“計(jì)算思維+人工智能”賦能大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革與創(chuàng)新

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；人工智能；大學(xué)計(jì)算機(jī)；教學(xué)改革；人才培養(yǎng)

0 引言

高校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育承載著高等教育階段的重要使命，即培養(yǎng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生具備計(jì)算思維能力。計(jì)算思維作為一種與理論思維和實(shí)驗(yàn)思維并駕齊驅(qū)的思維模式，已成為“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代不可或缺的思維工具，也是大學(xué)生必須具備的重要素養(yǎng)[1]。2024年兩會(huì)政府工作報(bào)告強(qiáng)調(diào)“人工智能+”理念，培育一批具備解決社會(huì)和自然問(wèn)題能力的計(jì)算思維人才，促進(jìn)高校高質(zhì)量教育體系建設(shè)，推動(dòng)高校計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)質(zhì)量的全面提升。本文聚焦于應(yīng)用型本科高校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程在教學(xué)內(nèi)容重塑、教學(xué)模式改革以及教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面的教學(xué)改革與創(chuàng)新探索，為提升計(jì)算機(jī)教學(xué)水平，培養(yǎng)一流的應(yīng)用型人才提供新思路。

1 高校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育中的問(wèn)題與困境

非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)課程長(zhǎng)期以來(lái)一直是教學(xué)改革的關(guān)鍵領(lǐng)域和難點(diǎn)所在。當(dāng)前，大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)目標(biāo)已經(jīng)發(fā)生了深刻變革，它不再局限于教授學(xué)生如何操作計(jì)算機(jī)及其軟件，也不再僅僅聚焦于程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)技能的訓(xùn)練。高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)必須與時(shí)俱進(jìn)，持續(xù)推動(dòng)創(chuàng)新，以適應(yīng)快速發(fā)展的信息時(shí)代[2-4]。但目前高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)仍面臨以下一些問(wèn)題和困境。

1.1 學(xué)生計(jì)算機(jī)水平參差不齊

由于本課程主要面向大學(xué)一年級(jí)學(xué)生，學(xué)生群體的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)呈現(xiàn)出顯著的差異性。不同省份、不同學(xué)校的學(xué)生在計(jì)算機(jī)掌握能力上存在明顯的差距，這種差異化的起點(diǎn)使得學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時(shí)面臨不同的挑戰(zhàn)。在教學(xué)改革中，必須堅(jiān)守“學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，充分尊重學(xué)生的個(gè)性差異和認(rèn)知特點(diǎn)。探索并實(shí)踐混合式教學(xué)模式，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，幫助學(xué)生根據(jù)自身的學(xué)習(xí)進(jìn)度和能力水平進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的統(tǒng)一與學(xué)生個(gè)體差異的尊重之間的良好平衡。

1.2 課程學(xué)分不斷壓縮

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容廣泛而深入，涵蓋了計(jì)算機(jī)多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)，然而教學(xué)課時(shí)卻相對(duì)有限。在有限的時(shí)間內(nèi)高效完成教學(xué)任務(wù)并達(dá)成教學(xué)目的，必須對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精細(xì)的優(yōu)化和篩選。突出計(jì)算思維的核心地位，注重將計(jì)算思維以潛移默化的方式融入教學(xué)中，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中自然而然地理解和接受這一重要思維模式。在教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)化學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的同時(shí)，還要積極推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的普及和應(yīng)用，讓學(xué)生掌握最新的技術(shù)知識(shí)和技能。

1.3 課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)不斷萎縮

從教育資源配置的角度來(lái)看，高?？赡芨鼉A向于將資源投入一些看似更“熱門(mén)”、更“前沿”的專業(yè)領(lǐng)域，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程作為一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，往往得不到足夠的重視和投入。高校應(yīng)該加大對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的投入力度，吸引更多優(yōu)秀的教師加入教學(xué)團(tuán)隊(duì)，加強(qiáng)課程的教學(xué)改革和創(chuàng)新，探索更適合學(xué)生需求和時(shí)代特點(diǎn)的教學(xué)方法和手段。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)素養(yǎng)的培養(yǎng)和引導(dǎo)，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的認(rèn)識(shí)和重視程度。

2 重塑課程知識(shí)體系

2.1 知識(shí)體系設(shè)計(jì)

