與專業(yè)融合的大學(xué)計算機(jī)實驗教學(xué)改革與實踐

劉鍇　藍(lán)集明　吳亞東　成新文　廖婉婷

［摘 要］針對大學(xué)計算機(jī)課程實驗教學(xué)內(nèi)容與高校特色專業(yè)結(jié)合度不夠、針對性不強的痛點，文章以四川輕化工大學(xué)的教學(xué)改革與實踐為例，提出了一種基于“向日葵”模型的與專業(yè)融合的實驗教學(xué)方案，并介紹了實驗教學(xué)的內(nèi)容及組織實施情況，展示了專業(yè)融合教學(xué)的效果。

［關(guān)鍵詞］大學(xué)計算機(jī)；實驗教學(xué)；賦能教育；OBE理念

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）15-0058-05

當(dāng)今社會，計算機(jī)技術(shù)已融入人們?nèi)粘W(xué)習(xí)、工作、生活的各個領(lǐng)域。擁有獲取信息、處理信息和使用信息的能力，已成為對現(xiàn)代人基本生存能力的要求。各專業(yè)的大學(xué)生都必須適應(yīng)當(dāng)今社會的這一基本要求，除了必須具備計算思維能力，還要能夠使用計算機(jī)解決自己專業(yè)領(lǐng)域的各類復(fù)雜問題。當(dāng)前，國內(nèi)一些高校的大學(xué)計算機(jī)課程面臨的核心問題是，各專業(yè)迫切需要新一代信息技術(shù)賦能專業(yè)建設(shè)，而目前大學(xué)計算機(jī)課程還沒有達(dá)到各專業(yè)期望的“賦能”目標(biāo)。新時代大學(xué)計算機(jī)課程的基本任務(wù)是，融合新一代信息技術(shù)（如物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等），根據(jù)專業(yè)差異化需求，實現(xiàn)目標(biāo)導(dǎo)向的新時代“專業(yè)+計算”的賦能教育[1]，即以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向。

一、課程與校情分析

（一）課程基本情況

大學(xué)計算機(jī)課程是面向非計算機(jī)專業(yè)大一學(xué)生開設(shè)的第一門系統(tǒng)介紹信息技術(shù)的公共基礎(chǔ)必修課程，同時也是許多專業(yè)的學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)計算機(jī)高級語言程序設(shè)計、軟件技術(shù)基礎(chǔ)等課程的前導(dǎo)課程，是一門理論性和實踐性并重的課程。課程內(nèi)容涉及計算機(jī)領(lǐng)域眾多的基本概念、基本原理、基本方法和基本技能，旨在培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生在信息社會正常工作、學(xué)習(xí)和生活應(yīng)該具備的基本素養(yǎng)。

本課程以計算思維為主線貫穿始終[2]，包括理論課和實驗課兩部分。理論課側(cè)重于計算機(jī)理論知識的講解，培養(yǎng)學(xué)生的理論素養(yǎng)；實驗課則側(cè)重于實際的動手操作，培養(yǎng)學(xué)生的操作技能。目前，部分高校，特別是一般本科院校，在大學(xué)計算機(jī)實驗教學(xué)中，主要講授的是辦公自動化軟件的操作，以滿足相關(guān)專業(yè)畢業(yè)論文長文檔的排版、學(xué)術(shù)匯報以及專業(yè)數(shù)據(jù)分析與處理等需求，但普遍存在與專業(yè)結(jié)合不夠的問題，部分教師的教學(xué)只停留在基本的操作上，只介紹軟件本身的功能，缺乏真實、具體的應(yīng)用案例。辦公自動化軟件本身就是一種面向各種應(yīng)用的通用軟件，完全可以與不同專業(yè)的需求相融合。比如其中的電子表格處理工具，不僅可以應(yīng)用于管理、財務(wù)和金融領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于工程分析計算，如解代數(shù)方程、用曲線擬合數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、開展工程經(jīng)濟(jì)分析研究以及求解復(fù)雜的最優(yōu)化問題等[3]。身處大數(shù)據(jù)時代，許多專業(yè)的學(xué)生都面臨著數(shù)據(jù)采集、整理、分析和判斷的任務(wù)，需要從大量數(shù)據(jù)中找出內(nèi)在規(guī)律、預(yù)測發(fā)展趨勢，電子表格處理軟件將是一個非常有用的工具。為此，教師可以在實驗教學(xué)中加大電子表格處理軟件的教學(xué)比重，將其作為本課程與各專業(yè)融合的一個重要切入點。

