面向新工科的大學計算機基礎課程體系及課程建設

何欽銘 王浩

摘 要：新工科建設給大學計算機基礎教學帶來了新挑戰與新機遇。新時期的大學計算機基礎教學要圍繞通識型課程、技術型課程以及交叉型課程組成有機關聯的、具有層次的“寬、專、融”課程體系，并形成對四年專業培養的持續支撐；在課程建設方面，要加強計算機通識課程和交叉課程的建設，加強教學方法改革，注重學生計算思維能力和新技術應用能力的培養。

關鍵詞：大學計算機基礎教學；新工科；課程體系；課程建設；計算思維

隨著大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等新技術的快速發展和廣泛應用，以技術創新為驅動的產業變革和社會變革正席卷而來。以互聯網產業化、工業智能化、工業一體化為代表第四次工業革命浪潮對工程教育提出了新的挑戰。新工科建設亟須運用面向人工智能、大數據、云計算、物聯網、區塊鏈等新一代信息技術，探索基于現有工科專業改造升級的新方向、新領域。因此，新工科強化了對于所有學生開設計算機課程的必要性，強化了計算機課程教學目標的思想性和實用性，強化了對于計算機應用的理解和實踐，強化了計算機課程跨學科創新能力培養要求。

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、素質方面教育的公共基礎課程，其培養目標包括：認知與理解計算系統和方法，掌握應用計算機技術分析解決問題的方法，正確獲取/評價與使用信息的素養，基于信息技術手段的交流與持續學習能力[1]。因此，大學計算機基礎教學承擔著面向非計算機類專業學生計算機知識、能力和素質的培養任務，在新工科建設中起著不可替代的重要作用。

然而，面對新時期對學生計算思維與信息融合集成創新能力提出的新要求，現有許多高校工科專業的計算機基礎教學普遍存在：（1）教

學內容陳舊，較少引入以“云、物、移、大、智”為代表的新技術的豐富內容，使工科畢業生難以應用新技術進行創新；（2）缺乏交叉融合的教學內容研究和典型的交叉融合課程，使計算機基礎教學對學生后繼計算機應用和創新能力的支撐不夠；（3）一些高校一味壓縮計算機課

時，無法建立系統化的課程體系和實踐體系以加強學生信息融合創新能力的培養。因此，目前許多高校的計算機基礎教學在課程體系、教學方法、教學質量等方面，與新時代的新要求都有很大差距。

一、大學計算機基礎教學課程體系的演變

隨著計算機技術日新月異的變化和社會對復合型人才的需求，計算機基礎教育從無到有、由點到面擴大，從少數理工專業率先實踐，發展為所有高校的非計算機專業普遍開設相應課程。在早期（20世紀80年代），大學計算機基礎教學沒有自己專門的課程體系，計算機基礎課程主要以程序設計類課程為主，如譚浩強教授的程序設計類教材是當時各專業學習計算機的主要教材。自1997年教育部關于加強計算機基礎教學工作意見的指導性文件（155號文件）發布后，我國高校計算機基礎教學課程體系才開始形成，并經歷了“三個層次”課程體系到“1+X”課程體系的演變[2]。

1.“三個層次”課程體系

1997年，在我國計算機基礎教學歷史上具有里程碑意義的指導性文件——教育部高教司關于《加強工科非計算機專業計算機基礎教學工作的幾點意見》（簡稱155號文件）正式發布。文件明確了計算機基礎教學在大學教育中的重要地位，提出了高校要將計算機課程納入學校基礎課的范疇進行建設。文件提出了工科非計算機專業的計算機基礎教學應該達到的基本目標，并且提出了計算機基礎教學三個層次的課程體系，即：計算機文化基礎，計算機技術基礎，計算機應用基礎。

在這種分層教學課程體系的指導下，各校根據自己的情況選擇層次結構并確定課程方案。經過數年的發展，形成了一種比較典型的課程體系方案，即“三個層次五門課”：第一層次的“計算機文化基礎”課程；第二層次的“計算機軟件技術基礎”和“計算機硬件技術基礎”課程；第三層次的“計算機信息管理基礎”和“計算機輔助設計基礎”課程。

