面向新工科的創(chuàng)新編程教育方法研究

楊靜，劉庭卿

（1.貴州大學(xué) 省部共建公共大數(shù)據(jù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；3.貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，現(xiàn)今已經(jīng)變成了電子信息的時(shí)代，人工智能、機(jī)器人、云計(jì)算和區(qū)塊鏈等技術(shù)迅速崛起，工業(yè)產(chǎn)業(yè)正面臨著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型及數(shù)字科技人力資源短缺的雙重挑戰(zhàn)[1]。在電子信息產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下，社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件和軟件的各種需求在不斷增加，而計(jì)算機(jī)編程教育是計(jì)算機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)和規(guī)范。高校創(chuàng)新型編程人才培養(yǎng)出現(xiàn)一些問(wèn)題，如培養(yǎng)模式不夠先進(jìn)、實(shí)踐機(jī)會(huì)少、解決實(shí)際問(wèn)題能力弱以及整體創(chuàng)新能力不足。面對(duì)這樣的狀況，需要高校和政府相關(guān)部門(mén)進(jìn)行有效的教學(xué)優(yōu)化，針對(duì)計(jì)算機(jī)未來(lái)行業(yè)的發(fā)展要求，為進(jìn)行更好的軟硬件設(shè)計(jì)提供資源和技術(shù)支持。而目前新工科編程教育的最大問(wèn)題在于教學(xué)目標(biāo)是否能夠滿(mǎn)足未來(lái)行業(yè)的發(fā)展需求，新工科下的編程人才培養(yǎng)要求跳出單一學(xué)科的視野，尋求多學(xué)科融合的開(kāi)闊維度，既要有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，又要有豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和前瞻性的科學(xué)視角[2]。計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言種類(lèi)繁多，學(xué)生在繁重的學(xué)習(xí)任務(wù)下也不可能系統(tǒng)地學(xué)習(xí)多種編程語(yǔ)言，而是要把握未來(lái)信息時(shí)代發(fā)展方向的重點(diǎn)，學(xué)習(xí)未來(lái)工作中涉及的必要的編程語(yǔ)言。但編程對(duì)大多數(shù)學(xué)生而言是枯燥乏味的，學(xué)生容易對(duì)編程缺乏興趣。所以，教師不僅要教會(huì)學(xué)生編程，更是要讓他們?cè)谒枷肷险J(rèn)識(shí)到創(chuàng)新性地解決問(wèn)題才是教育的核心。

1 新工科建設(shè)促使編程教育成為重點(diǎn)

新工科是根據(jù)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略提出的代表新工程教育的改革方向[3,4]，新工科建設(shè)的深入發(fā)展，強(qiáng)調(diào)的是應(yīng)用性技能和實(shí)踐性教學(xué)，是為了培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。為了能夠應(yīng)對(duì)新一輪的科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、《中國(guó)制造2025》[5]的實(shí)施，對(duì)新的工程建設(shè)提出了新要求，新工科專(zhuān)業(yè)主要指新興產(chǎn)業(yè)的專(zhuān)業(yè)，以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，包括大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)工科專(zhuān)業(yè)。云計(jì)算、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)為傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)展注入了新鮮血液，這些新技術(shù)不僅需要理論支持，還涉及計(jì)算機(jī)編程的重要知識(shí)。編程教育是多學(xué)科共享和交叉融合的教育，涵蓋科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等，注重知識(shí)的靈活運(yùn)用，比起學(xué)科分離的傳統(tǒng)教育，編程教育更符合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的人才需求，因此，新工科建設(shè)強(qiáng)調(diào)的是實(shí)踐、創(chuàng)新和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。這些在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中具有代表性的新技術(shù)都需要用到計(jì)算機(jī)編程，高校在人才培養(yǎng)過(guò)程也需要高度重視編程教育，編程教育發(fā)展的重點(diǎn)就是應(yīng)用實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、工程思維。2018年，教育部發(fā)布《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》[6]，將“集成電路”“人工智能”等專(zhuān)業(yè)列入我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)學(xué)科專(zhuān)業(yè)，這些專(zhuān)業(yè)多數(shù)與計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)關(guān)系密切，因此，基于新工科的建設(shè)目標(biāo)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵建設(shè)將成為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[7]，尤其是計(jì)算機(jī)編程教育。編程教育是計(jì)算機(jī)類(lèi)學(xué)科中非常重要的專(zhuān)業(yè)課程，甚至貫穿本科學(xué)習(xí)的始終，重視編程教育是提高高校教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)實(shí)踐型人才的根本保障。

