通識課程的育人目標歸結(jié)為三個與計算機相關能力的培養(yǎng)，即“能想”“能用”和“能創(chuàng)新性解決問題”，簡稱“三能”，即3A（3 Abilities）。另外，針對我國學生在“能創(chuàng)新性解決問題”能力方面的缺陷，在育人目標中還要對他們進行解決復雜問題的綜合科研能力訓練，具備“一會發(fā)現(xiàn)問題，二會團隊合作，三會求解問題，四會寫科研論文，五會成果展示”的能力，簡稱“五會”，即5S（5 Skills）。

二、能落地的3A5S教學實踐模式

為了提高我國高校的育人質(zhì)量，2018年我國高校開始大力推進“金課”建設。教育部高教司吳巖司長將“金課”的特征歸納為“高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度”，即“兩性一度”[3]。課程的高階性就是要促進學生的高階學習，培養(yǎng)學生的高階思維認知能力，高階學習對應布魯姆（布魯姆的學生安德森修改后）認知目標（分為六個層級：記憶、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造）中的分析、評價和創(chuàng)造[4]。金課的創(chuàng)新性也應該體現(xiàn)兩個方面的內(nèi)涵：一是問題導向，金課的創(chuàng)新必須明確要解決的問題;二是瞄準要素，圍繞構(gòu)成課程的諸要素開展創(chuàng)新，并取得可驗證的實效[4]。提高課程挑戰(zhàn)度的關鍵就是促進深度學習。這里的深度學習不是人工智能領域的深度學習，而是指通過基于元認知策略的學習活動，強調(diào)整合知識、積極主動、合作探究，對知識進行結(jié)構(gòu)化和深度加工，目標是發(fā)展高階思維和問題解決能力，是培養(yǎng)學習者核心素養(yǎng)、促進全面發(fā)展的積極的、有意義的學習[4]。

根據(jù)現(xiàn)代構(gòu)建主義學習理論的基本觀念，學生是學習知識的主體，教師是學生學習的輔助者，教師要在學生已有的知識、經(jīng)驗的基礎上給予輔助、引導，讓其構(gòu)建意義[5]?！把芯啃詫W習”（Problem-Based Learning/ Project -Based Learning，簡稱PBL）是指學生通過研究性的方式提出理解和解決問題，并在此過程中形成學習能力、創(chuàng)造能力與相關專業(yè)精神的活動[6]。PBL是被廣泛應用的基于構(gòu)建主義理論的教學模式。清華大學在2008年提出了開展“挑戰(zhàn)性學習”（Challenge Based Learning，簡稱CBL）課程教學。該類課程力圖通過有趣有價值的挑戰(zhàn)性問題吸引學生，激發(fā)學生的好奇心和想象力，通過高強度師生互動、生生互動，使學生快速獲取新知識并綜合運用相關知識，培養(yǎng)學生溝通、合作和創(chuàng)新能力，促進學生敢于善于挑戰(zhàn)自我、主動學習，使學生在完成挑戰(zhàn)性任務的過程中獲得成就感，進而增強作為拔尖學生的勇氣、信心和能力[7]。

圖1所示的“3A5S模型”是一個概念模型，為了使該模型能夠落地于日常的教學，還需要構(gòu)建3A5S教學實踐模式。基于構(gòu)建主義理論，我們將研究性學習PBL和挑戰(zhàn)性學習CBL進行融合，在實現(xiàn)3A5S模型中“能創(chuàng)新性解決問題”的能力目標時，采用挑戰(zhàn)項目性學習（Challenging Project-Based Learning，簡稱CPBL）模式。CPBL的核心首先是挑戰(zhàn)性問題不是老師給出的，而是學生自己發(fā)現(xiàn)并與導師討論得到的;其次，學生們按照PBL的模式，通過團隊合作，按照科學研究的方法，探究并求解問題。在CPBL模式中，不但突出培養(yǎng)學生會通過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質(zhì)問題的能力，還通過學生們的團隊合作式自主探究，在導師的指導下“蹦一蹦”就能夠解決所發(fā)現(xiàn)的問題。

近年來，線上線下混合式教學越來越多地被我國高校采用。翻轉(zhuǎn)課堂就是線上線下混合式教學的有效策略和方式，它顛覆了傳統(tǒng)課堂教學中老師講學生聽的模式，是以學生為中心的學習和教學方式的革命[3]。

綜合了上述的教學理論、學習方式和教學方法，以及我們自己提出的CPBL模式，經(jīng)過多年探索，形成了一種3A5S模型落地的教學實踐模式。該模式給出了通過什么樣的“路徑”“教學方式”和“評價方法”去實現(xiàn)3A5S模型中各項“能力目標”，是一種完全“以學生為中心”，圍繞實現(xiàn)“兩性一度”的高階學習和深度學習的創(chuàng)新教學模式。3A5S教學實踐模式見表1所列。

三、基于3A5S模式的大學計算機通識課程的教學實踐

自2015年秋季學期起，我們在南開大學采用3A5S模式，開始了面向全校非計算機專業(yè)大學生的大學計算機通識課程教學改革實踐。全校的計算機公共必修課包括“計算機基礎（理）”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”等。