2.“1+X”課程體系

進入21世紀以來，社會信息化的急速發展，計算機技術與眾多專業的融合已成為一種趨勢，各專業對學生的計算機應用能力的要求日趨強烈且呈多樣化特點。同時，中小學計算機教育開始步入正軌并逐步普及。在此背景下，專業的要求、個人的興趣、就業的導向等多種因素促使學生學習計算機的熱情不減，對計算機課程的期望值也在升高，尤其希望學校能開出不同檔次、不同類型的計算機課程，以滿足各自不同的需求。

2006年，教育部高等學校非計算機專業計算機課程教學指導分委員會提出在新形勢下進一步加強高校計算機基礎教學的意見，即《關于進一步加強高等學校計算機基礎教學的意見暨計算機基礎課程教學基本要求》（簡稱“白皮書”）。白皮書提出了計算機基礎教學“4個領域×3個層次”的教學內容知識體系總體架構，并在此基礎上考慮各專業應用計算機的特點、差異和學時限制，提出了“1+X”的課程方案，即1門“大學計算機基礎”（必修）加上幾門重點課程（必修或選修）。“1+X”課程體系提出開設一門具有大學水準的基礎性課程（故名“大學計算機基礎”），使學生能在一個較高的層次上認識計算機和應用計算機。

2009年，教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會在2006年計算機基礎教學白皮書的基礎上，發布了《高等學校計算機基礎教學發展戰略研究報告暨計算機基礎課程教學基本要求》（簡稱“基礎要求”）。“基礎要求”進一步針對“1+X”的課程設置方案提出了核心課程的基本要求，并針對不同的學科門類，給出了基于“1+X”體系的核心課程組成。

理工類：大學計算機基礎、程序設計基礎、微機原理與接口技術、數據庫技術及應用、多媒體技術及應用、計算機網絡技術及應用。

醫藥類：大學計算機基礎、程序設計基礎、數據庫技術及應用、多媒體技術及其在醫學中應用、醫學成像及處理技術、醫學信息分析與決策。

農林（水）類：大學計算機基礎、程序設計基礎、數據庫技術及應用、計算機網絡技術及應用、數字農（林）業技術基礎、農（林）業信息技術應用。

與此同時，教育部高等學校文科計算機基礎教學指導委員會在2008年出版了《高等學校文科類專業大學計算機教學基本要求》[3]，針對文科類專業計算機應用的特點，提出了“1+X+Y”的課程體系方案。“1”即計算機公共基礎課程（大公共課程），“X”為面向不同文科專業類別的小公共課程（專業基礎課），“Y”為具有計算機背景的專業課程。該基本要求還設計了計算機大公共課程和小公共課程的知識模塊體系，供各校根據實際情況組成相應的課程。

隨著計算機技術在經濟與社會各個領域中的應用越來越深入、融合創新越來越強，以及基礎教育中信息技術教育的推廣，大學計算機基礎教學培養計算機技術應用能力和計算思維能力的要求更加強烈。簡單、統一的計算機基礎課程體系已經無法應對不同類別專業和不同層次學校的需求。因此，一種柔性、可支撐分類分層次計算機基礎教學的課程體系就成了必然要求。

二、“寬、專、融”的大學計算機基礎課程體系

課程體系建設是構建在培養目標以及知識體系基礎上的。大學計算機基礎教學知識體系涉及以下3個知識領域[1]。

（1）系統平臺與計算環境。涉及計算機硬件結構、操作系統、網絡平臺等方面的基礎知識以及信息與社會方面的內容，其子領域有：信息與社會、計算機系統、計算機網絡。

（2）算法基礎與程序開發。涉及計算基本原理、程序設計語言、程序設計基本方法、算法基礎以及軟件開發方法等方面的內容，其子領域有：計算模型、算法與程序設計、軟件開發。

（3）數據管理與信息處理。涉及應用計算機系統進行數據分析與信息處理的基本技術與方法，典型的有數據庫技術、多媒體信息處理技術、智能技術等，其子領域有：數據組織與管理、多媒體信息處理、分析與決策。

