新工科背景下大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程體系建設(shè)與教學(xué)改革研究

李樹嵩

哈爾濱學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076

新中國成立以來，為推動國家經(jīng)濟建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的進步，我國大力發(fā)展高等教育，加速人才培養(yǎng)并取得了極大的成果［1］。然而，隨著新興科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的人才培養(yǎng)模式已經(jīng)無法滿足新時代的工科人才需要［2］。在這種情況下，要充分依托信息技術(shù)革命所締造的各種新技術(shù)，例如大數(shù)據(jù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、5G 通信技術(shù)等［3-4］，開發(fā)新的人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)出新時代所需要的人才，這就是新工科人才培養(yǎng)給高等教育提出的最新需求。當(dāng)前，大多數(shù)新技術(shù)都是依托計算機技術(shù)發(fā)展而來的。因此，必須搞好高等學(xué)校的計算機系列課程教學(xué)［5］。在計算機整個課程體系中，計算機基礎(chǔ)課程占有十分重要的地位，是學(xué)生了解計算機文化、學(xué)習(xí)計算機技術(shù)、開啟新工科技術(shù)學(xué)習(xí)的第一課［6］。為了適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)需要，本文致力于對大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程進行教學(xué)改革，并探索以其為核心的課程體系建設(shè)。

一、基本概念界定

本文以新工科背景下的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程體系建設(shè)與教學(xué)改革研究為題，針對大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教改工作展開研究，涉及的核心概念包括：新工科、課程體系等，下面逐一加以闡述，以便于開展后續(xù)的研究工作。

（一）新工科

工科人才培養(yǎng)，一直是高等學(xué)府為國家工業(yè)建設(shè)輸出人才的重要途徑。新中國成立以來，我國各大高等院?；拘纬闪藱C械、材料、能源等核心專業(yè)為框架的工業(yè)人才培養(yǎng)體系。然而，自20 世紀(jì)末計算機、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入發(fā)展之后，數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)大行其道，其迅猛發(fā)展的勢頭深刻改變了社會生產(chǎn)和人們的生活方式。在這種情況下，原有工業(yè)體系發(fā)生了深刻變化，社會需求也不斷變革。當(dāng)前，國家和社會需要更多的依托新技術(shù)并能為新工業(yè)領(lǐng)域服務(wù)的工科人才。為此，教育部自2017 年以來，全面推進新工科建設(shè)，并引領(lǐng)國內(nèi)高校興建新工科專業(yè)，做好新工科的人才培養(yǎng)工作。目前，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、機器人、人工智能都是新工科的典型專業(yè)。

（二）課程體系

課程體系是指因所屬的專業(yè)相同或接近、課程內(nèi)容接近或相關(guān)而關(guān)聯(lián)在一起的一系列課程的總和。這些課程共同為培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識和技能而服務(wù)，而從教學(xué)的流程上看，又分為一定的先后順序。本文中，大學(xué)計算機基礎(chǔ)是一門獨立的課程，但首先其是作為計算機專業(yè)的專業(yè)課程而存在的，因此計算機專業(yè)的其他課程都和大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程存在一定的關(guān)聯(lián)，這些課程就可以共同組成計算機專業(yè)的課程體系，如計算機控制、程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計算機組成原理、微機系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯原理、計算機網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)計算等等。這里需要指出的是，大學(xué)計算機基礎(chǔ)除了是專業(yè)基礎(chǔ)課以外，還具有公共基礎(chǔ)課的性質(zhì)。這是因為，大學(xué)計算機基礎(chǔ)講述了計算機文化、計算機軟件硬件必備的基礎(chǔ)知識。任何需要使用計算機的課程，都因此與大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)。在這樣的情況下，很多其他課程也會與大學(xué)計算機基礎(chǔ)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。所以，大學(xué)計算機基礎(chǔ)的課程體系，所涵蓋的課程數(shù)量會比一般課程更加寬泛。

