新工科背景下地方本科院校計算機(jī)通識教育的探索研究

李艷玲，張劍妹，王文溥

(長治學(xué)院 計算機(jī)系，山西 長治，046011 )

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教育在高校通識教育背景中對非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的思維能力培養(yǎng)起著舉足輕重的作用。學(xué)生通過對大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，不僅可認(rèn)識以計算機(jī)為核心的信息技術(shù)在信息化社會中的地位和作用，更重要的是能夠培養(yǎng)其信息素養(yǎng)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是當(dāng)下高等院校的核心任務(wù)。在此背景下新工科教育改革方向得以形成，并先后形成了“復(fù)旦共識、天大行動和北京指南”。2018 年教育部提出大力發(fā)展“新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科”的四新戰(zhàn)略布局。如何應(yīng)對新科技革命的挑戰(zhàn)是擺在相關(guān)學(xué)科教學(xué)面前的難題。新工科的內(nèi)涵是“培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才”，而新形勢下大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，對培養(yǎng)具有可持續(xù)競爭力的“創(chuàng)新型卓越工程人才”顯得尤為重要。新工科要求地方應(yīng)用型本科院校要對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮支撐作用，充分利用地方資源，發(fā)揮自身優(yōu)勢，深化產(chǎn)教融合、校企合作、協(xié)同育人，增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)大批具有較強(qiáng)行業(yè)背景知識、工程實(shí)踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展需求的應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才[1]。因此，地方應(yīng)用型本科院校如何切實(shí)有效地進(jìn)行大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，以適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)的需要是目前亟待解決的問題。

20 世紀(jì)70 年代末，國內(nèi)高等院校面向各專業(yè)大學(xué)生開展計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)。隨著計算機(jī)的普及和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人類進(jìn)入信息化社會，整個社會對于計算機(jī)的依賴程度越來越高，高校計算機(jī)教育也變得越來越重要。1997 年教育部高教司頒發(fā)了《加強(qiáng)非計算機(jī)專業(yè)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)工作的幾點(diǎn)意見》,對于促進(jìn)和規(guī)范高校計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)工作發(fā)揮了重要作用。實(shí)踐證明，該課程所包含的知識和技能對于信息化時代的大學(xué)生來說是不可或缺的。使學(xué)生較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)計算機(jī)的操作技能和相關(guān)的科學(xué)理論，提高學(xué)生獲取新知識的能力，提高計算機(jī)文化素質(zhì)，能夠使其適應(yīng)未來工作的需要，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。但這個時期的計算機(jī)基礎(chǔ)課程更多處于掃盲階段，沒有將能力培養(yǎng)的重要地位突顯出來。21世紀(jì)隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及，MOOC 和SPOC 席卷全球，大學(xué)教學(xué)方式發(fā)生了翻天覆地的變化。大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)面臨著巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

1 面向新工科的計算機(jī)基礎(chǔ)課程體系構(gòu)建

1.1 計算機(jī)通識能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)

教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會制訂的《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》提出：大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的“認(rèn)知與理解計算系統(tǒng)和方法，掌握應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)分析解決問題的方法，正確獲取、 評價與使用信息的素養(yǎng)，基于信息技術(shù)手段的交流與持續(xù)學(xué)習(xí)能力”，從教學(xué)層面上提供一個可操作的內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生計算機(jī)通識能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)[2]。而新工科時代的主要特征是智能化和信息化，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)人工智能、智能制造、“互聯(lián)網(wǎng)+制造”、機(jī)器人、云計算與大數(shù)據(jù)等方面的跨學(xué)科、跨專業(yè)的新型人才培養(yǎng)的重要性和緊迫性，對學(xué)生計算機(jī)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用能力提出了更高的要求和目標(biāo)。

根據(jù)新工科教育的新目標(biāo)，結(jié)合《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》，筆者以“通過計算機(jī)基礎(chǔ)知識，建立計算機(jī)科學(xué)與機(jī)器計算的思維方式，具有面向算法計算的思維能力；通過現(xiàn)代軟件的運(yùn)行模式，建立面向問題的思維理念，具有在現(xiàn)代計算機(jī)環(huán)境下解決復(fù)雜問題的能力；掌握面向解決系統(tǒng)性問題的方案設(shè)計與實(shí)踐方法，初步具備新工科理念解決系統(tǒng)性、綜合性問題的能力”等三個方面為教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)通識能力[3-5]。