（二） 學(xué)?；厩闆r

四川輕化工大學(xué)（以下簡稱我校）是一所“三線建設(shè)”時期西遷的本科高校，于1965年響應(yīng)毛主席號召、經(jīng)周總理批示，將原華東化工學(xué)院（現(xiàn)華東理工大學(xué)）的部分保密專業(yè)西遷至四川自貢市，組建華東化工學(xué)院西南分院，對外稱之為“652工程”。我校繼承了“652工程”的“輕工”和“化工”基因，被業(yè)界譽為“中國白酒人才培養(yǎng)的搖籃”。基于我?！敖ㄔO(shè)特色鮮明、優(yōu)勢突出的高水平綜合性大學(xué)”的辦學(xué)定位，以及培養(yǎng)“基礎(chǔ)扎實、具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才”的要求，本課程的總體教學(xué)目標(biāo)定為能夠理解計算學(xué)科的基本知識和方法，初步具備運用計算機(jī)技術(shù)分析解決專業(yè)問題的能力，同時具有一定的計算思維能力和信息素養(yǎng)。

但是，就大學(xué)計算機(jī)實驗課程而言，目前適合我校特色專業(yè)需求、可借鑒的國內(nèi)外相關(guān)教學(xué)內(nèi)容和方法并不多見。隨著我校越來越多的專業(yè)需要進(jìn)行基于OBE（成果導(dǎo)向教育）理念的中國工程教育專業(yè)認(rèn)證，各個專業(yè)的教學(xué)環(huán)節(jié)都需要支撐畢業(yè)要求觀測點，這對大學(xué)計算機(jī)課程提出了新的更高的要求[4]。例如釀酒工程專業(yè)對本課程的要求是掌握釀酒工程專業(yè)及其行業(yè)和領(lǐng)域內(nèi)的常用現(xiàn)代儀器設(shè)備和先進(jìn)的信息技術(shù)工具，能夠選擇、使用和開發(fā)先進(jìn)的技術(shù)和工具對釀酒工程行業(yè)和領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題進(jìn)行預(yù)測、模擬和分析，并能夠理解其局限性[5]。如何將這些要求落實到具體的教學(xué)環(huán)節(jié)中，已成為我校本課程教學(xué)必須面對的一個難題。高等學(xué)校的計算機(jī)基礎(chǔ)教育必須進(jìn)一步同其他各個學(xué)科專業(yè)交叉融合，提高學(xué)生利用信息技術(shù)解決專業(yè)領(lǐng)域問題的能力[6]。

二、基于“向日葵”模型的與專業(yè)融合的大學(xué)計算機(jī)實驗教學(xué)設(shè)計

（一）“向日葵”模型介紹

在本課程的實驗教學(xué)中，教學(xué)團(tuán)隊設(shè)計了基于“向日葵”模型的與專業(yè)融合的框架結(jié)構(gòu)（見圖 1），將各專業(yè)學(xué)生都應(yīng)該學(xué)習(xí)和掌握的大學(xué)計算機(jī)公共基礎(chǔ)內(nèi)容作為模型的主體，在此基礎(chǔ)之上，再針對相關(guān)專業(yè)，特別是特色專業(yè)，精心設(shè)計教學(xué)案例來構(gòu)成“向日葵”模型的花瓣。對于大學(xué)計算機(jī)公共基礎(chǔ)的內(nèi)容，我們采用了虛實結(jié)合、課內(nèi)與課外結(jié)合、線上與線下結(jié)合的方式來完成教學(xué)；而對于“向日葵”模型的花瓣，則根據(jù)各專業(yè)的需求，選取相應(yīng)的典型案例進(jìn)行實驗。我校大學(xué)計算機(jī)實驗教學(xué)的內(nèi)容概要見圖 2。

