“四新”背景下的賦能型計算機通識課程體系建設(shè)

○蔡慧英 林培光

一、引言

2017年2月，教育部在復旦大學召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，與會高校就新時期工程人才培養(yǎng)共同討論提出了“新工科”的概念，并定義了新工科內(nèi)涵特征、建設(shè)與發(fā)展的路徑選擇，達成了“復旦共識”，標志著“新工科”開始走向?qū)嵺`探索［1］。隨后，“新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科”逐漸被正式推出，“四新”也成為高等教育人才培養(yǎng)的“中國方案”，是高等教育高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略布局。2021年4月，習近平總書記在清華大學考察時強調(diào)指出“推進新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)”［2］，為“四新”建設(shè)進一步指明了發(fā)展方向。教育部高等教育司2023年工作要點指出“全面實施系列‘101計劃’，推進‘四新’關(guān)鍵領(lǐng)域核心課程建設(shè)”［3］。計算機通識課作為在高等教育學校廣泛開設(shè)的基礎(chǔ)核心課程，是連接“四新”各學科的紐帶。目前的計算機通識課不再是狹義上傳授電腦基礎(chǔ)理論和操作知識的課程，而是囊括了計算機基礎(chǔ)知識、信息理論、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等的知識集群［4］，是賦予高質(zhì)量人才計算思維、數(shù)字思維和創(chuàng)新思維能力的核心“課程體”，能夠起到“四新”背景下高質(zhì)量人才培養(yǎng)“敲門磚”的作用，須貫穿整個高等教育培養(yǎng)階段。隨著前沿科技的加持，copilot、new bing、chatGPT、claude等新一代AI工具層出不窮，對學生計算思維、數(shù)字思維等的要求越來越高，建設(shè)賦能型的計算機通識課勢在必行。

二、現(xiàn)有課程體系在“四新”高質(zhì)量人才培養(yǎng)中面臨的挑戰(zhàn)

（一）如何打破計算機通識課固有框架的束縛，體現(xiàn)“四新”各學科特色？

1984年，全國高等院校計算機基礎(chǔ)教學研究會成立，確定了計算機基礎(chǔ)教學的四個教學層次，即計算機基礎(chǔ)知識及操作系統(tǒng)使用、高級語言、軟硬件基礎(chǔ)知識、結(jié)合專業(yè)的計算機應用。隨后，計算機課程在高校普遍開設(shè)。在指導方案和專業(yè)教師的不斷探索中，計算機通識課程取得了有效的發(fā)展，形成了規(guī)模和體系，也形成了計算機通識課發(fā)展的固有框架。在高校內(nèi)往往課程體系一致，并沒有分別針對各學科進行相應的調(diào)整，造成課程體系往往局限在傳統(tǒng)的計算機基礎(chǔ)知識、辦公軟件、工作原理、網(wǎng)絡(luò)平臺等模塊，不能體現(xiàn)“四新”各學科特色，不利于高質(zhì)量人才的培養(yǎng)。因此，需要在既有計算機通識課固有框架的基礎(chǔ)上開拓創(chuàng)新，結(jié)合“四新”各學科的特點，打造全新的突出各學科特色的計算機通識課程體系。

（二）如何使計算機通識課與時俱進？

隨著近幾年計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)已經(jīng)在“四新”各學科得到廣泛應用，并取得了令人滿意的效果。例如，基于強化學習的工業(yè)過程建模方法及故障分類方法［5］、基于機器學習的金融風險識別［6］、土壤養(yǎng)分分析智能機器人平臺［7］、基于人工智能技術(shù)的中醫(yī)臨床輔助治療平臺［8］等。雖然有些計算機通識課引入了新技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，但多以簡介的形式開展，不利于學生理解和應用新技術(shù)。所以，對計算機通識課進行改革，一方面，使課程體系緊跟技術(shù)迅速發(fā)展的步伐；另一方面，培養(yǎng)學生以不變應萬變的數(shù)字思維和計算思維能力，以應對日新月異的計算機新技術(shù)。