1.2 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程體系

21 世紀(jì)，大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)通過構(gòu)建“能力體系-知識體系-課程體系”，擴(kuò)展了計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的廣度與深度。課程體系建立于知識體系和能力體系基礎(chǔ)之上，基于此，按照“1+X+Y”的結(jié)構(gòu)設(shè)置大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的體系基本框架，如圖1 所示。該體系結(jié)構(gòu)中，“1”為計算機(jī)文化基礎(chǔ)，主要講授計算機(jī)基礎(chǔ)知識和基本技能。“X”指的是x 門拓展課程，“Y”指的是一組深度運(yùn)用信息技術(shù)的程序設(shè)計課程。

圖1 “1+X +Y”課程體系結(jié)構(gòu)

x 門拓展課程旨在補(bǔ)充各專業(yè)因?qū)W時所限而無法涉及的內(nèi)容及計算機(jī)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，拓寬和加深課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容。y 門深度運(yùn)用信息技術(shù)的程序設(shè)計課程面向復(fù)合要人才的培養(yǎng)，注重培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)技能解決實(shí)際應(yīng)用問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)能力。根據(jù)不同的專業(yè)需求，可以在原有的課程體系中增加拓展性內(nèi)容。按照上述基本框架，通過入學(xué)測試及發(fā)放調(diào)查問卷，了解學(xué)生需求，開展分類分層多樣化教學(xué)[10]。

根據(jù)我校實(shí)際情況，將非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生主要分為三類：理工類、文科類和藝術(shù)類。理工類學(xué)科學(xué)生邏輯性強(qiáng)，注重規(guī)則，態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，具有良好的邏輯推理能力。因此講授內(nèi)容側(cè)重于程序設(shè)計、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等，培養(yǎng)具備程序設(shè)計能力的創(chuàng)新人才。文科類學(xué)生綜合素質(zhì)高，富有創(chuàng)新進(jìn)取精神。講授則偏重于信息檢索等知識，注重培養(yǎng)學(xué)生敏銳的信息意識和計算思維。藝術(shù)類專業(yè)包括音樂、體育、美術(shù)和學(xué)前教育。這類學(xué)生的整體文化基礎(chǔ)水平較弱，但是思想活躍，有較強(qiáng)的賞析能力。所以從傳統(tǒng)側(cè)重知識的傳授轉(zhuǎn)向注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，采用項(xiàng)目驅(qū)動方式強(qiáng)化軟件應(yīng)用能力的形成，培養(yǎng)其作品欣賞與設(shè)計能力。

1.3 課程實(shí)施

1.3.1 理論教學(xué)

根據(jù)教指委的教學(xué)基本要求，大學(xué)計算機(jī)教學(xué)包含3 個領(lǐng)域，即系統(tǒng)平臺與計算環(huán)境、算法基礎(chǔ)與程序開發(fā)、數(shù)據(jù)管理與信息處理。每個領(lǐng)域又包含若干子領(lǐng)域，可根據(jù)分類分層次的需求及學(xué)生的掌握水平調(diào)整內(nèi)容，設(shè)計適合本校不同專業(yè)學(xué)生的教學(xué)方案。

基于網(wǎng)絡(luò)合作學(xué)習(xí)理論對原有教學(xué)內(nèi)容重新整合并梳理排序，從而使整合后的知識模塊能夠與網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)平臺較好地結(jié)合在一起。通過在線學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)，進(jìn)一步加深和完善教學(xué)內(nèi)容。在線學(xué)習(xí)的各模塊知識要點(diǎn)相對獨(dú)立，便于實(shí)現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)。采用翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行教學(xué)，以此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1.3.2 實(shí)踐教學(xué)

大學(xué)計算機(jī)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)解決實(shí)際應(yīng)用的能力。關(guān)于實(shí)驗(yàn)步驟的講解，以往只能通過老師的語言描述，其中涉及到的理論、算法等內(nèi)容非常抽象、不易理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將枯燥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化，用直觀的動畫演示幫助學(xué)生理解復(fù)雜的概念及原理，打破過去“老師講，學(xué)生聽”的單一局面，提升學(xué)生身臨其境的參與感。為提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力及創(chuàng)新實(shí)踐能力，筆者自主研發(fā)了進(jìn)程調(diào)度的模擬實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生計算機(jī)能力的提升提供強(qiáng)有力的保障，如圖2 所示。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生的工程實(shí)踐能力。該實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)例演示激發(fā)學(xué)生主動思考，配合幫助文檔引導(dǎo)，在相對輕松的氛圍中幫助學(xué)生理解程序與進(jìn)程的關(guān)系。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果圖