（三）CDIO

在本文進行的大學(xué)計算機基礎(chǔ)的課程體系建設(shè)和教學(xué)改革中，為了更好地聯(lián)系理論課程和實踐課程，采用了CDIO 培養(yǎng)模式。CDIO 培養(yǎng)模式是Conceive、Design、Implement、Operate 四個單詞的縮寫簡化。這四個單詞分別代表了構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作，也分別對應(yīng)了CDIO 培養(yǎng)模式下的四個有機組成部分。CDIO 由美國麻省理工學(xué)院發(fā)起研究，致力于適應(yīng)時代的人才培養(yǎng)，并將人才培養(yǎng)模式劃分為構(gòu)思環(huán)節(jié)、設(shè)計環(huán)節(jié)、實現(xiàn)環(huán)節(jié)、運作環(huán)節(jié)。通過這樣四個環(huán)節(jié)，可以對知識傳授、課程講解進行更好的設(shè)計。CDIO 以產(chǎn)品為導(dǎo)向，致力于以產(chǎn)品產(chǎn)出過程為載體承接知識傳播和能力提升，這相比于純粹的理論教學(xué)、課堂教學(xué)，具有更大的吸引力，也具有更好的培養(yǎng)目標(biāo)實現(xiàn)力。這也是為什么在本文的大學(xué)計算機基礎(chǔ)的課程體系建設(shè)中，要使用CDIO 理念的原因所在。通過CDIO，與大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程相關(guān)的各課程內(nèi)容都可以有機聯(lián)系在一起，并在產(chǎn)品產(chǎn)出過程維護思路下密切關(guān)聯(lián)。

二、大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問題

作為計算機專業(yè)先導(dǎo)性的專業(yè)基礎(chǔ)課，甚至具有公共專業(yè)基礎(chǔ)課性質(zhì)的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程，是絕大多數(shù)高等院校在大一就會開設(shè)的重要課程。多年以來，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)工作，積累了寶貴的經(jīng)驗。不同學(xué)校不同教學(xué)團隊，也從自身的實際情況出發(fā)，提出了很多與大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程相關(guān)的教學(xué)改革設(shè)想。這些教學(xué)改革思路和措施，在很大程度上提升了大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)效果。然而，在新工科人才培養(yǎng)的背景之下，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)工作仍然暴露出諸多問題，不利于以此課程為核心的課程體系建設(shè)。大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中存在的問題，包括：第一，沒有適應(yīng)新工科背景的時代需求；第二，相關(guān)實驗教學(xué)方法單一內(nèi)容陳舊；第三，缺乏課程體系教學(xué)的整體考量。下面，就從這三個方面加以詳細(xì)地闡述。

（一）沒有適應(yīng)新工科背景的時代需求

新工科背景下，對人才培養(yǎng)提出了新的要求，這也是時代需要的必然體現(xiàn)。例如，新工科人才必須掌握大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等相關(guān)知識，以便于在今后的工作中能夠適應(yīng)新工科任務(wù)的需求。在這樣的需求框架下，需要講授的課程就需要涵蓋新工科所涉及領(lǐng)域的常識性知識、具體應(yīng)用案例、典型的實踐技能等等。但是，遍覽國內(nèi)高等院校的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程，其使用教材、素材選擇、實踐案例等等教學(xué)內(nèi)容中，和新工科相適應(yīng)和匹配的內(nèi)容少之又少，甚至完全處于空白狀態(tài)。當(dāng)我們翻開一版再版的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教材，很多教學(xué)內(nèi)容仍然是從1945 年計算機誕生談起，一直沿用傳統(tǒng)教學(xué)思路。很多20 多年前的素材和案例仍在使用。這就使得學(xué)生們在學(xué)習(xí)大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的過程中，很難直接建立課程本身和新工科、新工科人才之間的關(guān)聯(lián)性。

（二）相關(guān)實驗教學(xué)方法單一內(nèi)容陳舊

大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程是一門具有很強實踐特征的課程，大多數(shù)高等學(xué)校配置的上機時間都超過了50%以上的課程學(xué)時?？梢哉f，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程中，理論知識和實踐技能的培養(yǎng)，應(yīng)該是平等分配甚至是實踐要更多。因為與計算機相關(guān)的理論知識，更多體現(xiàn)在計算機硬件和軟件的使用，這些就必須依賴于實驗教學(xué)環(huán)節(jié)來實現(xiàn)。所以，實驗學(xué)時、實驗教學(xué)在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)工作中，占有十分重要的地位。也正因為如此，各高等學(xué)校對大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程進行實驗課程的設(shè)置，都花費了很多心血，并且在多年以前就形成了比較成熟的教學(xué)模式，其中的案例素材都是反復(fù)使用。這固然體現(xiàn)出了穩(wěn)定性的一面，但多年來實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法并沒有太多革新和改進，相關(guān)內(nèi)容陳舊，也和新工科要求有較大的出入。

