新工科背景下地方本科院校計算機通識教育的探索研究

李艷玲，張劍妹，王文溥

(長治學院 計算機系，山西 長治，046011 )

大學計算機基礎教育在高校通識教育背景中對非計算機專業學生的思維能力培養起著舉足輕重的作用。學生通過對大學計算機基礎課程的學習，不僅可認識以計算機為核心的信息技術在信息化社會中的地位和作用，更重要的是能夠培養其信息素養，為后續專業課程的學習打下一定的基礎。

培養創新型人才是當下高等院校的核心任務。在此背景下新工科教育改革方向得以形成，并先后形成了“復旦共識、天大行動和北京指南”。2018 年教育部提出大力發展“新工科、新醫科、新農科、新文科”的四新戰略布局。如何應對新科技革命的挑戰是擺在相關學科教學面前的難題。新工科的內涵是“培養未來多元化、創新型卓越工程人才”，而新形勢下大學計算機基礎課程的教學改革，對培養具有可持續競爭力的“創新型卓越工程人才”顯得尤為重要。新工科要求地方應用型本科院校要對區域經濟發展和產業轉型升級發揮支撐作用，充分利用地方資源，發揮自身優勢，深化產教融合、校企合作、協同育人，增強學生的就業創業能力，培養大批具有較強行業背景知識、工程實踐能力、勝任行業發展需求的應用型和技術技能型人才[1]。因此，地方應用型本科院校如何切實有效地進行大學計算機基礎課程的教學改革，以適應新工科人才培養的需要是目前亟待解決的問題。

20 世紀70 年代末，國內高等院校面向各專業大學生開展計算機基礎教學。隨著計算機的普及和網絡的發展，人類進入信息化社會，整個社會對于計算機的依賴程度越來越高，高校計算機教育也變得越來越重要。1997 年教育部高教司頒發了《加強非計算機專業計算機基礎教學工作的幾點意見》,對于促進和規范高校計算機基礎教學工作發揮了重要作用。實踐證明，該課程所包含的知識和技能對于信息化時代的大學生來說是不可或缺的。使學生較系統地學習計算機的操作技能和相關的科學理論，提高學生獲取新知識的能力，提高計算機文化素質，能夠使其適應未來工作的需要，為今后進一步學習打下了良好的基礎。但這個時期的計算機基礎課程更多處于掃盲階段，沒有將能力培養的重要地位突顯出來。21世紀隨著互聯網的廣泛普及，MOOC 和SPOC 席卷全球，大學教學方式發生了翻天覆地的變化。大學計算機基礎教學面臨著巨大的機遇與挑戰。

1 面向新工科的計算機基礎課程體系構建

1.1 計算機通識能力培養的教學目標

教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會制訂的《大學計算機基礎課程教學基本要求》提出：大學計算機基礎課程應該培養學生的“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”，從教學層面上提供一個可操作的內容和標準，以實現學生計算機通識能力培養的教學目標[2]。而新工科時代的主要特征是智能化和信息化，強調培養人工智能、智能制造、“互聯網+制造”、機器人、云計算與大數據等方面的跨學科、跨專業的新型人才培養的重要性和緊迫性，對學生計算機系統的綜合應用能力提出了更高的要求和目標。

根據新工科教育的新目標，結合《大學計算機基礎課程教學基本要求》，筆者以“通過計算機基礎知識，建立計算機科學與機器計算的思維方式，具有面向算法計算的思維能力；通過現代軟件的運行模式，建立面向問題的思維理念，具有在現代計算機環境下解決復雜問題的能力；掌握面向解決系統性問題的方案設計與實踐方法，初步具備新工科理念解決系統性、綜合性問題的能力”等三個方面為教學目標，培養學生的計算機通識能力[3-5]。

1.2 大學計算機基礎課程體系

21 世紀，大學計算機基礎教學通過構建“能力體系-知識體系-課程體系”，擴展了計算機基礎教學的廣度與深度。課程體系建立于知識體系和能力體系基礎之上，基于此，按照“1+X+Y”的結構設置大學計算機基礎課程的體系基本框架，如圖1 所示。該體系結構中，“1”為計算機文化基礎，主要講授計算機基礎知識和基本技能。“X”指的是x 門拓展課程，“Y”指的是一組深度運用信息技術的程序設計課程。

圖1 “1+X +Y”課程體系結構

x 門拓展課程旨在補充各專業因學時所限而無法涉及的內容及計算機領域的前沿技術，拓寬和加深課堂學習的內容。y 門深度運用信息技術的程序設計課程面向復合要人才的培養，注重培養學生利用計算機技能解決實際應用問題的能力，增強學生的就業能力。根據不同的專業需求，可以在原有的課程體系中增加拓展性內容。按照上述基本框架，通過入學測試及發放調查問卷，了解學生需求，開展分類分層多樣化教學[10]。

根據我校實際情況，將非計算機專業學生主要分為三類：理工類、文科類和藝術類。理工類學科學生邏輯性強，注重規則，態度嚴謹，具有良好的邏輯推理能力。因此講授內容側重于程序設計、大數據應用等，培養具備程序設計能力的創新人才。文科類學生綜合素質高，富有創新進取精神。講授則偏重于信息檢索等知識，注重培養學生敏銳的信息意識和計算思維。藝術類專業包括音樂、體育、美術和學前教育。這類學生的整體文化基礎水平較弱，但是思想活躍，有較強的賞析能力。所以從傳統側重知識的傳授轉向注重實踐能力的培養，采用項目驅動方式強化軟件應用能力的形成，培養其作品欣賞與設計能力。

