基于新工科的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程體系思考與探索

姚 琳，宋 晏，石志國

（北京科技大學(xué) 計算機與通信工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

科學(xué)技術(shù)日新月異，科技革命引領(lǐng)的工業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)革命處于不斷演進(jìn)中。在全球第四次工業(yè)革命來臨的大背景下，各國爭取發(fā)展主導(dǎo)權(quán)的戰(zhàn)略應(yīng)運而生，如美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、德國的“工業(yè)4.0”以及“中國制造2025”等新工業(yè)模式相繼推出，它們都重新定義了“工程”的概念。新工程具有“集成與融合”“智能與創(chuàng)新”的特點，強調(diào)了信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合。新工業(yè)革命對支撐工業(yè)發(fā)展的工程教育也提出了新的挑戰(zhàn)，國家戰(zhàn)略視角下的新工科建設(shè)是對這一挑戰(zhàn)做出的積極回應(yīng)。

2017年，我國新工科建設(shè)經(jīng)過了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”三步走，標(biāo)志著以新工科建設(shè)為主題的高等工程教育改革完成了綱領(lǐng)性設(shè)計。

2018年初，教育部正式公示了新工科研究與實踐項目認(rèn)定結(jié)果，來自全國高校的612個項目入選。教育部新工科項目的正式認(rèn)定，意味著新工科建設(shè)開始進(jìn)入實施階段。

1 從內(nèi)涵特征看新工科人才計算機通識能力培養(yǎng)

新工科的“新”包含3方面內(nèi)涵：新興、新型和新生，所以新工科代表的是最新的產(chǎn)業(yè)、行業(yè)發(fā)展方向，是正在形成的或即將要形成的新的工程學(xué)科。新工科的建設(shè)服務(wù)于以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式為特點的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。從新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式看，新經(jīng)濟(jì)強調(diào)以產(chǎn)業(yè)鏈的整合替代傳統(tǒng)學(xué)科專業(yè)化的分工，新工科也必將跨越原有產(chǎn)業(yè)和行業(yè)界限。從學(xué)科角度，新工科需要多個學(xué)科的交叉、融合、滲透或拓展[1-2]。

計算機通識類課程作為新工科教育的重要地基，需要從底層就做到教學(xué)內(nèi)容新穎，跟上時代，將最新科技和工程前沿引入課堂教學(xué)，向?qū)W生輸送創(chuàng)新意識，教授學(xué)生如何學(xué)習(xí)新技術(shù)、運用新技術(shù)，增強實際動手的能力，完成為學(xué)科教育服務(wù)的使命。

同時，實踐是工程的重要支撐，新工科應(yīng)以實踐帶動學(xué)習(xí)過程。我國在工程教育認(rèn)證中明確指出，工科需要以學(xué)生為中心，注重學(xué)生的能力培養(yǎng)，以就業(yè)為導(dǎo)向，加大實踐能力的培養(yǎng)力度，使學(xué)生盡早滿足就業(yè)市場對實踐能力的需求。在新經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能成為必不可少的元素，構(gòu)成了新工科人才的數(shù)字化基因。因此，計算機類通識課程應(yīng)以實踐為根基引領(lǐng)數(shù)字化能力培養(yǎng)，搭建體驗式和項目式的實踐環(huán)境，自底向上地貫徹新工科的實踐性。

2 計算思維與新工科

“計算思維”在2006年由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授系統(tǒng)地提出。計算思維將計算機作為一種不可或缺的工具，各行各業(yè)的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)通過計算機平臺予以表述、處理，計算機技術(shù)不僅是手段，更是解決問題的方式。

從計算思維的概念被提出到現(xiàn)在，如何系統(tǒng)地培養(yǎng)計算思維能力仍在探索中前行。新工科對新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略需求服務(wù)支撐體現(xiàn)在新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)等方面，而以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能為核心的新技術(shù)決定了新工科思維的核心仍然是計算思維。隨著這些新技術(shù)的普及和升級，計算思維能力的培養(yǎng)會進(jìn)入一個融合數(shù)據(jù)思維的新時代。