（三）如何使計算機通識課達到賦能的要求？

賦能即賦予某個主體能力，賦能教育需要考慮賦予什么能力、賦予誰、怎樣賦予三個核心問題。計算思維以設(shè)計和構(gòu)造為特征，以計算機學科為代表，是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的一系列思維活動。計算機通識課作為賦予學生計算思維能力的基礎(chǔ)課程，需要使當代大學生汲取現(xiàn)代信息技術(shù)知識，掌握基本的計算技術(shù)應用能力，理解計算學科的基本知識和規(guī)范，能夠利用數(shù)字思維解決領(lǐng)域內(nèi)問題?！八男隆备鲗W科所解決的實際問題差異明顯，對學生的培養(yǎng)目標相差較大，同時，學生具備的計算機素養(yǎng)以及對計算機知識的接受能力參差不齊。所以，如何構(gòu)建計算機通識課，使其能夠賦予“四新”各學科學生解決領(lǐng)域內(nèi)實際問題的計算思維和數(shù)字思維能力，進而達到高質(zhì)量人才的培養(yǎng)目的是需要考慮的重要問題。

三、課程體系構(gòu)建方案

為了使計算機通識課滿足“四新”和賦能的需求，結(jié)合教育部高等學校計算機教學指導委員會提出的“寬、專、融”框架［9］，以賦能為導向，構(gòu)建針對“四新”高質(zhì)量人才培養(yǎng)的計算機通識“1+X+Y”課程體系，橫向拓展到各學科所有專業(yè)，縱向上垂直貫穿整個本科教學過程，使計算機通識課具有高階性、創(chuàng)新型和挑戰(zhàn)度，達到綜合培養(yǎng)學生知識、能力和素養(yǎng)的教學目標。同時，構(gòu)建適合于賦能型計算機通識課程體系的實踐教育機制，作為該課程體系得以實現(xiàn)的輔助手段，總體構(gòu)建方案如圖1所示。

圖1 賦能型計算機通識課程體系構(gòu)建方案

（一）賦能型“1+X+Y”課程體系

“四新”人才培養(yǎng)強調(diào)計算機通識課的實用性、交叉性與綜合性，尤其需要重視培養(yǎng)學生以不變應萬變的自主學習能力和解決實際復雜問題的能力?！?”是指凝練和抽象面向各種復雜技術(shù)的最基本的課程，使學生掌握計算機基本原理?！癤+Y”指適應不同學科發(fā)展需求的基本信息技術(shù)課程和學科交叉融合型課程，使學生掌握解決本領(lǐng)域和跨學科復雜問題的基本理論和工具，重點培養(yǎng)學生利用計算思維和計算工具解決本領(lǐng)域復雜問題的能力。課程體系如圖2所示，縱向上，從基礎(chǔ)通識經(jīng)技術(shù)基礎(chǔ)過渡到交叉融合型課程，和各學期學生對知識的接受程度基本對應；從橫向上基本覆蓋各個學科。

“1-基礎(chǔ)通識課”主要目標是全面培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)、計算科學修養(yǎng)和計算思維能力，是后續(xù)課程的基礎(chǔ)核心課程，教學內(nèi)容和教學要求需要根據(jù)學生接受程度和學科專業(yè)特點設(shè)置，設(shè)置模塊包括計算機基礎(chǔ)知識、計算理論、計算機軟硬件基礎(chǔ)、程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)、計算機素養(yǎng)、計算機新技術(shù)等。其中，計算機新技術(shù)為根據(jù)計算機的發(fā)展設(shè)置的靈活模塊，教學內(nèi)容為計算機的前沿技術(shù)以及所蘊含的核心思想。各模塊相呼應，涵蓋計算思維表達體系中的八個核心概念，即抽象、自動化、設(shè)計、評估、通信、協(xié)作、記憶，培養(yǎng)學生與時俱進的計算思維和數(shù)字思維。

“X-技術(shù)基礎(chǔ)課”主要分為設(shè)計開發(fā)、人工智能、數(shù)據(jù)分析與處理三個模塊。各學科需要依據(jù)學科特點設(shè)置課程和知識模塊，講授學生“學得會、用得上”的教學內(nèi)容。設(shè)計開發(fā)模塊以培養(yǎng)能力為主，使學生掌握計算機解決問題的基本工具。人工智能模塊以求解問題的算法為主，使學生掌握計算機解決問題的思想，促進學生計算思維和邏輯思維能力的提升。數(shù)據(jù)分析與處理模塊以“數(shù)”展開，培養(yǎng)學生超出“數(shù)字”概念的“數(shù)即萬物，萬物皆數(shù)”的數(shù)字思維和數(shù)字素養(yǎng)，鍛煉學生使用數(shù)字思維和計算思維解決實際問題的能力。三個模塊互補，共同促進學生知識、能力和素養(yǎng)的提升。