（二）專業(yè)融合實驗簡介

與相關(guān)專業(yè)融合的綜合實驗主要依托電子表格、金山表單、問卷星和DataEase等隨手可得的一些國產(chǎn)數(shù)據(jù)處理工具來實現(xiàn)。實驗內(nèi)容主要是針對我校一些特色專業(yè)和有代表性的專業(yè)安排的一些典型的應(yīng)用案例。

針對釀酒工程專業(yè)，安排了釀酒數(shù)據(jù)處理與分析綜合實驗。該實驗通過對葡萄酒品嘗評分、葡萄酒質(zhì)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析（見圖 3、圖 4），讓學(xué)生熟練掌握使用電子表格進(jìn)行模擬分析和運算以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、復(fù)雜統(tǒng)計和工程分析的基本技能[7]231-250。

針對經(jīng)濟(jì)學(xué)類專業(yè)，安排了GDP（國內(nèi)生產(chǎn)總值）和EOQ（經(jīng)濟(jì)訂貨批量）數(shù)據(jù)處理與分析的綜合實驗[7]216-230，將網(wǎng)頁數(shù)據(jù)導(dǎo)入、常用函數(shù)、合并計算和三種模擬分析工具（單變量求解、模擬運算表和方案管理器）融入處理2017—2019年國內(nèi)各省GDP數(shù)據(jù)和企業(yè)采購管理人員EOQ的數(shù)據(jù)分析和決策輔助兩個案例中。圖 5為其實驗結(jié)果的截圖。

針對會計學(xué)類專業(yè)，安排了電子表格在會計憑證、會計賬簿、會計報表、會計核算、工資核算、應(yīng)收賬款管理、固定資產(chǎn)管理、財務(wù)管理、財務(wù)分析等方面的實驗。

針對人力資源類專業(yè)，安排了電子表格在績效評估與分析管理、薪酬福利管理、人事信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方面的實驗，以及利用金山統(tǒng)計表單設(shè)計問卷調(diào)查表收集新冠疫情期間健康數(shù)據(jù)的實驗?；陂_源數(shù)據(jù)可視化工具DataEase的實驗等，并鼓勵學(xué)生后續(xù)使用IBM SPSS和Amos等軟件進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析。

針對化工、材料類專業(yè)，由于無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、化工基礎(chǔ)等課程的學(xué)習(xí)會涉及大量的數(shù)據(jù)處理問題，這些問題包括簡單的計算、標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合、實驗曲線的擬合、根據(jù)化學(xué)公式繪制曲線、解數(shù)學(xué)方程等[8]，為此，教學(xué)團(tuán)隊安排了利用電子表格計算液體流動時間段的平均濃度、對醇類物質(zhì)的溫度和飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以及化工管道設(shè)計中單變量規(guī)劃求解、化工最優(yōu)化問題的規(guī)劃求解等實驗。

三、實驗教學(xué)的組織實施情況

（一）教學(xué)進(jìn)度

我校大學(xué)計算機(jī)實驗教學(xué)每周安排一次課內(nèi)實驗，每次課內(nèi)實驗2個學(xué)時，總計課內(nèi)實驗16學(xué)時，其中所有專業(yè)都需要完成的公共基礎(chǔ)實驗占10學(xué)時，各專業(yè)根據(jù)自身特點自行選擇的、與專業(yè)融合的綜合實驗占6學(xué)時。課外實驗由學(xué)生利用平時的碎片化時間自行安排完成。具體的學(xué)時安排見圖2。