新工科與現(xiàn)代計算思維的關(guān)系如圖1所示，數(shù)理、化工、生物等學(xué)科可以利用新型計算手段獲取更高的計算效率；制造、能源、材料、金融、物流等學(xué)科可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)挖掘滲透在各行各業(yè)的大數(shù)據(jù)的信息價值；加入人工智能元素的智能機械、智能能源、智能交通等也將為各學(xué)科的發(fā)展注入新活力，推動社會生產(chǎn)和生活，改變?nèi)祟惖奈磥怼８鱾€學(xué)科在互聯(lián)網(wǎng)+的大背景下，將云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)與學(xué)科融合，從而實現(xiàn)第四次工業(yè)革命的智能化建設(shè)。

3 新工科理念下計算機基礎(chǔ)課程體系改革

新工科建設(shè)對計算思維與信息化融合以及創(chuàng)新能力培養(yǎng)提出了新的要求。2018年初教育部發(fā)布《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》，各學(xué)科在培養(yǎng)目標(biāo)中明確指出，學(xué)生應(yīng)具有終身學(xué)習(xí)意識，能夠運用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息和新技術(shù)、新知識，拓展知識領(lǐng)域，持續(xù)提高自己的能力，但計算機基礎(chǔ)教育目前仍存在一些問題，如教學(xué)內(nèi)容未能緊隨新技術(shù)發(fā)展的步伐，新技術(shù)只是以名詞的形式出現(xiàn)，工科學(xué)生霧里看花，難以應(yīng)用新技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新；教學(xué)體系中缺乏與學(xué)科交叉融合的課程，計算機技術(shù)未能對學(xué)科建設(shè)給予有力的支撐。

圖1 新工科對計算思維能力的需求

在新工科建設(shè)的歷史機遇中，計算機基礎(chǔ)教育是人才數(shù)字化能力培養(yǎng)的通識教育基礎(chǔ)，需要順應(yīng)技術(shù)發(fā)展和社會需求的歷史潮流，支撐學(xué)科建設(shè)中的計算機技術(shù)需求，從完善教學(xué)內(nèi)容的新度、廣度和深度，到建設(shè)與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)相融合的交叉課程兩個方面實現(xiàn)計算機基礎(chǔ)課體系的升級換代。

在計算機通識教育課程體系中，各門課程之間應(yīng)具有銜接性和一致性，可以通過建立專題、構(gòu)建模塊的方式，由各專業(yè)進(jìn)行超市化選擇。以現(xiàn)代計算思維為核心，集合了新技術(shù)、交叉融合思想的非計算機專業(yè)新工科計算機課體系如圖2所示。

圖2 非計算機專業(yè)新工科計算機課程體系

非計算機專業(yè)新工科專業(yè)的計算機課程體系（后簡稱課程體系）從建立意識、思維訓(xùn)練以及能力提升3個層次構(gòu)建現(xiàn)代計算思維能力，從內(nèi)容上融合云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，全程支持新工科專業(yè)學(xué)生的計算思維與信息融合能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。圖2中虛線內(nèi)部是傳統(tǒng)計算思維能力培養(yǎng)的構(gòu)建，虛線外是融合了數(shù)據(jù)思維的現(xiàn)代計算思維能力培養(yǎng)的支撐模塊。體系結(jié)構(gòu)的上層模塊具有內(nèi)聚性，保持培養(yǎng)目標(biāo)的一致性。實現(xiàn)從學(xué)習(xí)到應(yīng)用的完整路線，為創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

3.1 基礎(chǔ)模塊

課程體系結(jié)構(gòu)自下而上對上層模塊進(jìn)行支撐。大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程從透視和微觀的角度認(rèn)識計算機的組成，計算機系統(tǒng)內(nèi)部的運轉(zhuǎn)過程，現(xiàn)實世界中的信息在計算機中的抽象表示等；熟練掌握常用軟件的高效使用。程序設(shè)計語言學(xué)習(xí)現(xiàn)實世界到計算機世界數(shù)據(jù)的抽象方法；用自動化的方式解決現(xiàn)實世界中的問題（面向過程/面向?qū)ο螅瑯?gòu)建傳統(tǒng)計算思維能力。

