新工科背景下“計算機與智能基礎”課程體系構(gòu)建

石陸魁，劉靖宇，史巧碩

（河北工業(yè)大學 人工智能與數(shù)據(jù)科學學院，天津 300401）

引言

新工科是當前教育領域關注的重點，是新時代教育改革和發(fā)展的主要方向，教育部關于印發(fā)《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》的通知中明確指出積極開展新工科研究與實踐，重視人工智能與計算機、控制、數(shù)學、統(tǒng)計學、物理學、生物學、心理學、社會學、法學等學科專業(yè)教育的交叉融合，探索“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式。大學計算機基礎教學承擔著面向非計算機類專業(yè)學生計算機知識、能力和素質(zhì)的培養(yǎng)任務，在新工科建設中起著不可替代的重要作用。大學計算機基礎教學是面向全體大學生提供計算機知識、能力、素質(zhì)方面教育的公共基礎課程，是高等學校通識教育的重要組成部分，主要任務是培養(yǎng)大學生的計算思維能力和計算問題求解能力。目前，國內(nèi)多數(shù)高校開設的面向非計算機專業(yè)的計算機通識教育課程主要包括“大學計算思維”課程和“計算機程序設計”課程?！按髮W計算思維”共20學時，主要教學內(nèi)容包括計算思維部分和計算機基本操作部分。計算思維部分包括信息編碼知識、網(wǎng)絡及網(wǎng)絡新技術(shù)初步、人工智能初步、計算思維初步等內(nèi)容，這部分內(nèi)容在理論教學環(huán)節(jié)完成；計算機基本操作部分包括操作系統(tǒng)、文字處理、數(shù)據(jù)處理、演示文稿、網(wǎng)絡操作，這部分內(nèi)容通過學生自學，教師在上機實踐環(huán)節(jié)測驗、輔導完成。課程內(nèi)容與教學學時嚴重不匹配，導致各部分內(nèi)容講授不夠深入，對新工科專業(yè)建設支撐力度不夠。程序設計基礎課程定位高度和課程深度上不夠，未能很好地將程序設計方法與專業(yè)問題求解結(jié)合起來，課程定位與專業(yè)需求不匹配，尤其是在當前新工科的背景下，僅僅強調(diào)編程能力的培養(yǎng)已經(jīng)無法適應本科教育發(fā)展的需要，也無法滿足各個專業(yè)培養(yǎng)復合型人才的需要。

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)的快速發(fā)展，第四次工業(yè)革命浪潮的到來，對工程教育提出了新的挑戰(zhàn)，利用信息技術(shù)對傳統(tǒng)工科專業(yè)進行提升改造是新工科建設的重要抓手。然而，對于當前的大學計算機基礎教育課程體系，一方面，存在著各學科對計算機相關技術(shù)的需求與大學計算機課程教學效果不佳的矛盾，另一方面，新工科背景下對計算機通識課提出了更高的要求。同時，隨著高等教育教學改革的不斷深入，也對大學計算機基礎教育提出新要求。因此，在構(gòu)建新的計算機通識教育課課程體系中，必須考慮如何支撐新工科建設，必須解決各學科對計算機相關技術(shù)的需求與大學計算機課程教學效果不佳的矛盾，滿足各學科對計算機相關技術(shù)的個性化需求，提高大學計算機基礎課程的高階性和創(chuàng)新性，增加課程的挑戰(zhàn)度。同時，在構(gòu)建新的課程體系時，必須考慮與人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)相結(jié)合，形成“計算機與智能基礎”課程體系，以適應國家對“人工智能+X”的人才培養(yǎng)模式的要求。

一、制定原則

在“計算機與智能基礎”課程體系構(gòu)建中，以滿足國家關于建設新工科的要求為抓手，以培養(yǎng)“人工智能+”復合型人才的需要為目標，結(jié)合工程教育專業(yè)認證的要求，按照OBE理念，以學生為中心，按照模塊化、訂單式的思路構(gòu)建“計算機與智能基礎”課程體系，為各專業(yè)注智賦能。在制定方案時主要遵循以下原則。