以“計(jì)算思維+人工智能”為核心，持續(xù)強(qiáng)化大學(xué)生“計(jì)算思維”能力培養(yǎng)，不斷推進(jìn)高校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新，重塑課程知識(shí)體系，從問(wèn)題抽象、自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)到問(wèn)題抽象、智能化實(shí)現(xiàn)，知識(shí)體系如圖1所示。課程分為理論環(huán)節(jié)與實(shí)踐環(huán)節(jié)，精心劃分為多個(gè)部分，涵蓋符號(hào)化、計(jì)算化與自動(dòng)化的基本原理，程序與遞歸的核心概念，機(jī)器執(zhí)行程序的機(jī)制，以及復(fù)雜環(huán)境下程序的執(zhí)行過(guò)程等，探討計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、算法思維、數(shù)據(jù)化思維與人工智能思維，使學(xué)生具備計(jì)算系統(tǒng)的基本理解能力、培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題抽象、分析與求解能力，以及計(jì)算技術(shù)的交叉融合能力，為學(xué)生提供全面的知識(shí)架構(gòu)。

2.2 分層式理論教學(xué)內(nèi)容

在分層式教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的計(jì)算思維能力和基礎(chǔ)知識(shí)掌握情況，將學(xué)生分為不同的層次。對(duì)于基礎(chǔ)比較薄弱的學(xué)生，注重基礎(chǔ)知識(shí)的講解和計(jì)算思維的基本訓(xùn)練，幫助學(xué)生逐步建立計(jì)算思維的概念和方法；對(duì)于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，則注重深入探究計(jì)算思維的原理和應(yīng)用，引導(dǎo)他們進(jìn)行更高層次的思維活動(dòng)。在教學(xué)內(nèi)容上，結(jié)合具體的案例和實(shí)踐項(xiàng)目，讓學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)計(jì)算思維。以程序與算法教學(xué)為例，確定知識(shí)圖譜的主要節(jié)點(diǎn)和它們之間存在一定的邏輯和層次關(guān)系，這些關(guān)系構(gòu)建知識(shí)圖譜的框架，如圖2所示。圖中代表知識(shí)（K） 、思維（T） 、問(wèn)題（Q） 、示例（E） 及練習(xí)（P） 。主要的節(jié)點(diǎn)包括：算法及其描述（流程圖）、算法復(fù)雜性、算法設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（迭代、遞歸、窮舉等）、常用算法簡(jiǎn)單排序、順序查找、二分查找、常見(jiàn)數(shù)值計(jì)算方法和簡(jiǎn)單字符串處理。

在程序與算法教學(xué)中融入不同層次思維能力的培養(yǎng)。例如，在介紹算法設(shè)計(jì)知識(shí)時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生思考如何選擇合適的算法策略來(lái)解決問(wèn)題，為了檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的問(wèn)題，這些問(wèn)題可以分選擇題、填空題、簡(jiǎn)答題或編程題等，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)不同層次知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)下，提供具體的示例幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)點(diǎn)，并將其應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中。例如，在介紹二分查找算法時(shí)，可以提供一個(gè)數(shù)組和一個(gè)目標(biāo)值，展示如何使用二分查找算法找到目標(biāo)值在數(shù)組中的位置。針對(duì)單個(gè)知識(shí)點(diǎn)或是綜合多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，安排適量的練習(xí)，通過(guò)完成這些練習(xí)，學(xué)生可以加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，提高解決問(wèn)題的能力。

2.3 分層式實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

在設(shè)置大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)踐內(nèi)容時(shí)，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)階段和能力水平，將實(shí)踐內(nèi)容劃分為三個(gè)層次：認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)[5]。這三個(gè)層次不僅有助于學(xué)生逐步深入理解計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的原理與應(yīng)用，還能夠激發(fā)他們的創(chuàng)新能力。

