筑好計算機專業的第一級臺階

李寧

摘 要：分析了計算機導論課當前存在的問題和挑戰，指出計算機導論課的建設要以專業培養目標為依據，從認識規律出發，重點引導學生對專業的認知和對未知問題的探索。同時總結了國家級一流本科課程建設在教學內容、教學方法等方面的經驗，即根據應用型人才培養的需要，通過信息技術熱點案例引入原理性知識，啟迪計算思維，形成信息素養，激發專業興趣，引出留待未來專業課程中深入學習的問題。

關鍵詞：計算機導論;課程建設;教學改革;應用型人才培養

一、引言

當前世界范圍的高等教育受到以物聯網、大數據、機器人及人工智能等技術驅動的第四次工業革命的影響，正發生著深刻的變革。計算機科學與技術是促成新一輪科技革命和產業變革的原動力，這使得計算機類專業成為當前發展最快、學科交叉最多、社會需求量最大的專業。近十年來，國內計算機類專業逐步發展成為涵蓋計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程、信息安全、智能科學與技術等17個具體專業的大類專業。招生專業點達3976個[1]。作為計算機類專業的入門課程——計算機導論受到廣泛重視，它的教學內容和教學方法也是歷久彌新的研究主題，其焦點在于如何優化教學內容，強化能力培養，提升教學質量，為專業做好支撐[2-3]。

北京信息科技大學自2014年起開設計算機導論課程。該課程是為我校計算機專業學生設計的第一門專業基礎課，其目標是認知與導學。通過信息技術熱點案例引入原理性知識，啟迪計算思維，形成信息素養，激發專業興趣，引出留待未來專業課程中深入學習的問題。經過課程組對課程目標、教學內容、教學方法、考核方式等方面的不斷探索和完善，該課程于2017年入選校級本科優質課程，2019年入選北京高校優質本科課程，2020年入選“雙萬計劃”國家級一流本科課程。

二、導論課存在的問題和挑戰

導論類課程雖然重要，但不易講好。一般來說，計算機導論課有以下幾種類型[3-4]。

（1）替代大學計算機基礎，主要講解計算機基礎知識和辦公軟件、操作系統等的使用。常面向非計算機專業的學生，難以滿足計算機專業人才培養的要求。

（2）以專業知識為主。按照傳統門類講解計算機原理、操作系統、數據庫、計算機網絡等核心課程的入門知識。這種講法很難讓學生感興趣，而且和日后的專業課多有重復。

（3）以編程能力培養為主。編程雖然是計算機專業的基礎，但是這樣講難免以偏概全，難以達到導論課專業導學的全面要求，況且也會和其他的程序設計課程重復。

（4）以系列講座為主。這種講法難以實現課程目標，各講的內容缺少整體關聯。

（5）以計算思維為主，講解計算科學的核心問題和解決方式。這種講法比較適合高年級的學生，但對于大一學生，特別是非重點高校的學生很難聽懂和真正接受，還會讓學生日后對專業敬而遠之。

除了上述教學內容的問題，導論課還存在以下幾方面挑戰。

一是授課內容的廣泛性。計算機學科發展快且與多個學科交叉，因此導論課的內容涉及面廣。而目前大多數高校的導論課為48～64學時，我校的導論課學時更短，僅為32學時，授課內容很難面面俱到。即使選講一部分，學生仍然會感覺內容雜亂，抓不到重點。

二是授課對象的差異性。一些來自發達地區的學生，在中學階段上過信息技術基礎課程，甚至還具備了一定的編程能力;但是來自欠發達地區的學生存在一定差距。因而導致同樣的課程內容一些學生吃不飽，一些學生吃不了。

三是培養目標的挑戰性。今天計算機教育普遍提倡系統能力的培養，包括系統思維、系統設計、系統開發和系統應用等方面的能力[1]，工程教育專業認證也要求培養學生解決復雜工程問題的能力[5]。但是大一新生的計算機基礎知識還很薄弱，培養他們具備這樣的能力面臨諸多困難。

盡管導論課面臨種種困難和挑戰，但是學界對于導論課的期望是基本一致的。概括說來一門好的導論課應該具備以下特點：能夠達到課程目標和畢業要求，這也是工程教育專業認證對所有課程的基本要求;能夠喚起學生的興趣;能夠起到專業引導的作用。

三、導論課的建設與探索

如何建設計算機導論課，使之達到金課所要求的“高階性、創新性、挑戰度”？我們認為，解決上述問題的根本首先是要對專業培養目標有明確認識，什么樣的培養目標就會有什么樣的導論課設計;其次，計算機導論課的教學要堅持以“導”為主，而不是以講授知識為主;最后，要從認識規律出發，設計合理的教學內容和教學方法。

1.適應培養目標

北京信息科技大學計算機學院擁有四個計算機類專業，即：計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程以及數據科學與大數據技術。學生在大一階段基本按大類方式培養，最先開設的專業基礎課程是計算機導論和C語言程序設計。計算機導論是四個專業的必修課程，需要做到對四個專業培養目標的支撐。