2 當(dāng)前編程教育存在的問(wèn)題

2.1 師資隊(duì)伍整體水平有待提高

高水平的師資是學(xué)科建設(shè)的核心，師資水平的高低在一定程度上決定了學(xué)科教育的高度，師資隊(duì)伍質(zhì)量建設(shè)在學(xué)科教育建設(shè)中具有重要的地位和作用。目前，技術(shù)工程類(lèi)教師稀缺，教師的教學(xué)水平、職業(yè)技能水平良莠不齊，缺乏實(shí)踐能力和創(chuàng)新技能，一些教師只能講授專(zhuān)業(yè)技能。編程教育是一項(xiàng)技術(shù)與工程的教育，其中涵蓋的學(xué)科種類(lèi)繁多，而且注重的是實(shí)踐教學(xué)，這對(duì)實(shí)驗(yàn)教師有更高的要求，實(shí)驗(yàn)教師是教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究的組織者和實(shí)施者，開(kāi)展好的實(shí)踐教學(xué)要求實(shí)驗(yàn)教師工作熱情，知識(shí)技能豐富，專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平高，要有科研精神和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)教師的水平直接影響到實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和科研成效[8]。

2.2 教學(xué)方式單一，內(nèi)容缺乏創(chuàng)新

編程教育重視的是知識(shí)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的應(yīng)用實(shí)踐能力，單一地將理論知識(shí)與計(jì)算機(jī)實(shí)踐課程孤立是錯(cuò)誤的做法。當(dāng)前教學(xué)方式基本是采取面授教學(xué)，而教師在課堂上授課時(shí)只滿(mǎn)足把書(shū)本上的知識(shí)講清，單向地灌輸知識(shí)，忽略了知識(shí)的拓展性，使學(xué)生一直處于被動(dòng)接受的學(xué)習(xí)狀態(tài)，這樣無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)的需求，無(wú)法建立完整的知識(shí)體系。尤其是一些編程語(yǔ)言類(lèi)課程，需要與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系一起操作的程序設(shè)計(jì)方法等，無(wú)法用語(yǔ)言和板書(shū)來(lái)講解和描述清楚，使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低落，思維能力受到障礙，在啟發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的觀(guān)察力和想象力方面有一定的局限性[9]。教學(xué)課本內(nèi)容陳舊，不能夠與時(shí)俱進(jìn)，現(xiàn)在IT技術(shù)更新快，課本上的內(nèi)容跟不上社會(huì)的發(fā)展需求，這樣片面的教學(xué)也達(dá)不到新工科編程教育的要求。