認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)實(shí)踐內(nèi)容的初級(jí)層次，幫助學(xué)生建立對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的基本認(rèn)知。內(nèi)容可以包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、編程語(yǔ)言基礎(chǔ)：如Python編程語(yǔ)言的入門(mén)學(xué)習(xí)，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、基本算法、控制結(jié)構(gòu)等基本概念的掌握。通過(guò)認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以初步了解計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的基本知識(shí)和操作，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容打下基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)實(shí)踐內(nèi)容的中級(jí)層次，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和解決問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)注重算法設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題?？梢园ǎ核惴ㄔO(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，如排序算法、搜索算法等的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。軟件開(kāi)發(fā)，如基于特定需求的簡(jiǎn)單軟件的開(kāi)發(fā)，包括需求分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試等過(guò)程。小型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建，如構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)站或數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以進(jìn)一步加深對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的理解，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)實(shí)踐內(nèi)容的高級(jí)層次，主要目的是激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和探索能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)注重前沿技術(shù)的探索和研究性項(xiàng)目的開(kāi)展?？梢园ǎ呵把丶夹g(shù)探索，如人工智能、大數(shù)據(jù)、圖像識(shí)別等前沿技術(shù)的研究和應(yīng)用。研究性項(xiàng)目如基于實(shí)際問(wèn)題的科研項(xiàng)目或創(chuàng)新項(xiàng)目的開(kāi)展，包括文獻(xiàn)綜述、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、結(jié)果分析等環(huán)節(jié)。競(jìng)賽與實(shí)踐活動(dòng)，如參加計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等活動(dòng)，通過(guò)實(shí)踐鍛煉提升自己的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。通過(guò)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以深入了解計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的前沿動(dòng)態(tài)，培養(yǎng)獨(dú)立思考和解決問(wèn)題的能力，為未來(lái)的科研和職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4 分層式能力培養(yǎng)

通過(guò)分層次教學(xué)內(nèi)容，可以有效地培養(yǎng)不同層次的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，以滿足學(xué)生的個(gè)性化需求和促進(jìn)其全面發(fā)展，如圖3所示。

具備對(duì)計(jì)算系統(tǒng)的基本理解能力，能夠理解計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)運(yùn)作的核心原理，形成對(duì)信息技術(shù)基礎(chǔ)框架的清晰認(rèn)知。

具備問(wèn)題抽象、分析與求解能力，能夠靈活地將復(fù)雜問(wèn)題抽象化，進(jìn)行深入分析，并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的有效求解。同時(shí)，具備對(duì)解決方案進(jìn)行評(píng)價(jià)、反饋和優(yōu)化的能力，以不斷提升問(wèn)題解決的效果。

具備計(jì)算技術(shù)的交叉融合應(yīng)用，能夠熟練進(jìn)行數(shù)據(jù)組織與管理、分析、可視化以及智能化應(yīng)用等操作。此外，還具備與現(xiàn)代工具合作研究的能力，能夠運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析評(píng)價(jià)，展現(xiàn)出強(qiáng)大的綜合應(yīng)用能力。

具備信息鑒別能力，能夠明辨是非，承擔(dān)社會(huì)責(zé)任，恪守信息倫理。在工程項(xiàng)目中，能夠與他人進(jìn)行良好的網(wǎng)絡(luò)交流，展現(xiàn)持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。同時(shí)，注重個(gè)人素養(yǎng)的培養(yǎng)，具備可持續(xù)發(fā)展能力，無(wú)論是在個(gè)人還是團(tuán)隊(duì)任務(wù)中，都能有效溝通，保持終身學(xué)習(xí)的態(tài)度。

3 教學(xué)模式改革

課程教學(xué)采用“MOOC+SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂”線上線下混合式教學(xué)模式。選擇中國(guó)大學(xué)MOOC上的國(guó)家級(jí)精品課程為資源，進(jìn)一步建設(shè)符合自己學(xué)校237acdb91cf6faaf2ba73503b4212c89f40774bcc83a49a2532527f10767f871特色的SPOC資源，SPOC包括課程介紹、課程大綱、課程考核標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)進(jìn)度、教學(xué)課件、教學(xué)的重難點(diǎn)、線上章節(jié)測(cè)試、課后討論題庫(kù)等教學(xué)必備資源。增設(shè)人工智能的課程內(nèi)容，錄制人工智能相關(guān)應(yīng)用案例教學(xué)視頻。這些資源的提供，讓學(xué)生能夠隨時(shí)隨地開(kāi)展自主學(xué)習(xí)，更好地掌握和深化對(duì)人工智能領(lǐng)域的學(xué)習(xí)。

翻轉(zhuǎn)線下實(shí)體課堂的教學(xué)方式包括師講生聽(tīng)、以練代講、生講生評(píng)、研討辯論。以學(xué)生為中心，分析不同專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)，在進(jìn)行線上線下混合式教學(xué)設(shè)計(jì)前，需要充分了解學(xué)生學(xué)習(xí)能力、專業(yè)需求、學(xué)科交叉等方面，根據(jù)不同專業(yè)特點(diǎn)與線上線下的教學(xué)資源相結(jié)合，按照所選課題進(jìn)行分組調(diào)研、分組討論，研討內(nèi)容最終以課程論文的形式上交，由教師和同學(xué)共同給出評(píng)分。