1.分層遞進支撐新工科專業(yè)建設。在新的“計算機與智能基礎”通識教育課課程體系中明確各門課程在人才培養(yǎng)中的定位，不同課程從不同層次遞進式支撐新工科專業(yè)建設。

2.課程模塊化，專業(yè)定制化。為了滿足不同專業(yè)對信息技術(shù)的不同需求，對課程進行模塊化建設，每門課程都設置不同的課程模塊，不同專業(yè)根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標進行模塊化定制。

3.緊跟前沿，充分利用校企合作平臺。緊密跟蹤計算機、人工智能、信息技術(shù)前沿，大力加強校企合作，充分利用企業(yè)平臺進行課程建設。

二、課程體系總體架構(gòu)

在制定“計算機與智能基礎”課程體系過程中，依據(jù)建設新工科的要求和培養(yǎng)“人工智能+”復合型人才的需要，結(jié)合我校實際，按照課程模塊化、專業(yè)定制化的思路，調(diào)整和優(yōu)化現(xiàn)有教學內(nèi)容，進行知識擴展，制定了“計算機與智能基礎”課程體系，該課程體系主要包括2門通識教育基礎課、6門通識教育任選課?！坝嬎銠C與智能基礎”課程體系見表1。

表1 本科“計算機與智能基礎”課程體系

在新的課程體系中，“計算思維與程序設計基礎”是面向所有專業(yè)開設的通識教育基礎課，主要以Python為主講授程序設計基礎，并通過程序設計基礎的學習培養(yǎng)學生的計算思維和問題求解能力。人工智能應用與開發(fā)/C++也稱為高級程序設計，包括兩門課程：“人工智能應用與開發(fā)”和“C++”，“人工智能應用與開發(fā)”主要面向文科、理科、非機械電類專業(yè)開設，在計算思維與程序設計基礎課程基礎上，結(jié)合Python講授人工智能基礎和相關開發(fā)技術(shù)，培養(yǎng)學生的智能素養(yǎng)和運用智能技術(shù)解決工程問題的能力；“C++”主要面向機械類和電類專業(yè)，培養(yǎng)學生利用信息技術(shù)解決工程問題的能力。6門通識教育任選課程采用訓練營模式，利用華為在線教學平臺，采用集中線下授課+實驗教學模式?！皵?shù)據(jù)挖掘技術(shù)與應用”和“機器學習技術(shù)”僅適用于第二學期開設“C++”的專業(yè)，其余通識教育任選課程適用于全校所有本科生專業(yè)。這些課程主要培養(yǎng)學生運用智能技術(shù)解決本專業(yè)領域工程問題的能力，同時培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

三、課程體系對新工科專業(yè)的支撐作用

“計算機與智能基礎”課程體系涵蓋了計算思維、程序設計、大數(shù)據(jù)和人工智能的基本知識和應用技術(shù)，培養(yǎng)學生程序設計、數(shù)據(jù)分析、機器學習建模、深度學習建模的能力，促進大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”和人工智能對新工科專業(yè)及其他專業(yè)的賦能，為各個專業(yè)培養(yǎng)復合型人才提供了課程體系上的支撐。新的課程體系對新工科專業(yè)及其他專業(yè)的支撐如圖1。