2.3 教育思想觀(guān)念有待轉(zhuǎn)變

編程是信息時(shí)代的產(chǎn)物，編程教育包含數(shù)字文化、計(jì)算機(jī)文化、網(wǎng)絡(luò)文化、信息文化等多種元素。但是由于各種文化的差異，編程教育不能生搬硬套其他國(guó)家的教育方式和經(jīng)驗(yàn)，編程不僅僅是一種技術(shù)，更是一種文化的活動(dòng)，它會(huì)受到行為和文化的影響。例如，有些高校是編程語(yǔ)言課程采用外教教授或采用外語(yǔ)課本，這對(duì)學(xué)生而言會(huì)造成極大的學(xué)習(xí)壓力，編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)本身相對(duì)枯燥，采用外語(yǔ)形式教學(xué)更讓學(xué)生難以理解。教育的本質(zhì)是提高人的生命質(zhì)量和生命價(jià)值，編程教育的核心理念是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，身為教育者應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生去思考和正確認(rèn)識(shí)編程，而非一味地解釋知識(shí)點(diǎn)。人工智能和萬(wàn)物互聯(lián)已經(jīng)深入人心，編程語(yǔ)言甚至可以作為人類(lèi)除母語(yǔ)和外語(yǔ)之后的第三語(yǔ)言，教會(huì)學(xué)生編程語(yǔ)言更重要的是賦予學(xué)生在智能時(shí)代應(yīng)有的更深層人機(jī)共處的世界觀(guān)、思維方式、技術(shù)價(jià)值觀(guān)、責(zé)任感等觀(guān)念，引導(dǎo)著編程教育的發(fā)展，編程教育并非只是教會(huì)學(xué)生如何編制程序，而是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新能力，以及認(rèn)識(shí)未來(lái)智能時(shí)代的正確方式[10]。讓學(xué)生不僅要學(xué)會(huì)知識(shí)，更重要的是從技藝到能力的提升，尊重結(jié)果，看重過(guò)程。

3 編程教育的改革探索

3.1 加大政策性支持

國(guó)家自2014年以來(lái)相繼出臺(tái)相關(guān)政策，2016年6月，教育部印發(fā)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》[11]，將信息化教學(xué)能力納入學(xué)校辦學(xué)水平考評(píng)體系，將STEAM教育規(guī)定為基本學(xué)科。2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[12]，將人工智能提升為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。2019年3月，教育部辦公廳印發(fā)《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》[13]。除此之外，浙江、江蘇等省也積極響應(yīng)中央政策，開(kāi)啟了編程教育改革。

3.2 加強(qiáng)新工科編程教育的師資建設(shè)

編程教育內(nèi)容的復(fù)雜性決定了專(zhuān)業(yè)教師需要具備高水平的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。要推動(dòng)新工科的編程教育系統(tǒng)和規(guī)范發(fā)展，需要政府、高校、社會(huì)的共同努力。高校各級(jí)部門(mén)要制定師資人才培養(yǎng)的目標(biāo)，細(xì)化培養(yǎng)過(guò)程，不僅注重教師的專(zhuān)業(yè)能力與實(shí)踐技能，也注重人才的創(chuàng)新意識(shí)、領(lǐng)導(dǎo)能力以及終身學(xué)習(xí)的品質(zhì)[14,15]。面向新工科的編程教育，重點(diǎn)是培養(yǎng)師資隊(duì)伍的實(shí)踐能力和創(chuàng)新品質(zhì)，通過(guò)教學(xué)、科研中的創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)一步推動(dòng)學(xué)生人才培養(yǎng)中各個(gè)過(guò)程的創(chuàng)新，最終提升新工科編程教育的創(chuàng)新建設(shè)能力。讓師資隊(duì)伍整體具備新工科人才培養(yǎng)的創(chuàng)新視野，師資隊(duì)伍在新經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)下開(kāi)展教、學(xué)、研方面的現(xiàn)代教育工程體系能力培養(yǎng)，不斷提升工程實(shí)踐能力和素養(yǎng)，與時(shí)俱進(jìn)，努力成為新工科的工程教授、工程教育骨干。

