面向新工科的創新編程教育方法研究

楊靜，劉庭卿

（1.貴州大學 省部共建公共大數據國家重點實驗室，貴州貴陽 550025；2.貴州大學 機械工程學院，貴州貴陽 550025；3.貴州大學 計算機科學與技術學院，貴州貴陽 550025）

隨著我國經濟和移動互聯網的快速發展，現今已經變成了電子信息的時代，人工智能、機器人、云計算和區塊鏈等技術迅速崛起，工業產業正面臨著傳統產業數字化轉型及數字科技人力資源短缺的雙重挑戰[1]。在電子信息產業的推動下，社會對計算機硬件和軟件的各種需求在不斷增加，而計算機編程教育是計算機發展的基礎和規范。高校創新型編程人才培養出現一些問題，如培養模式不夠先進、實踐機會少、解決實際問題能力弱以及整體創新能力不足。面對這樣的狀況，需要高校和政府相關部門進行有效的教學優化，針對計算機未來行業的發展要求，為進行更好的軟硬件設計提供資源和技術支持。而目前新工科編程教育的最大問題在于教學目標是否能夠滿足未來行業的發展需求，新工科下的編程人才培養要求跳出單一學科的視野，尋求多學科融合的開闊維度，既要有扎實的基礎知識，又要有豐富的實戰經驗和前瞻性的科學視角[2]。計算機編程語言種類繁多，學生在繁重的學習任務下也不可能系統地學習多種編程語言，而是要把握未來信息時代發展方向的重點，學習未來工作中涉及的必要的編程語言。但編程對大多數學生而言是枯燥乏味的，學生容易對編程缺乏興趣。所以，教師不僅要教會學生編程，更是要讓他們在思想上認識到創新性地解決問題才是教育的核心。

1 新工科建設促使編程教育成為重點

新工科是根據國家發展戰略提出的代表新工程教育的改革方向[3,4]，新工科建設的深入發展，強調的是應用性技能和實踐性教學，是為了培養未來多元化、創新型卓越工程人才。為了能夠應對新一輪的科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、《中國制造2025》[5]的實施，對新的工程建設提出了新要求，新工科專業主要指新興產業的專業，以互聯網和工業智能為核心，包括大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、虛擬現實、智能科學與技術等相關工科專業。云計算、區塊鏈等新興技術為傳統工業發展注入了新鮮血液，這些新技術不僅需要理論支持，還涉及計算機編程的重要知識。編程教育是多學科共享和交叉融合的教育，涵蓋科學、技術、數學等，注重知識的靈活運用，比起學科分離的傳統教育，編程教育更符合現代產業的人才需求，因此，新工科建設強調的是實踐、創新和國際競爭力。這些在互聯網發展中具有代表性的新技術都需要用到計算機編程，高校在人才培養過程也需要高度重視編程教育，編程教育發展的重點就是應用實踐能力、創新能力、工程思維。2018年，教育部發布《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》[6]，將“集成電路”“人工智能”等專業列入我國戰略性新興產業相關學科專業，這些專業多數與計算機專業關系密切，因此，基于新工科的建設目標，推動計算機專業內涵建設將成為計算機專業發展的必然趨勢[7]，尤其是計算機編程教育。編程教育是計算機類學科中非常重要的專業課程，甚至貫穿本科學習的始終，重視編程教育是提高高校教學質量、培養實踐型人才的根本保障。

2 當前編程教育存在的問題

2.1 師資隊伍整體水平有待提高

高水平的師資是學科建設的核心，師資水平的高低在一定程度上決定了學科教育的高度，師資隊伍質量建設在學科教育建設中具有重要的地位和作用。目前，技術工程類教師稀缺，教師的教學水平、職業技能水平良莠不齊，缺乏實踐能力和創新技能，一些教師只能講授專業技能。編程教育是一項技術與工程的教育，其中涵蓋的學科種類繁多，而且注重的是實踐教學，這對實驗教師有更高的要求，實驗教師是教學和實驗研究的組織者和實施者，開展好的實踐教學要求實驗教師工作熱情，知識技能豐富，專業技術水平高，要有科研精神和創新能力。實驗教師的水平直接影響到實踐教學質量和科研成效[8]。

2.2 教學方式單一，內容缺乏創新

編程教育重視的是知識與計算機相結合的應用實踐能力，單一地將理論知識與計算機實踐課程孤立是錯誤的做法。當前教學方式基本是采取面授教學，而教師在課堂上授課時只滿足把書本上的知識講清，單向地灌輸知識，忽略了知識的拓展性，使學生一直處于被動接受的學習狀態，這樣無法滿足學生對知識結構的需求，無法建立完整的知識體系。尤其是一些編程語言類課程，需要與實際應用聯系一起操作的程序設計方法等，無法用語言和板書來講解和描述清楚，使學生學習興趣低落，思維能力受到障礙，在啟發和培養學生的觀察力和想象力方面有一定的局限性[9]。教學課本內容陳舊，不能夠與時俱進，現在IT技術更新快，課本上的內容跟不上社會的發展需求，這樣片面的教學也達不到新工科編程教育的要求。