圖1 課程體系對新工科專業(yè)及其他專業(yè)的支撐作用

依據(jù)參考文獻［2］的思想，該課程體系對新工科專業(yè)、理科專業(yè)及文科專業(yè)的支撐從下到上也分為四層，計算思維與問題求解能力和智能素養(yǎng)的培養(yǎng)逐層提升。最底層是計算思維與程序設計基礎，通過講授Python基礎培養(yǎng)學生的計算化表達、初步問題求解和程序設計基礎能力；第二層是人工智能應用與開發(fā)/C++，也稱為高級程序設計，銜接“計算思維與程序設計基礎”課程，把計算思維能力具體到計算問題求解能力，開展以算法和智能基礎為代表的計算能力訓練和智能素養(yǎng)的培養(yǎng)，培養(yǎng)學生利用計算機程序和智能技術(shù)求解本專業(yè)領域基礎問題的能力，以支撐各專業(yè)學生對后續(xù)專業(yè)課程的學習；第三層開設人工智能及機器學習相關課程，并根據(jù)各專業(yè)特點選擇不同課程模塊，培養(yǎng)學生利用計算機和智能技術(shù)求解本專業(yè)領域復雜工程問題的能力，使得計算思維能力和智能素養(yǎng)對各專業(yè)的教學和學習提供有力支撐；第四層提供與人工智能相關的創(chuàng)新實踐類課程，包括“HCIA-AI華為人工智能技術(shù)基礎”和“HCIA-AI EI Developer華為企業(yè)智能技術(shù)開發(fā)與應用”，結(jié)合各專業(yè)實際問題，利用華為AI平臺完成，學生完成本課程后可報名華為認證考試，進一步提升學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

四、基于個性化和案例式的“線上線下”混合式教學實施

新工科專業(yè)對計算機相關技術(shù)的需求提出了更高的要求，這就需要大學計算機課程增加難度，即提高課程的“高階性”和“創(chuàng)新性”，增加課程的“挑戰(zhàn)度”。為了在滿足個性化需求的同時，提高課程的“兩性一度”，進而提高課程質(zhì)量。將結(jié)合個性化和案例教學，采用“線上線下”混合的方式，一方面結(jié)合個性化需求通過充分利用線上資源增加課程容量，另一面通過案例增加課程的挑戰(zhàn)度。具體來說，將根據(jù)課程不同教學內(nèi)容，分別采用線上教學、線下教學和線上線下相結(jié)合三種教學方式。

1.通過課前、課中、課后一體化，提高教學效果。課前：通過在線資源預習，并通過相關考核；課中：講授重點和難點，配以適當?shù)臏y試，考核課堂學習效果；課后：完成作業(yè)、測試，考核課程內(nèi)容掌握情況；最后通過擴展學習和案例提高對所學知識的運用能力。

2.采用彈性線上教學與基于案例考核的個性化教學。由于學生的基礎不同，需求也不同，為了滿足學時的個性化需求，線上教學采用彈性學時，線上教學設置學時范圍，學生根據(jù)自己的實際情況利用線上資源進行學習，要求達到最小學時數(shù)，最后通過案例考核線上教學效果。例如“計算思維與程序設計基礎”中“計算思維”部分教學內(nèi)容、“高級程序設計”中“人工智能”部分教學內(nèi)容，充分利用現(xiàn)有課程資源，通過“學生自學+案例考核”方式完成。同時，為了滿足部分學生更高的需求，通過擴展案例增加難度，擴展課程的廣度。通過彈性線上教學和擴展案例一方面增加了課程的容量，另一方面在增加課程挑戰(zhàn)度的同時增加了課程的廣度。

3.采用基于案例的探究式教學和學習。對于“計算思維與程序設計基礎”中“程序設計基礎”部分教學內(nèi)容、“高級程序設計”中“高階程序設計”部分教學內(nèi)容采用線下教學方式。同時，與華為“人工智能課程”模塊相結(jié)合，以項目驅(qū)動教學，利用華為線上教學平臺，采用線上教學與教師線下輔導的混合式教學模式。在教學中，學生需要完成相應的案例和項目，在完成案例和項目的過程中，學生需要經(jīng)歷查閱資料、設計方案、實現(xiàn)、測試等過程，通過這一過程來培養(yǎng)學生研究性學習的能力，達到課程“兩性一度”目標。