構(gòu)建能力的過程采用系統(tǒng)化的思想，挖掘知識間的聯(lián)系，將知識有機地從點連線，建立縱深前進(jìn)的學(xué)習(xí)路線。以O(shè)f fi ce的教學(xué)為例，從淺層的文檔、表格、演示文稿的應(yīng)用，就可以提取出從“域”→“函數(shù)”→“觸發(fā)器”的進(jìn)階，在應(yīng)用軟件中體會“變量”的概念， “接口”的意義，“事件”的處理機制，為程序設(shè)計課程的教學(xué)奠定基礎(chǔ)。在計算機新技術(shù)不斷更迭，架構(gòu)性和封裝性越來越強的今天，傳統(tǒng)課程要與時俱進(jìn)，更深地挖掘其中的價值，形成更合理的學(xué)習(xí)的線路，搭建新技術(shù)學(xué)習(xí)的進(jìn)階平臺。

3.2 傳統(tǒng)應(yīng)用模塊

體系結(jié)構(gòu)中的“傳統(tǒng)應(yīng)用”模塊搭建的是信息素養(yǎng)能力。素養(yǎng)作為一種素質(zhì)基礎(chǔ)，可以提升一個人思考和行為的能力，而信息素養(yǎng)就是現(xiàn)代信息社會必備的基本素養(yǎng)。數(shù)據(jù)庫部分是通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用理解數(shù)據(jù)管理的重要性和數(shù)據(jù)管理手段，建立管理和利用數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)化方面的素養(yǎng)，這里以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，為NoSQL的大數(shù)據(jù)管理奠定基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)部分通過理解網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)連接、信息傳輸?shù)群诵母拍?，建立連接和利用網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)化素養(yǎng)，理解計算機網(wǎng)絡(luò)之上的信息網(wǎng)絡(luò)和社會網(wǎng)絡(luò)運用，同時為物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)[3]。

3.3 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊

“物聯(lián)網(wǎng)→云計算技術(shù)→大數(shù)據(jù)計算技術(shù)”搭建了現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用模塊，三者緊密聯(lián)系，物聯(lián)網(wǎng)是大數(shù)據(jù)的重要來源，為云計算提供了廣闊的應(yīng)用空間，云計算為物聯(lián)網(wǎng)提供海量數(shù)據(jù)存儲和海量數(shù)據(jù)分析能力，為大數(shù)據(jù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

模塊以導(dǎo)論加應(yīng)用的形式為學(xué)科服務(wù)，講用并行，重在理解，各課程的教學(xué)內(nèi)容見表1。

表1 “現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用”模塊的知識架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論從物聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，認(rèn)識物聯(lián)網(wǎng)這一概念背景下涵蓋的技術(shù)知識、發(fā)展現(xiàn)狀，以與學(xué)習(xí)者距離最近的“智能家居”“智能物流”為載體，按照“體驗→認(rèn)知→分析”的遞進(jìn)層次走近物聯(lián)網(wǎng)的世界，形成關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)認(rèn)知，對大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和利用形成概念。

海量數(shù)據(jù)的挖掘離不開云計算。從非計算機專業(yè)看，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)作為一種工程資源，服務(wù)于具體應(yīng)用場景，學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)不是理論，而是理論衍生出的框架、平臺和服務(wù)。以云計算的三層體系為例，除了底層的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)外，中間層的平臺環(huán)境服務(wù)和頂層的云計算服務(wù)也已經(jīng)具備成熟的商業(yè)模式，國內(nèi)的阿里云已經(jīng)躍居世界云計算產(chǎn)業(yè)第三。云服務(wù)提供商在平臺中均建立了對各類學(xué)習(xí)、實驗、應(yīng)用開發(fā)的支持，因此，學(xué)習(xí)者不再需要深入掌握云計算基礎(chǔ)理論，而是在知曉云計算的關(guān)鍵技術(shù)、基礎(chǔ)架構(gòu)和主流解決方案等云計算知識架構(gòu)的基礎(chǔ)上，重點培養(yǎng)應(yīng)用云平臺解決問題的能力。這種從應(yīng)用角度在教學(xué)中融入新技術(shù)的教學(xué)模式適合新工科的建設(shè)理念。