1.具體方法

關于“能想”，我們?yōu)槊恳婚T課程都建設了MOOC/SPOC課程，采用線上線下混合式教學。關于“能用”，我們發(fā)掘了幾十個計算機與專業(yè)緊密結(jié)合的應用案例[8-9]。學生需要完成老師根據(jù)學生專業(yè)特點選擇的部分案例以及根據(jù)個人興趣選擇的部分案例，最后由老師或助教進行面對面檢查。關于“能創(chuàng)新性解決問題”，我們采用的是在教師或助教指導下的CPBL學習方式，最終通過提交研究成果、科技論文并進行成果展示完成的。

我們針對教學中的每一個知識點和能力目標進行基于BOPPPS的教學設計[10]，圖2所示的教學流程包括問題導入（Bridge-in）、學習目標（Objective/Outcome）、前測（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory Learning）、后測（Post-assessment）和總結(jié)（Summary）六個教學環(huán)節(jié)。在具體實施上，主要包括如下環(huán)節(jié)：① 課前利用SPOC進行在線學習;② 課上進行在線自主學習效果測試、教師重點難點講解、學生基于問題的翻轉(zhuǎn)課堂;③ 學生在實踐課上進行上機實踐（包括程序設計練習、案例練習）;④ 課后完成章節(jié)測試、小組問題求解等內(nèi)容;⑤ 教師對課程內(nèi)容、案例復現(xiàn)和項目求解情況進行總結(jié)和評價。

2.教學成效

（1）目標達成度的分析

課程采用了多維度形成性考核方法來評價目標達成情況。表2是各過程評價及其與表1相對應的育人目標。

我們對課程育人目標的達成度定義如下：

其中：

Oi為目標i的達成度，i=1，2，3;

ωij為目標i第j個評價環(huán)節(jié)的權(quán)重，其值經(jīng)過專家和全體教師打分得出;

SASij為全體學生在目標i第j個評價環(huán)節(jié)的平均分;

TSij為目標i第j個評價環(huán)節(jié)的總分。

使用上述公式計算每學期學生課程目標達成度，計算結(jié)果均在83%～85%之間，這說明課程較好地實現(xiàn)了預期的育人目標。

（2）問卷調(diào)查

為了進一步了解學生對課程目標達成情況的直觀感受，我們對課程育人效果進行了問卷調(diào)查。問卷采用常用的李克特5點自評形式，受訪者可從1分（代表“完全不同意”）到5分（代表“完全同意”）進行計分作答，其中也包含一道反向計分題目。數(shù)據(jù)處理采用SPSS23.0。

首先對2019年秋季選修了“計算機基礎（理）”的兩個班級的233名學生發(fā)放問卷進行了初測，得到克隆巴赫系數(shù)α=0.747（>0.7），說明初測問卷具有較好的信度。取樣適當性KMO=0.718（>0.5），且Bartletts球形檢驗顯著性p=0.000（<0.05），說明初測問卷具有合理的結(jié)構(gòu)效度。經(jīng)過初測后，通過問卷星向2019年秋季選修了“計算機基礎（理）”課程的1440名大一新生進行了問卷調(diào)查，問卷題目與初測問卷完全一致，采用完全匿名、自愿參加的方式，最終收回有效問卷753份，問卷數(shù)據(jù)的檢驗結(jié)果見表3。正式發(fā)放的問卷數(shù)據(jù)克隆巴赫系數(shù)α=0.769（>0.7），說明問卷具有較好的信度。取樣適當性KMO=0.751（>0.5），且Bartletts球形檢驗顯著性p=0.000（<0.05），說明問卷具有合理的結(jié)構(gòu)效度。

① 關于3A的目標達成情況

問卷題目：通過課程的學習，和高中相比，確實使我在“能想”“能用”和“能創(chuàng)新性解決問題”等能力方面有明顯提高。

問卷結(jié)果：57.3%的學生認為在3A方面有明顯提高，35.7%的學生認為在3A方面有所提高，只有6.2%的學生認為在3A方面沒有明顯提高。因此，約有93.8%的學生有不同程度的提高。

② 關于5S的目標達成情況

問卷題目：通過課程采用的研究性學習方法，使我基本了解了科學研究的基本過程和方法，對我未來解決學業(yè)和生活中的問題會有很大幫助。

問卷結(jié)果：58.3%的學生認為在“五會”方面有明顯提高，35.1%的學生認為在“五會”方面有所提高，只有6.7%的學生認為在“五會”方面沒有明顯提高。因此，約有93.3%的學生有不同程度的提高。

參考文獻：

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[8]趙宏，王愷. 大學計算機案例實驗教程——緊密結(jié)合學科需要[M].北京：高等教育出版社，2015.

[9]趙宏. 大學計算機應用經(jīng)典案例[M].北京：高等教育出版社，2020.

[10]曹丹平，印興耀. 加拿大BOPPPS教學模式及其對高等教育改革的啟示[J]. 實驗室研究與探索，2016（2）：196-200，249.

[本文得到了天津市普通高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革研究計劃項目（B201005507）以及教育部2020年產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（202002021004、202002030008）的支持]

[責任編輯：余大品]