“Y-交叉融合課”根據(jù)各學科專業(yè)特色開設(shè)，使計算機技術(shù)與專業(yè)實際問題相結(jié)合，從實際問題入手，設(shè)計交叉融合的教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生使用計算機技術(shù)解決本領(lǐng)域以及跨學科領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力。針對“四新”各學科，構(gòu)建跨學院、跨高校、跨校企的交叉融合課程，切實將計算機技術(shù)用于各學科的專業(yè)問題上，培養(yǎng)具備計算思維和數(shù)字素養(yǎng)的領(lǐng)域內(nèi)卓越拔尖人才。

（二）實踐教育機制

為了使課程體系順利實施，構(gòu)建面向“四新”高質(zhì)量人才培養(yǎng)的賦能型實踐教育機制，包括線上與線下結(jié)合的混合式教學方法、“案例驅(qū)動”的實踐教學手段、學以致用的沉浸式實踐環(huán)境以及產(chǎn)學融合的實踐基地，使學生能夠通過實踐深入理解計算機技術(shù)，培養(yǎng)學生數(shù)字思維和計算思維能力、數(shù)字素養(yǎng)，使其具有融會貫通的解決本學科及跨學科復雜問題的能力，促使學生由“被動賦能”向“自主吸能”轉(zhuǎn)換。

考慮到各高校各學科學生的計算機基礎(chǔ)及接受程度的差異，計算機通識課程采用線上與線下結(jié)合的方式尤為合適。目前，在MOOC已經(jīng)有豐富且多樣化的計算機相關(guān)課程資源，但是突出學科特色的交叉融合型課程較少。各高校需要根據(jù)自身實際情況，引進部分優(yōu)質(zhì)課程資源，同時改進或自建專業(yè)特色突出的交叉融合型課程。在此基礎(chǔ)上，開展線上線下的混合式教學，合理地使用“翻轉(zhuǎn)課堂”教學工具，采用課前發(fā)布以問題為導向的自主學習任務(wù)、課中根據(jù)檢查結(jié)果有側(cè)重點地講解知識、課后布置個性化綜合性作業(yè)的方式組織教學活動，提升學生的綜合素養(yǎng)。同時，采用以知識達成度為主的過程考核和能力達成度為主的期末考核相結(jié)合的成績評定方式，檢驗學生的自主學習和探究學習能力。

“案例驅(qū)動”的教學為OBE理念中重要的教學手段。結(jié)合“四新”各學科學生的思維特點，以學生為中心，推動“思辨型案例驅(qū)動法”的研討式教學手段，構(gòu)建簡單易懂的教學案例詮釋基本概念，創(chuàng)建綜合案例貫穿課程知識點。案例設(shè)計時引入各學科典型應用場景，合理分配知識體系講解和案例研討的比例，知識體系以講授“機理”為主，使學生明白知識體系的核心思想和“來源”，案例研討以應用為主，使學生知悉知識體系的“去路”，達到“講機理，明來源；論案例，知去向”的教學效果。從計算思維的角度引導學生圍繞案例構(gòu)思解決方案，利用辯證的方式激發(fā)學生的計算思維和數(shù)字思維，培養(yǎng)學生的自主學習能力，按照分組的方式開展多方位、全角度的主題討論，以此使學生真正理解計算機技術(shù)，并能熟練應用計算機技術(shù)解決學科內(nèi)及跨學科實際問題。