（二）教學(xué)方式

我校大學(xué)計算機(jī)實驗教學(xué)采用課內(nèi)與課外、線上和線下相結(jié)合的方式。所有課內(nèi)實驗均采用線下教學(xué)方式。課內(nèi)實驗主要由學(xué)生在實驗課上當(dāng)堂完成，但由于每次實驗的內(nèi)容較多，大多數(shù)學(xué)生無法在課內(nèi)保質(zhì)保量地完成所有任務(wù)，需要課后繼續(xù)完成，即以課內(nèi)與課外相結(jié)合的方式完成。課外實驗中的“字符編碼與信息交換”“一條指令的執(zhí)行過程”和“文件管理與磁盤恢復(fù)”借助了中國大學(xué)MOOC（慕課）平臺上李鳳霞教授的虛擬實驗內(nèi)容，學(xué)生可在線上完成；借助虛擬機(jī)軟件VMware安裝國產(chǎn)操作系統(tǒng)UOS并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置的實驗線下完成。

另外，每位教師在課堂上需指導(dǎo)30～40名學(xué)生的實驗操作，因為時間和精力的關(guān)系，無法保證每位學(xué)生在課堂上都能得到教師悉心的指導(dǎo)。為此，教學(xué)團(tuán)隊為所有實驗內(nèi)容錄制了相應(yīng)的操作演示視頻上傳至MOOC平臺，學(xué)生可以通過掃描教材上的二維碼，隨時隨地從網(wǎng)上獲取實驗指導(dǎo)，從而提高了教學(xué)效果。利用MOOC平臺，教師還可以很方便地發(fā)布一些信息技術(shù)在不同專業(yè)中的應(yīng)用案例、補充實驗內(nèi)容、展開討論等，讓不同專業(yè)的學(xué)生切實感受到信息技術(shù)對自身專業(yè)的重要作用。

四、實驗教學(xué)的效果與改進(jìn)方向

（一）教學(xué)效果

自2006年以來，我校一直在期末考試中采用長沙鴻翔教育科技有限公司開發(fā)的無憂機(jī)考系統(tǒng)。在題庫基本相同并參照全國計算機(jī)二級等級考試Office的難度，即難度系數(shù)也基本相同的情況下，以隨機(jī)抽題的方式生成試卷。近5年來，學(xué)生機(jī)考卷面平均分呈逐年上升趨勢，特別是在2019級開始試點并在2021級正式全面推行與專業(yè)融合的大學(xué)計算機(jī)實驗教學(xué)改革后，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績有了明顯的提高（見圖 6）。為了弄清我校新生在學(xué)習(xí)本門課程前后的真實水平變化，教學(xué)團(tuán)隊曾對2019級剛進(jìn)校的新生進(jìn)行了一次計算機(jī)水平入學(xué)摸底考試。通過比較2019級入學(xué)考試和期末考試的卷面成績分布情況以及分析學(xué)生試卷得分情況可見，學(xué)生在接受了與專業(yè)融合的實驗教學(xué)之后，動手能力、操作水平、綜合應(yīng)用和解決問題的能力有了明顯的提升。更重要的是，本教學(xué)改革確實培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)計算機(jī)知識和專業(yè)知識的興趣，為學(xué)生將來有意識地借助計算機(jī)工具解決自身專業(yè)領(lǐng)域的問題打下了堅實的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了為學(xué)生專業(yè)賦能的目標(biāo)。尤其是近年來，很多學(xué)生開始在國家級的各類信息大賽中嶄露頭角，獲得各種等級的獎項。本課程也被四川省教育廳認(rèn)定為2022年省級一流線上線下混合式本科課程和2020年高等學(xué)校首批省級“課程思政”示范課程，并獲得了各級各類教改項目的支持。