2.3 教育思想觀念有待轉變

編程是信息時代的產物，編程教育包含數字文化、計算機文化、網絡文化、信息文化等多種元素。但是由于各種文化的差異，編程教育不能生搬硬套其他國家的教育方式和經驗，編程不僅僅是一種技術，更是一種文化的活動，它會受到行為和文化的影響。例如，有些高校是編程語言課程采用外教教授或采用外語課本，這對學生而言會造成極大的學習壓力，編程語言的學習本身相對枯燥，采用外語形式教學更讓學生難以理解。教育的本質是提高人的生命質量和生命價值，編程教育的核心理念是培養學生的創新思維和解決實際問題的能力，身為教育者應當引導學生去思考和正確認識編程，而非一味地解釋知識點。人工智能和萬物互聯已經深入人心，編程語言甚至可以作為人類除母語和外語之后的第三語言，教會學生編程語言更重要的是賦予學生在智能時代應有的更深層人機共處的世界觀、思維方式、技術價值觀、責任感等觀念，引導著編程教育的發展，編程教育并非只是教會學生如何編制程序，而是培養學生的計算思維和創新能力，以及認識未來智能時代的正確方式[10]。讓學生不僅要學會知識，更重要的是從技藝到能力的提升，尊重結果，看重過程。

3 編程教育的改革探索

3.1 加大政策性支持

國家自2014年以來相繼出臺相關政策，2016年6月，教育部印發《教育信息化“十三五”規劃》[11]，將信息化教學能力納入學校辦學水平考評體系，將STEAM教育規定為基本學科。2017年7月，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》[12]，將人工智能提升為國家發展戰略。2019年3月，教育部辦公廳印發《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》[13]。除此之外，浙江、江蘇等省也積極響應中央政策，開啟了編程教育改革。

3.2 加強新工科編程教育的師資建設

編程教育內容的復雜性決定了專業教師需要具備高水平的實踐能力和創新能力。要推動新工科的編程教育系統和規范發展，需要政府、高校、社會的共同努力。高校各級部門要制定師資人才培養的目標，細化培養過程，不僅注重教師的專業能力與實踐技能，也注重人才的創新意識、領導能力以及終身學習的品質[14,15]。面向新工科的編程教育，重點是培養師資隊伍的實踐能力和創新品質，通過教學、科研中的創新意識，進一步推動學生人才培養中各個過程的創新，最終提升新工科編程教育的創新建設能力。讓師資隊伍整體具備新工科人才培養的創新視野，師資隊伍在新經濟產業下開展教、學、研方面的現代教育工程體系能力培養，不斷提升工程實踐能力和素養，與時俱進，努力成為新工科的工程教授、工程教育骨干。

3.3 教學內容的創新

課程建設是高校教學建設的基礎，也是高校建設的重要內容。在新工科背景下，需要有“科教相融、科創相助”的人才培養理念，培養學生工程意識、科學精神、創新能力、協作意識、團隊精神、組織能力等綜合素質[16]。在課堂上，可以采用項目式教學的方法。例如，在編程語言的課程中，將項目式教學引入課堂，實際應用和理論知識相結合的形式，既能豐富教學內容，又能提升學生的學習興趣，使得枯燥無味的編程語言變得有聲有色。多樣式的項目也能讓學生得到更多的訓練，編程本身是一項長時間實踐的技術，針對不同的項目運用不同的方法，能讓學生將所學的知識充分地應用和吸收，更好地理解編程過程。針對信息量、知識點眾多的編程算法教學，采用項目式的教學方式，可以將知識點化繁為簡，提高學生對知識點的掌握程度，項目式的教學方法還能提高學生的自主學習能力，將編程教育中最重要的實踐展現得淋漓盡致。以項目為主線穿插在課堂之中，教師對學生在收集信息、制定計劃等流程中積極引導，指出設計的計劃可行性與信息錄入的程度，讓學生自主設計實施。在項目式教學中，注重的不是最終結果而是完成項目的過程，學生在項目實踐過程中，理解和把握課程要求的知識，體驗項目制定與完成的樂趣[17]，達到培養分析與解決問題的思維與方法的目的。

3.4 基于開源平臺的學生創新性能力培養的“新”編程教學模式

通過引導學生建立開源理念，學習開源方法，掌握開源工具，理解開源生態；建立產學研協作、開源為中心的信息學科實踐教學平臺，讓學生能夠在實踐環節接觸開源、使用開源、分析開源、參與開源；利用學校的相關課程鼓勵學生參與開源軟件研發。

同時，通過信息學科開源平臺，如Github開源平臺，教會學生對所有在本平臺上發布的編程知識進行數據共享，同時，設計者可將在該平臺上發布的數據分享經驗、糾正錯誤、改正不足。該平臺上的數據供登錄該平臺的所有使用者大面積使用，克服時間、空間限制，提高學生上課的積極性，增強了學生對相關編程原理知識的理解，培養了學生的創新能力。

通過基于開源平臺和校企合作模式的“反饋式”推進教育教學創新性能力培養模式的研究，增強學生對知識的理解，減輕教師教學的負擔，提高課堂教學的質量和效率，如圖1所示。

4 結語

新工科是高級工程教育改革的指導思想，為工科教育指明了方向，與高新技術產業密切相關。在人工智能和萬物互聯的時代，搞好新工科的編程教育建設能夠拓展未來科學技術，為培養創新型人才提供有力保障。因此，積極推動新工科編程教育，能夠快速適應以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟的發展需求，能夠更好地培養實踐能力強、創新能力高的高水平人才，能夠為電子信息這場攻堅戰奠定堅實基礎。