以學(xué)生素質(zhì)和能力的培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，采用“進(jìn)階式”教學(xué)，分層設(shè)計實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)按層次劃分為基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要用于鞏固課內(nèi)知識點(diǎn)，以便老師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實(shí)際動手操作能力。課外學(xué)生還可以通過小組合作形式設(shè)計綜合型實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步綜合應(yīng)用所學(xué)知識點(diǎn)。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)則針對有余力的學(xué)生，重點(diǎn)培養(yǎng)其創(chuàng)新性思維。

1.3.3 思維能力培養(yǎng)

計算思維能力可通過熟練掌握計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念而提高?！洞髮W(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》中總結(jié)凝練了大學(xué)計算機(jī)教學(xué)涉及的42個主要核心概念，并將其劃分為基于8 個類別的計算思維表達(dá)體系，即計算、抽象、自動化、設(shè)計、評估、通信、協(xié)調(diào)和記憶，每個知識模塊需關(guān)注相應(yīng)核心概念的計算思維培養(yǎng)，在課程中滲透計算思維的思想[11]。如程序設(shè)計課程體現(xiàn)了諸多計算思維的核心思想，這些思想和方法有助于學(xué)生理解計算的本質(zhì)和計算機(jī)求解問題的基本思想。因此掌握計算機(jī)分析問題和解決問題的思想方法，并創(chuàng)新性地用于其他應(yīng)用問題的求解，特別是學(xué)生感興趣的實(shí)際問題，加以適度引導(dǎo)從而作為創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，可以激勵學(xué)生創(chuàng)新意識，提升計算思維能力。

在此過程中同時關(guān)注課程和思政的結(jié)合，豐富課程內(nèi)容，如振興中國芯片、發(fā)展5G 技術(shù)等，鼓勵學(xué)生為中國夢奮發(fā)圖強(qiáng)，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷[12]。

2 多元化交互式教學(xué)模式

隨著教育信息化2.0 時代的到來，多元化和網(wǎng)絡(luò)化模式正日益取代傳統(tǒng)的單一化教學(xué)。多元互動使教師和學(xué)生的身份發(fā)生了本質(zhì)的變化，學(xué)生和教師不再只是教與學(xué)的關(guān)系，而是在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的多元化互動格局。因此有必要以上述課程體系基本框架為依據(jù)，建立多元交互的學(xué)習(xí)模式[13]。

教師將課程內(nèi)容劃分成若干模塊，基于MOOC 平臺制作線上課程，打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)的局限，提升教育教學(xué)質(zhì)量。整個教學(xué)分為課前、課中和課后三個部分，如圖3 所示。

圖3 “多元交互學(xué)習(xí)”教學(xué)模式

課前教師發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生利用碎片時間選取模塊線上聽課。在此過程中，學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)按需學(xué)習(xí)，對于不熟悉的內(nèi)容可以反復(fù)學(xué)習(xí)。這部分基礎(chǔ)知識以自學(xué)為主，課上不再重復(fù)講解。課中，教師作為引導(dǎo)者，以翻轉(zhuǎn)課堂的方式進(jìn)行答疑解惑。由于學(xué)生已提前預(yù)習(xí)，所以一定是帶著問題聽課的，由此可以提高課堂上對這些知識點(diǎn)的掌握程度。教師可以采用小組討論、項(xiàng)目探究等多種方式增強(qiáng)師生、生生間的互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課后通過設(shè)計作品、互評、線上測試等方式形成考核機(jī)制，有利于學(xué)生總結(jié)反思，從而達(dá)到知識升華的目的。在此過程中，線上平臺會記錄每位學(xué)生的學(xué)習(xí)痕跡，所有學(xué)習(xí)過程均可以被統(tǒng)計，為教學(xué)跟蹤與反饋提供依據(jù)，促使學(xué)生按設(shè)定的目標(biāo)主動學(xué)習(xí)。

結(jié)語

新工科建設(shè)背景下，大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)如何改革是一個重要的議題。計算機(jī)基礎(chǔ)課程的實(shí)踐性和應(yīng)用性特點(diǎn)決定了其在專業(yè)建設(shè)、學(xué)科建設(shè)中必然發(fā)揮重要的作用。未來教育對課程目標(biāo)、課程定位、內(nèi)容設(shè)計均提出了新的要求。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能的發(fā)展改變了傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境，極大地影響了我們的學(xué)習(xí)和思維方式[14]。只有確立分類課程體系與交流互動的教學(xué)模式，才能實(shí)現(xiàn)學(xué)生全面、多樣化、個性化的發(fā)展，才能體現(xiàn)以學(xué)生中心，注重能力培養(yǎng)的教學(xué)理念，才能有效提升課程的高階性和創(chuàng)新性。