在上述知識體系中，“系統平臺與計算環境”方面的內容主要以大學計算機入門課程、通識型課程等形式出現；“算法基礎與程序開發”方面的課程作為支撐今后計算機應用的技術基礎，主要以技術型課程形式出現；“數據管理與信息處理”作為面向不同專業計算機應用的基礎，以技術型或者交叉型課程的形式出現。

因此，針對新工科人才培養的需求，結合面向的對象群體、教學目標和內容，我們可以將大學計算機基礎教學課程大致分為以下三類。

（1）面向基本素養培養的通識型課程。這類課程沒有明顯的專業指向性，重點培養計算機基礎教學中的基本知識、基本原理，包括計算機系統有關的基礎知識、計算機基本應用技能、程序設計基本方法、信息技術與社會發展等。這些課程往往作為入門課程以及必修課程，典型的有：大學計算機基礎、計算機科學導論等。

（2）作為計算機應用基礎的技術型課程。這些課程有比較明顯的專業類指向性，同時具有很大范圍的專業覆蓋性，重點根據計算機技術在專業領域中的應用特點，使學生掌握某一方面的計算機技術能力，為今后的專業應用打下基礎。典型的課程有：程序設計基礎、數據庫技術與應用、多媒體技術與應用，以及新技術方面課程如人工智能、虛擬現實、大數據技術、區塊鏈技術等。

（3）計算機技術與專業結合的基礎性交叉型課程。這些課程將計算機技術與專業應用直接結合，從專業需求角度展現計算機應用的技術和方法，具有比較明顯的專業特征。典型課程有：社會計算、數字設計與計算機仿真、信息產品設計基礎、工業互聯網、智能系統基礎、機器人技術基礎等。

目前，大多數大學計算機基礎教學教師承擔的課程主要集中在第（1）類課程和第（2）類的

部分課程，以及極少量的第（3）類課程。

我們認為，面向新工科的大學計算機基礎課程體系應該是：（1）具有彈性和柔性，可適應不同層次學校和不同工科專業的大學計算機基礎教學要求，便于實現分類分層次教學；

（2）可以對專業四年教學形成全程支撐，“四年不斷線”，而不僅僅是大學一、二年級的課程，這樣才具有更強滲透性和更深入應用支撐。

因此，我們提出一種基于上述三種類型課程構建課程體系的思路，即“寬、專、融”的課程體系建設方案，在通識教育、技術基礎、學科交叉等不同層面實現面向非計算機專業的計算機基礎教學任務。“寬、專、融”課程體系不是剛性的、由固定課程構成的課程體系，而是由三類課程組成有機關聯的、具有層次的課程體系。各高校可根據人才培養的定位和學生基礎，設計各個類別具體的課程，以滿足不同專業類別的需求，更好地實現交叉融合，支撐計算機基礎教學課程在大學四年教學中的全程滲透。

下表說明了“寬、專、融”三類課程的不同定位，以及典型的課程。

三、以交叉融合和強化實踐為特征的課程建設

課程建設是落實大學計算機基礎課程體系和保證大學計算機基礎教學質量的重要環節。課程建設主要是課程內容和實踐內容建設，以及教學方法改革等。面向新工科的大學計算機基礎教學課程內容建設方面，重點需要抓好以下三件事。一是研究通識型計算機課程的內容體系和教學方法，突出計算思維能力培養；二是建設一批反映新技術（如大數據、人工智能、物聯網）和新產業需求的技術基礎型課程，使新工科學生更好地了解和掌握計算機新技術；三是研究建設一批與專業更好融合的交叉型課程，強化信息融合創新能力和工程實踐能力培養。

（1）以計算思維能力培養為核心，加強大學計算機基礎通識型課程的建設。一般來說，大學計算機基礎教學課程體系中，有一門通識型課程，作為大學計算機基礎教學的入門課程，也是介紹計算機基本原理和方法的課程。該課程除加強計算思維能力培養外，還需要適度引入新技術及其影響方面的內容，加深學生對新技術、新業態、新模式的理解。這類課程可以以深度優先方式組織教學內容，比如集中于問題求解這條主線，縮小知識覆蓋面，加強內容深度；或者以廣度優先方式組織內容，給學生有關系統基礎、問題求解基礎等相對比較全面的介紹。