學以致用的實踐環(huán)境是激發(fā)學生學習興趣和提升數(shù)字素養(yǎng)的關(guān)鍵途徑之一。結(jié)合校內(nèi)外資源，積極引導學生參加既有計算機競賽，例如中國高校計算機大賽、大學生數(shù)字技能應用大賽、全國高校計算機能力挑戰(zhàn)賽等。在校園內(nèi)創(chuàng)建突出專業(yè)特色的“學科+”計算機文化節(jié)、“學科+”計算機競賽等，激發(fā)學生的學習興趣和學習動力。同時，構(gòu)建計算機類社會實踐活動，使學生參與計算機相關(guān)的實踐任務(wù)。沉浸式地為提升學生的數(shù)字素養(yǎng)創(chuàng)造濃厚的學習和實踐氛圍，有效地培養(yǎng)學生的自主學習能力和競爭意識以及計算思維和創(chuàng)新思維。

進一步推動校企共建機制，充分挖掘“四新”各學科交叉復合型企業(yè)和人才，構(gòu)建多方協(xié)同的計算機通識課實踐基地。將教學與科研緊密結(jié)合、高校與社會緊密合作，采取校所合作、校企聯(lián)合、高校引進等方式聯(lián)合建設(shè)培訓中心或基地，為不同學科學生搭建與時俱進的計算機通識課實踐平臺，構(gòu)建普適性及有一定挑戰(zhàn)度的計算機實踐專項任務(wù)，使學生都能參與到突出“四新”學科特色的計算機實踐項目，有效地培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)。

四、課程體系實踐效果

賦能型“1+X+Y”計算機通識課程體系在山東省內(nèi)高校的典型新工科、新農(nóng)科、新醫(yī)科、新文科專業(yè)進行了實踐。以山東財經(jīng)大學的新文科專業(yè)為例，所構(gòu)建的課程體系及知識模塊如表1所示。實踐教育機制包括基于《大學計算機》《機器學習》《大數(shù)據(jù)與金融》《商務(wù)智能》《R語言與金融數(shù)據(jù)分析》等一流課程的混合式教學方法，“思辨型案例驅(qū)動”的研討式教學手段，“財經(jīng)+計算機”文化藝術(shù)節(jié)、金融投資模擬大賽等沉浸式實踐環(huán)境等。在新課程體系下，課堂活躍度、學業(yè)挑戰(zhàn)度、學生滿意度得到了顯著提升。依據(jù)不同專業(yè)特色開發(fā)的計算機通識課程以嶄新的面貌呈現(xiàn)在教師和學生面前，為專業(yè)建設(shè)注入了新鮮的血液，激發(fā)了新的活力。課堂整體氛圍活躍度明顯增強，學生的出勤率、平時成績、期末成績得到了明顯的改善。通過對所開設(shè)的《金融數(shù)據(jù)分析》《python語言設(shè)計〈財經(jīng)類〉》《機器學習〈財經(jīng)類〉》等統(tǒng)計教務(wù)系統(tǒng)中的課程評分，得出平均得分在95分以上。并且，通過開展協(xié)同育人的合作企業(yè)反映，90%以上的學生能夠應用信息技術(shù)有效地解決財經(jīng)類相關(guān)問題。

表1 新文科專業(yè)部分課程及知識模塊

通過分析計算機通識課現(xiàn)有課程體系在“四新”背景下面臨的挑戰(zhàn)入手，從賦能的角度構(gòu)建了面向“四新”的賦能型“1+X+Y”計算機通識課程體系。課程體系針對高質(zhì)量人才需要的計算思維和數(shù)字素養(yǎng)，分別闡述了“1-基礎(chǔ)通識課”“X-技術(shù)基礎(chǔ)課”“Y-交叉融合課”的構(gòu)建思路和要求，使課程體系滿足與時俱進和賦能的要求，提升學生運用新技術(shù)的能力和計算思維能力，訓練學生主動學習和探究的能力。同時，構(gòu)建了相應的實踐教育機制，推動“思辨型案例驅(qū)動”的研討式教學手段，創(chuàng)建計算機通識課實踐環(huán)境和實踐基地，潛移默化地提升學生的計算機綜合素養(yǎng)。課程體系和實踐教育機制能夠系統(tǒng)地使學生掌握計算機知識并具備解決本領(lǐng)域和跨學科實際復雜問題的計算思維、創(chuàng)新思維、邏輯思維能力，進而達到培養(yǎng)知識、能力和素養(yǎng)的教學目標，促進“四新”高質(zhì)量人才的培養(yǎng)。