從工程教育專業認證的角度，學校的辦學定位決定專業的培養目標，專業的培養目標決定畢業要求，畢業要求決定課程目標[5]。我校的辦學定位是建設成為高水平應用型大學，人才培養的目標是培養具有較強實踐能力、創新意識與國際化意識、德智體美勞全面發展的高素質應用型創新人才。相應地，計算機科學與技術專業的培養目標為：培養具備計算機軟硬件專業知識和專業能力，良好的科學素養和社會責任感，協作精神、創新意識和國際視野，自主學習和終身學習能力，能夠成為信息技術領域從事計算機軟硬件系統分析、設計、實現、測試及應用等工作的高素質應用型人才。在畢業要求方面，一般學校會基于工程教育認證的12條通用標準確定本專業的畢業要求，然后分解成若干指標點，通過課程矩陣來支持。一門課程一般只對應少量的指標點和畢業要求，但是有趣的是，由于導論課涉及面廣，有研究顯示計算機導論課可以支撐幾乎所有的畢業要求[6]。

有些學校甚至會把其他課程難以支撐的指標點留給計算機導論課來支撐，這也是可以理解的。我們認為，導論課與培養目標的一致性更為重要。基于培養目標，研究型高?？梢詡戎赜嬎闼季S的培養，引導學生在畢業后從事理論性的研究;應用型高?？梢詡戎毓こ趟季S或設計思維的培養[7]，引導學生畢業后從事產品創新或解決復雜工程問題。北京信息科技大學的計算機導論課就屬于后者。

2.發揮導學作用

很多學者曾探討計算機導論課的作用，例如，文獻[8]將之歸納為“五導”，即知識引導、方法引導、思維引導、意識引導和職業引導。針對北京信息科技大學的人才培養定位和專業培養目標，我們認為導論課應重點引導學生對專業的認知和對未知問題的探索。我們從認知規律出發，從應用中來到應用中去，通過好奇心激發學生的專業興趣，注重知識的原理性、系統性和實用性，避免套用生硬、高深的專業理論框架，從學生熟悉的IT領域熱點案例切入，通過問題引導，結合實物，深入淺出地講解計算機工作原理，并把計算思維的培養貫穿其中。例如：第一章，從人機博弈談計算機如何思考，引申出計算機的基本功能、數據和指令的表示、CPU的工作原理、程序和算法的概念以及人工智能應用;第二章，從超市購物談計算機如何記憶，引申出二進制和十六進制數據表示、存儲器的工作原理、內存和外存的概念、數據類型和數據庫以及數據挖掘技術;第三章，從無人汽車談計算機如何改變外部世界，引申出感知、控制與反饋原理、計算機接口、常見的計算機外部設備、計算機系統的概念、單片機與嵌入式系統的應用，等等。改變了傳統的專業知識體系，但又覆蓋了應有的知識點。使授課內容更加貼近實際，各部分知識的關聯更加緊密。

圖1和圖2展示的是我們導論課的第一講“計算機如何思考”的知識圖譜。這一章從近年人工智能的熱點話題Alpha-Go圍棋切入，引出計算機系統、指令與算法等核心概念（如圖1所示）;由此輻射到計算機原理、計算機軟件、人工智能等專業知識，最后再回到機器人、生物特征識別和數據挖掘等重點應用，實現認識的螺旋式上升（如圖2所示）。此外，在講解CPU工作原理的時候，對照文獻[9]中的計算思維的規律和方法，告訴學生自動執行是計算機學科區別于其他學科的重要特點，也是解決一切計算問題的前提條件。

在課堂上，我們既要讓學生知道今天解決了哪些問題，還要讓他們知道哪些問題還沒有解決，或者怎樣解決會更好。這有助于培養學生的創新意識，激發其學習興趣和學習動力，甚至可以幫助他們樹立人生規劃和未來的奮斗方向。另外，將前沿知識和最新發展融入計算機導論的教學內容中，既是深化專業課程改革的必然趨勢和發展方向，也是創新性、應用型人才培養的有效途徑。學生對前沿知識、先進技術和重要成果有了一定了解之后，能夠拓展其視野，啟迪其思維，對于創新能力以及解決復雜工程問題能力的培養都大有裨益。我們在課程中融入諸多信息技術領域的最新發展，例如人工智能、云計算、大數據、量子計算、量子通信等，并鼓勵學生從多種途徑學習這些知識。然而，如何在十分有限的時間內讓學生理解這些前沿知識，并了解這些知識的重要性，仍然具有挑戰性。有了這些層次豐富的教學內容，起碼我們不必再擔心學生基礎參差不齊，可以很好地進行分層教學。

3.注重認識規律

導論類課程要特別注意尊重人類的認識規律，即從感性認識到理性認識，從具體到抽象，從現象到本質。當前的一種傾向是倡導導論課中計算思維的培養[10]。將計算思維與導論課結合是近年來眾多國內外學者和學術機構所熱衷的[11]。但我們認為，計算思維雖然重要，但是它屬于認識論和方法論的范疇，是需要學生在足夠的編程實踐等感性認識的基礎上才能體會到的理性認識，在新生剛剛步入大學階段立即引入計算思維教學，效果不一定理想[12-14]。我們的課程中并沒有設置專門的章節講授計算思維，而是將基礎知識與計算思維關聯起來講授。每講完一部分知識，都會引導學生從計算思維的高度加以深入認識，在潛移默化中體會計算思維的精髓，做到“授之以漁”。