（2）以增強學生對新技術的理解和掌握為目標，建設一批技術基礎課程。傳統的計算機技術基礎課程有：程序設計基礎、數據庫技術基礎、網絡技術基礎、多媒體技術基礎等。隨著大數據、人工智能、物聯網等新技術的涌現以及逐步推廣運用，需要開設一批圍繞新工科人才培養需求的新技術基礎課程，如：人工智

能、大數據技術、虛擬現實、物聯網技術等方面的課程。需要針對新工科建設的需求，在課程內容、教學案例、實踐內容等方面進行專門設計，不能簡單照搬計算機專業課程。

（3）重點建設若干交叉融合課程。以信息化和工業化深度融合為主要目標的“互聯網+”是新一代信息技術的集中體現。根據信息技術的使能潛力和交叉融合的威力，需要探索開設一批面向工科專業的交叉型課程，如：智能系統基礎、機器人基礎、信息產品設計、工業互聯網、數字設計與計算機仿真等。

課程建設還要重視實踐內容建設和教學方法的改革。新工科專業建設的核心是培養交叉融合能力。面向非計算機專業的課程要避免成為計算機專業課程的知識濃縮，應該是通過提煉的案例以及項目實踐，使學生能較快地理解相關技術的應用背景和內涵，并通過動手實踐深入理解相應的思想方法，可以不必過分講究知識的覆蓋面。學生通過基于問題或者項目的動手實踐，不僅可以進一步理解相應的課程內容，而且可以通過熟悉相關的工具和平臺為今后更深入的專業應用打下基礎。因此，選擇合適的實踐內容和良好的實踐平臺讓非計算機專業的學生可以以較快的方式投入實踐是很關鍵的。相應地，教師需要積極推進教學方法改革，樹立以學生為中心的教學理念，充分發揮學生的學習積極性和主動性，積極探索問題引導的教學、研究性學習、翻轉課堂、基于項目的學習、協同學習等合適的教學方法。

可以充分發揮產學合作的作用，推進實踐內容建設和教學方法改革。比如，利用教育部產學合作協同育人項目，在數字化教學資源、實踐案例、實驗平臺和經費上獲得產業界的支持。另外，可以積極運用在線課程教學成果，推進慕課和SPOC的應用，實施翻轉課堂，加強學生交流研討，加強動手實踐，加強自主學習的能力培養。

一種比較好的課程內容和實踐內容建設方法是：打破傳統課程內容組織方式，將原來可能屬于不同課程的教學內容整合在一起。比如，將程序設計能力培養和新技術應用融合在一起，在北京理工大學開設的一些基于Python的慕課中可以見到類似的例子：Python與機器學習、Python與數據分析等。

四、結語

大學計算機基礎課程體系建設和課程建設需要在教學實踐中不斷提煉和完善，同時逐步形成固化的成果，比如教材。根據上述課程體系和課程建設思路，我們已經組織了浙江大學、華中科技大學、西安交通大學、北京理工大學、合肥工業大學、同濟大學、深圳大學、東北師范大學等一些高校的教師共同建設一批面向新工科的大學計算機基礎課程系列教材，并計劃在未來兩年內陸續出版。

新工科的建設對高校計算機基礎教學的發展既是機遇也是挑戰。高校計算機基礎教學質量的提升不僅有利于培養學生在信息社會中必要的計算思維能力，而且有利于提升學生的融合創新能力。高校應該充分認識到大學計算機基礎教學的重要性，在課時分配、課程體系建設、教學資源和條件配置等方面給予大力支持。

參考文獻：

[1] 大學計算機課程教學指導委員會. 大學計算機基礎教學基本要求[M]. 北京：高等教育出版社，2013.

[2] 中國高校計算機基礎研究會. 中國高等院校計算機基礎教育課程體系2014[M]. 北京：清華大學出版社，2014.

[3] 教育部高等學校文科計算機基礎教學指導委員會. 高等學校文科類專業大學計算機教學基本要求[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[致謝：本研究得到教育部新工科研究與實踐項目（2018年）的支持]

[責任編輯：余大品]