3.3 教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新

課程建設(shè)是高校教學(xué)建設(shè)的基礎(chǔ)，也是高校建設(shè)的重要內(nèi)容。在新工科背景下，需要有“科教相融、科創(chuàng)相助”的人才培養(yǎng)理念，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)、科學(xué)精神、創(chuàng)新能力、協(xié)作意識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神、組織能力等綜合素質(zhì)[16]。在課堂上，可以采用項(xiàng)目式教學(xué)的方法。例如，在編程語(yǔ)言的課程中，將項(xiàng)目式教學(xué)引入課堂，實(shí)際應(yīng)用和理論知識(shí)相結(jié)合的形式，既能豐富教學(xué)內(nèi)容，又能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得枯燥無(wú)味的編程語(yǔ)言變得有聲有色。多樣式的項(xiàng)目也能讓學(xué)生得到更多的訓(xùn)練，編程本身是一項(xiàng)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐的技術(shù)，針對(duì)不同的項(xiàng)目運(yùn)用不同的方法，能讓學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)充分地應(yīng)用和吸收，更好地理解編程過(guò)程。針對(duì)信息量、知識(shí)點(diǎn)眾多的編程算法教學(xué)，采用項(xiàng)目式的教學(xué)方式，可以將知識(shí)點(diǎn)化繁為簡(jiǎn)，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，項(xiàng)目式的教學(xué)方法還能提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，將編程教育中最重要的實(shí)踐展現(xiàn)得淋漓盡致。以項(xiàng)目為主線(xiàn)穿插在課堂之中，教師對(duì)學(xué)生在收集信息、制定計(jì)劃等流程中積極引導(dǎo)，指出設(shè)計(jì)的計(jì)劃可行性與信息錄入的程度，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)施。在項(xiàng)目式教學(xué)中，注重的不是最終結(jié)果而是完成項(xiàng)目的過(guò)程，學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中，理解和把握課程要求的知識(shí)，體驗(yàn)項(xiàng)目制定與完成的樂(lè)趣[17]，達(dá)到培養(yǎng)分析與解決問(wèn)題的思維與方法的目的。

3.4 基于開(kāi)源平臺(tái)的學(xué)生創(chuàng)新性能力培養(yǎng)的“新”編程教學(xué)模式

通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生建立開(kāi)源理念，學(xué)習(xí)開(kāi)源方法，掌握開(kāi)源工具，理解開(kāi)源生態(tài)；建立產(chǎn)學(xué)研協(xié)作、開(kāi)源為中心的信息學(xué)科實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生能夠在實(shí)踐環(huán)節(jié)接觸開(kāi)源、使用開(kāi)源、分析開(kāi)源、參與開(kāi)源；利用學(xué)校的相關(guān)課程鼓勵(lì)學(xué)生參與開(kāi)源軟件研發(fā)。

同時(shí)，通過(guò)信息學(xué)科開(kāi)源平臺(tái)，如Github開(kāi)源平臺(tái)，教會(huì)學(xué)生對(duì)所有在本平臺(tái)上發(fā)布的編程知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，同時(shí)，設(shè)計(jì)者可將在該平臺(tái)上發(fā)布的數(shù)據(jù)分享經(jīng)驗(yàn)、糾正錯(cuò)誤、改正不足。該平臺(tái)上的數(shù)據(jù)供登錄該平臺(tái)的所有使用者大面積使用，克服時(shí)間、空間限制，提高學(xué)生上課的積極性，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)相關(guān)編程原理知識(shí)的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

通過(guò)基于開(kāi)源平臺(tái)和校企合作模式的“反饋式”推進(jìn)教育教學(xué)創(chuàng)新性能力培養(yǎng)模式的研究，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，減輕教師教學(xué)的負(fù)擔(dān)，提高課堂教學(xué)的質(zhì)量和效率，如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

新工科是高級(jí)工程教育改革的指導(dǎo)思想，為工科教育指明了方向，與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)。在人工智能和萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，搞好新工科的編程教育建設(shè)能夠拓展未來(lái)科學(xué)技術(shù)，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供有力保障。因此，積極推動(dòng)新工科編程教育，能夠快速適應(yīng)以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，能夠更好地培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力高的高水平人才，能夠?yàn)殡娮有畔⑦@場(chǎng)攻堅(jiān)戰(zhàn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。