除了常見的各種應用，學生對計算機的感性認識大多來自硬件。我們在講授導論課的時候，會隨時拿出一些計算機配件，如計算機主板、CPU、內存條、拆開的硬盤和U盤、拆開的鍵盤和光驅等，這些實物對于學生理解計算機原理很有幫助。本課程的實踐環節安排學生自主完成計算機組裝實驗和開源軟件的使用，鍛煉學生“學到、看到、用到、做到”的能力。此外，盡管課時較少，6年來我們堅持組織全體學生到天津曙光計算機產業有限公司參觀高性能服務器生產線，聽取講解，親眼看見國產芯片的成功應用，讓學生了解真實的計算機制造過程、所用的關鍵技術和國產化水平。在加深知識理解的同時，激發他們打好基礎迎接挑戰，將來為國家解決“卡脖子”難題的愛國情懷。學生在參觀感言中說：“當我走進曙光公司的時候，真正被震撼了，通過介紹得知曙光高性能計算機連續11年穩居國產高性能計算機市場第一，擁有70%以上的份額，超越了國外產品。我突然感到壓在自己身上的擔子很重，這是當初選擇計算機專業的時候沒有想到的。”

在解決復雜工程問題能力以及創新能力的培養方面，很多人會問，大一學生專業基礎薄弱，怎么可能具備這種能力呢？我們認為，這些能力的培養應從學生的觀察、思考和表達訓練入手，養成問題意識，通過探究式學習尋找答案。這是導論課可以有所作為的。為此，我們設計了許多開放性的問題，例如：如何提高計算機的速度？怎樣設計一個智慧校園？等等，作為課后作業或在課堂上討論。這些問題往往會得到幾十種回答，其中不乏創新的想法。

四、總結

我校的計算機導論課根據學校的辦學定位和專業培養目標，確定課程的教學內容和教學方法。從認識規律出發，舍棄了傳統的導論課教學模式，通過IT熱點案例引入原理性知識，啟迪計算思維;通過一系列思考性的問題，喚醒學生的好奇心，引出未來在專業課中需要深入學習的內容，起到導論課認知與導學的作用。

本課程教學效果良好，近年教學效果評價均為95分以上，學生對課程的滿意度均超過90%，課程目標全部達成。教學評價認為該課程教學理念先進，教學內容深入淺出，獨具特色，理論聯系實際，注重教學方法的革新。學生評價說：“通過導論課的學習，不僅學到了專業知識，還讓我們學會了思考，幫我們樹立正確的人生觀和價值觀?！?/p>

入選國家級一流本科課程之后，我們將以更高的標準建設好課程。目前正在加緊線上和線下教學資源的建設，編寫教材。此外，還將盡量利用好國內外優質資源，學習兄弟高校的經驗，把課程建成具有高階性、創新性和挑戰度的金課，筑好計算機專業學生登堂入室的第一級臺階。

參考文獻：

[1]教育部高等學校計算機類專業教學指導委員會，智能時代計算機專業系統能力培養研究組. 智能時代計算機專業系統能力培養綱要[M]. 北京：機械工業出版社，2021.

[2]王劍. “計算機導論”課程教學“痛點”分析與對策[J]. 科技視界，2018（28）：198-199.

[3]朱強. 基于應用型人才培養的“計算機科學導論”課程教學改革研究[J]. 無線互聯科技，2019，16（19）：105-106.

[4]吳衛江，李國和，趙建輝. 計算機導論課程建設探索[J]. 福建電腦，2018，34（5）：58-59.

[5]中國工程教育專業認證協會. 工程教育認證標準[Z]. 2017.

[6]董榮勝，李鳳英，汪華登. “新工科”背景下“計算機科學導論”課程建設初探[J]. 工業和信息化教育，2018（4）：6-11.

[7]顧容，熊海燕，李暉. 工程思維視角下高校通識教育課程的設計與研究[J]. 教育探索，2020（4）：4.

[8]袁方，王兵，李繼民，等. 改革教學方法，發揮計算機導論的“五導”作用[J]. 計算機教育，2011（1）：95-97.

[9]徐志偉，孫曉明. 計算機科學導論[M]. 北京：清華大學出版社，2018.

[10]陳國良，董榮勝. 計算思維的表述體系[J]. 中國大學教學，2013（12）：5.

[11]牟琴，譚良. 計算思維的研究及其進展[J]. 計算機科學，2011（3）：10-15.

[12]魯強. 計算思維導引新生研討課的實施與認識[J]. 計算機教育，2016（10）：133-136.

[13]史文崇，劉茂華，楊大志. 計算思維教育的困惑與博弈[J]. 中國遠程教育：綜合版，2019（8）：59-67.

[14]杜子德. 計算思維及其意義[J]. 中國計算機學會通訊，2019（10）.

[責任編輯：余大品]

李 寧，北京信息科技大學計算機學院院長，教授。