加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，結(jié)合人工智能行業(yè)，進(jìn)行校企產(chǎn)學(xué)研合作，邀請(qǐng)企業(yè)專家和工程師參與課程建設(shè)、課程目標(biāo)的制定、先進(jìn)的知識(shí)理念和實(shí)踐環(huán)節(jié)的建設(shè)等。把企業(yè)的人工智能課程資源融入大學(xué)教學(xué)課堂，為學(xué)生提供更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)和資源，充分體現(xiàn)課程高階性、實(shí)踐性和開(kāi)放性，提升學(xué)生綜合能力。在掌握計(jì)算思維和人工智能思維的基本方法與工具的過(guò)程中，深化學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解與運(yùn)用，主動(dòng)思考并借助人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)所學(xué)專業(yè)的創(chuàng)新升級(jí)，推動(dòng)所學(xué)專業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)豐富多元化的過(guò)程性考核方式，包括課堂討論、小組作業(yè)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來(lái)考查學(xué)生的線上學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、線上測(cè)試成績(jī)，學(xué)習(xí)論壇的活躍度，教師實(shí)時(shí)掌握和判斷不同學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)態(tài)度以及學(xué)習(xí)效果，不斷調(diào)整教學(xué)進(jìn)度，制訂合理的輔導(dǎo)答疑方案。

4 教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)及改革成效

為了持續(xù)提升教學(xué)質(zhì)量與效果，引入教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制，客觀評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成效以及教師的教學(xué)水平，并提供及時(shí)的反饋，靈活調(diào)整教學(xué)計(jì)劃和內(nèi)容，不斷優(yōu)化教學(xué)流程，從而確保教學(xué)工作的持續(xù)改進(jìn)與發(fā)展。常熟理工學(xué)院于2021年11月，將本課程認(rèn)定為校級(jí)一流課程。課程于2022年9月在愛(ài)課程平臺(tái)實(shí)施，至2023年12月已有近4 500名學(xué)生選課。SPOC 個(gè)性化學(xué)習(xí)平臺(tái)，滿足了學(xué)生任務(wù)型自主學(xué)習(xí)模式的教學(xué)資源，課程得到學(xué)校和學(xué)生一致好評(píng)。學(xué)生們普遍對(duì)老師的專業(yè)素養(yǎng)和教學(xué)能力給予了高度評(píng)價(jià)，翻轉(zhuǎn)課堂管理和課堂氛圍營(yíng)造表示了贊賞，學(xué)生們對(duì)教學(xué)改革也表示了認(rèn)可和支持。教學(xué)改革使得課程內(nèi)容更加貼近實(shí)際，教學(xué)方式更加靈活多樣，能夠更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。近三年，教學(xué)團(tuán)隊(duì)出版教材1本，主持和參與省級(jí)教改項(xiàng)目6項(xiàng)，發(fā)表省級(jí)教研論文9篇，指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽獲得國(guó)家級(jí)三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省級(jí)獲獎(jiǎng)20余項(xiàng)。2023年獲蘇州市人工智能學(xué)會(huì)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)，2023年榮獲第二屆全國(guó)高校計(jì)算機(jī)課程思政教學(xué)案例設(shè)計(jì)大賽三等獎(jiǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生從“計(jì)算思維”向“人工智能”思維深化。通過(guò)課程內(nèi)容體系和教學(xué)方法的改革，將人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)融入對(duì)計(jì)算系統(tǒng)的理解。根據(jù)專業(yè)差異化需求，強(qiáng)調(diào)“多學(xué)科”與“計(jì)算思維”的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)導(dǎo)向的新時(shí)代“專業(yè)+計(jì)算”的賦能教育，推動(dòng)學(xué)生的計(jì)算思維與各專業(yè)思維的交叉融合。這樣的教學(xué)改革為學(xué)生今后設(shè)計(jì)、構(gòu)造和應(yīng)用各種計(jì)算系統(tǒng)解決學(xué)科問(wèn)題奠定堅(jiān)實(shí)的思維基礎(chǔ)。同時(shí)，結(jié)合所在高校的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的課程內(nèi)容體系，以滿足不同專業(yè)、不同層次學(xué)生的需求，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的個(gè)性化與差異化發(fā)展。