（三）缺乏課程體系教學(xué)的整體考量

大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程是整個計算機專業(yè)的前導(dǎo)課程、重要課程，并且以此為基礎(chǔ)形成計算機課程關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，計算機控制、程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計算機組成原理、微機系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、編譯原理、計算機網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)計算都在一定程度上要用到大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的內(nèi)容。但是，在國內(nèi)大多數(shù)高等學(xué)校，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容，基本沒有過多涉及其與其他課程的關(guān)聯(lián)性，缺乏課程體系教學(xué)的整體考量。

三、大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程體系建設(shè)的教學(xué)改革策略

在前面的研究中發(fā)現(xiàn)，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程在教學(xué)工作中存在很多問題，無法有效應(yīng)對新工科背景下的人才培養(yǎng)問題。為此，本文從CDIO 理念出發(fā)，針對計算機基礎(chǔ)課程進行體系建設(shè)并提出改革策略，以適應(yīng)新工科背景下的人才培養(yǎng)需要，具體的措施包括：基于CDIO 理念提出課程體系建設(shè)思路，實現(xiàn)計算機基礎(chǔ)課程體系整合建設(shè)，大力開發(fā)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和個性化考試系統(tǒng)。

（一）基于CDIO 理念的課程體系建設(shè)思路

CDIO 理念的提出，已經(jīng)有10 多年的時間，并且在實踐類較強的課程中表現(xiàn)出更好的教學(xué)效果。大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程，本身就是實踐性較強的課程。與此同時，計算機類的大多數(shù)課程都特別注重實踐動手能力的培養(yǎng)。這與計算機專業(yè)課程有關(guān)，硬件和軟件知識的熟練掌握和應(yīng)用，離不開有序、合理的實踐鍛煉。因此，本文認(rèn)為計算機課程的體系建設(shè)，可以充分借鑒CDIO 理念，將大學(xué)所能接觸到的計算機課程進行整體規(guī)劃，在細(xì)致構(gòu)思的基礎(chǔ)上進行實踐案例設(shè)計，進而引領(lǐng)學(xué)生在實踐中完成動手能力的培養(yǎng)，進而夯實理論知識的基礎(chǔ)。

（二）實現(xiàn)大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程體系整合建設(shè)

在CDIO 課程體系建設(shè)的總體思路下，還要充分考慮課程體系的具體整合措施。大學(xué)計算機基礎(chǔ)作為計算機專業(yè)和公共專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，前導(dǎo)作用價值十分明顯。尤其是大學(xué)計算機基礎(chǔ)的知識，可以成為多門后續(xù)計算機課程的引啟知識。因此，筆者建議將各門計算機課程都進行更為細(xì)致的分解，并從整體上進行課時的統(tǒng)籌分配。從操作上看，打破各門課程的內(nèi)容限制，進行課程間的靈活配置組合，這樣更利于知識的順接。

（三）大力開發(fā)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和個性化考試系統(tǒng)

作為新工科背景下的課程教學(xué)，必須充分依托各種新技術(shù)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前非常重要的技術(shù)，并由此開發(fā)而出的教學(xué)平臺，可以提供更加豐富的元素、更加多樣的教學(xué)方法，也更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，從人性化的教學(xué)理念出發(fā)，應(yīng)該充分尊重學(xué)生的個性發(fā)展。這里很重要的一點，就是需要打破常規(guī)的統(tǒng)一考試模式。針對不同的學(xué)生，根據(jù)他們的起點差異、興趣差異、專業(yè)特長差異，設(shè)置個性化的考試系統(tǒng)，以個性化考試推動學(xué)生的個性化培養(yǎng)。