1.3 課程實施

1.3.1 理論教學

根據教指委的教學基本要求，大學計算機教學包含3 個領域，即系統平臺與計算環境、算法基礎與程序開發、數據管理與信息處理。每個領域又包含若干子領域，可根據分類分層次的需求及學生的掌握水平調整內容，設計適合本校不同專業學生的教學方案。

基于網絡合作學習理論對原有教學內容重新整合并梳理排序，從而使整合后的知識模塊能夠與網絡課程教學平臺較好地結合在一起。通過在線學習和課堂教學，進一步加深和完善教學內容。在線學習的各模塊知識要點相對獨立，便于實現碎片化學習。采用翻轉課堂進行教學，以此提高學生的學習積極性。

1.3.2 實踐教學

大學計算機是一門實踐性非常強的課程，旨在培養學生運用計算機解決實際應用的能力。關于實驗步驟的講解，以往只能通過老師的語言描述，其中涉及到的理論、算法等內容非常抽象、不易理解。虛擬仿真實驗將枯燥的實驗數據可視化，用直觀的動畫演示幫助學生理解復雜的概念及原理，打破過去“老師講，學生聽”的單一局面，提升學生身臨其境的參與感。為提高學生實驗實踐能力及創新實踐能力，筆者自主研發了進程調度的模擬實驗，為學生計算機能力的提升提供強有力的保障，如圖2 所示。通過虛擬仿真實驗，加深學生的工程實踐能力。該實驗結合實例演示激發學生主動思考，配合幫助文檔引導，在相對輕松的氛圍中幫助學生理解程序與進程的關系。

圖2 虛擬仿真實驗效果圖

以學生素質和能力的培養為出發點，采用“進階式”教學，分層設計實驗內容。實驗按層次劃分為基礎驗證型實驗、綜合型實驗和創新型實驗。基礎驗證型實驗主要用于鞏固課內知識點，以便老師了解學生的學習效果和實際動手操作能力。課外學生還可以通過小組合作形式設計綜合型實驗，進一步綜合應用所學知識點。創新型實驗則針對有余力的學生，重點培養其創新性思維。

1.3.3 思維能力培養

計算思維能力可通過熟練掌握計算機科學的基礎概念而提高。《大學計算機基礎課程教學基本要求》中總結凝練了大學計算機教學涉及的42個主要核心概念，并將其劃分為基于8 個類別的計算思維表達體系，即計算、抽象、自動化、設計、評估、通信、協調和記憶，每個知識模塊需關注相應核心概念的計算思維培養，在課程中滲透計算思維的思想[11]。如程序設計課程體現了諸多計算思維的核心思想，這些思想和方法有助于學生理解計算的本質和計算機求解問題的基本思想。因此掌握計算機分析問題和解決問題的思想方法，并創新性地用于其他應用問題的求解，特別是學生感興趣的實際問題，加以適度引導從而作為創新型實驗，可以激勵學生創新意識，提升計算思維能力。

在此過程中同時關注課程和思政的結合，豐富課程內容，如振興中國芯片、發展5G 技術等，鼓勵學生為中國夢奮發圖強，培養學生的愛國情懷[12]。

2 多元化交互式教學模式

隨著教育信息化2.0 時代的到來，多元化和網絡化模式正日益取代傳統的單一化教學。多元互動使教師和學生的身份發生了本質的變化，學生和教師不再只是教與學的關系，而是在此基礎上實現的多元化互動格局。因此有必要以上述課程體系基本框架為依據，建立多元交互的學習模式[13]。

教師將課程內容劃分成若干模塊，基于MOOC 平臺制作線上課程，打破傳統課堂教學的局限，提升教育教學質量。整個教學分為課前、課中和課后三個部分，如圖3 所示。

圖3 “多元交互學習”教學模式

課前教師發布學習任務，學生利用碎片時間選取模塊線上聽課。在此過程中，學生真正實現按需學習，對于不熟悉的內容可以反復學習。這部分基礎知識以自學為主，課上不再重復講解。課中，教師作為引導者，以翻轉課堂的方式進行答疑解惑。由于學生已提前預習，所以一定是帶著問題聽課的，由此可以提高課堂上對這些知識點的掌握程度。教師可以采用小組討論、項目探究等多種方式增強師生、生生間的互動，激發學生的學習興趣。課后通過設計作品、互評、線上測試等方式形成考核機制，有利于學生總結反思，從而達到知識升華的目的。在此過程中，線上平臺會記錄每位學生的學習痕跡，所有學習過程均可以被統計，為教學跟蹤與反饋提供依據，促使學生按設定的目標主動學習。

結語

新工科建設背景下，大學計算機基礎教學如何改革是一個重要的議題。計算機基礎課程的實踐性和應用性特點決定了其在專業建設、學科建設中必然發揮重要的作用。未來教育對課程目標、課程定位、內容設計均提出了新的要求。另一方面，互聯網、大數據、人工智能的發展改變了傳統的教學環境，極大地影響了我們的學習和思維方式[14]。只有確立分類課程體系與交流互動的教學模式，才能實現學生全面、多樣化、個性化的發展，才能體現以學生中心，注重能力培養的教學理念，才能有效提升課程的高階性和創新性。