（二）改進(jìn)方向

由于本課程面向的是剛?cè)胄５男律?，他們剛剛開始學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程，還沒有掌握專業(yè)課程的知識，因此在本課程中講授專業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的計算并不現(xiàn)實。為此，在這個階段只能在實驗教學(xué)中適當(dāng)引入一些與專業(yè)相關(guān)而又不需要過多專業(yè)知識的簡單案例，以培養(yǎng)學(xué)生興趣，讓學(xué)生感受到計算機(jī)與其專業(yè)學(xué)習(xí)的相關(guān)性，從而重視本課程的學(xué)習(xí)。待學(xué)生在高年級學(xué)習(xí)了相關(guān)專業(yè)知識后，再開設(shè)計算機(jī)在材料科學(xué)與工程中的應(yīng)用、計算機(jī)在化學(xué)化工中的應(yīng)用、計算機(jī)在食品工程中的應(yīng)用、電子表格在會計和財務(wù)中的應(yīng)用之類的課程供各專業(yè)學(xué)生選修，最終實現(xiàn)計算機(jī)與專業(yè)深度交叉融合的目標(biāo)。

可見，要想在一門課程中完全實現(xiàn)計算機(jī)與專業(yè)的深度融合是不可能的，需要構(gòu)建一個科學(xué)合理的大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程體系。教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會編制的《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》為大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程體系的構(gòu)建指明了改進(jìn)方向。在《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》中，考慮到各專業(yè)應(yīng)用計算機(jī)的特點、差異和學(xué)時限制，提出了“1+Ｘ”的課程方案，即１門大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)（必修）加上幾門重點課程（必修或選修）；針對文科類專業(yè)計算機(jī)應(yīng)用的特點，又提出了“１+Ｘ+Ｙ”的課程體系方案，“１”為計算機(jī)公共基礎(chǔ)課程（大公共課程），“Ｘ”為面向不同文科專業(yè)類別的專業(yè)基礎(chǔ)課程（小公共課程），“Ｙ”為具有計算機(jī)背景的專業(yè)課程；還提出了構(gòu)建“寬專融”的課程體系[9]。

五、結(jié)語

為了更好地對非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行信息技術(shù)賦能，教學(xué)團(tuán)隊對大學(xué)計算機(jī)實驗教學(xué)進(jìn)行了大力改革，探索了與特色專業(yè)和代表性專業(yè)相融合的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計了相關(guān)教學(xué)案例。本教學(xué)改革取得了很好的效果，為后續(xù)“專業(yè)+計算”的課程奠定了堅實的基礎(chǔ)。展望未來，教學(xué)團(tuán)隊還將在此基礎(chǔ)之上調(diào)研更多專業(yè)對信息技術(shù)的需求，設(shè)計出更多的專業(yè)融合計算機(jī)實驗教學(xué)案例，進(jìn)一步完善與專業(yè)融合的“向日葵”模型，讓信息技術(shù)為專業(yè)賦能，讓大學(xué)計算機(jī)課程煥發(fā)出新的活力。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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[2］ 藍(lán)集明，吳亞東. 大學(xué)計算機(jī)[M].北京：高等教育出版社，2020.

[3] 戈特弗里德. Excel 2016常見工程應(yīng)用：第4版[M].張鼎，譯. 北京：清華大學(xué)出版社，2020：1-9.

[4］ 陳道群，周向陽，彭文藝，等.基于OBE的計算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)改革[J].大學(xué)教育， 2022（2）：119-121.

[5］ 趙興秀，李東，趙志峰. 2022級釀酒工程專業(yè)培養(yǎng)方案[EB/OL].（2022-06-22）[2023-02-04].https：//sgxy.suse.edu.cn/p/0/？StId=st_app_news_i_x637932205

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[9］ 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.大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].北京：高等教育出版社，2016：21-24.

［責(zé)任編輯：周侯辰］