大數(shù)據(jù)課程位于模塊的頂端，從大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)Hadoop出發(fā)，按照“存儲→處理→應(yīng)用”的路線，最終將理論落地于大數(shù)據(jù)處理案例中。除了在本地搭建大數(shù)據(jù)實驗環(huán)境外，還可以在云端搭建起大數(shù)據(jù)實驗環(huán)境，實現(xiàn)模塊內(nèi)學(xué)習(xí)的連貫性。

3.4 Python與數(shù)據(jù)思維模塊

在第三次信息浪潮中，Web2.0是大數(shù)據(jù)除物聯(lián)網(wǎng)之外的另一個主要來源，“Python與數(shù)據(jù)思維”模塊以Web 2.0為數(shù)據(jù)背景，在Python語言基礎(chǔ)上，延續(xù)Python計算生態(tài)，以不同專業(yè)內(nèi)容為背景建設(shè)交叉融合性課程，通過專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、展示過程，將計算思維上升為數(shù)據(jù)思維，實現(xiàn)搜集數(shù)據(jù)、理解數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)的全過程。在新工科建設(shè)背景下，Python作為復(fù)雜信息系統(tǒng)時代利用計算機解題的最直觀工具之一，能夠更好地面向未來，與學(xué)科應(yīng)用緊密銜接。模塊內(nèi)各課程的教學(xué)內(nèi)容見表2。

表2 “Python與數(shù)據(jù)思維”模塊的知識架構(gòu)

信息提取是數(shù)據(jù)分析的前奏，在“網(wǎng)絡(luò)爬蟲與信息獲取”課程中，通過Requests庫自動爬取HTML頁面，Beautiful Soup庫解析HTML頁面，Re庫以正則表達(dá)式方式提取頁面關(guān)鍵信息，最終將這些分步式操作落實于Scrapy庫的專業(yè)爬蟲框架。教學(xué)可以以與學(xué)科相關(guān)的各類數(shù)據(jù)的獲取為驅(qū)動，掌握定向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)爬取和網(wǎng)頁解析的基本能力。

數(shù)據(jù)分析與展示課程培養(yǎng)數(shù)據(jù)表示、清洗、統(tǒng)計和展示的能力。通過Numpy庫進(jìn)行多種維度的數(shù)據(jù)組織、存儲基礎(chǔ)類型數(shù)據(jù)，完成基礎(chǔ)科學(xué)計算任務(wù)；利用Pandas庫實現(xiàn)擴展數(shù)據(jù)類型的組織應(yīng)用，進(jìn)行高性能數(shù)據(jù)分析；Matplotlib庫與二者結(jié)合對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形可視化展示。信息獲取與分析展示相結(jié)合，融合學(xué)科特色，用Python駕馭各領(lǐng)域數(shù)據(jù)。

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析過程，無關(guān)的、重復(fù)的和不必要的數(shù)據(jù)已經(jīng)被清除，機器學(xué)習(xí)所需的訓(xùn)練數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。對于非計算機專業(yè)工科來講，人工智能的關(guān)注點不是基礎(chǔ)理論體系，而是具體的應(yīng)用場景，開發(fā)應(yīng)用可以直接建立在人工智能領(lǐng)域的技術(shù)框架之上。TensorFlow是Google研發(fā)的第二代深度學(xué)習(xí)開源框架，可以將復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳輸至人工智能神經(jīng)網(wǎng)中進(jìn)行分析和處理，可用于語音識別、圖像識別等多項機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域。TensorFlow支持Python語言，在目前主流的人工智能技術(shù)框架中，它的應(yīng)用度、書籍?dāng)?shù)量、論文數(shù)量和活躍度都穩(wěn)居榜首。

這樣，該模塊建立了一條由Python自底向上貫穿、應(yīng)用深度逐步拓展的學(xué)習(xí)路線。

4 發(fā)揮慕課優(yōu)勢推進(jìn)教學(xué)改革

不得不說，一個由很多新技術(shù)、前沿領(lǐng)域知識搭建起來的，以擴展計算思維寬度和深度為目標(biāo)的體系，其資源建設(shè)的工程量是巨大的，但是，已經(jīng)領(lǐng)跑在世界前列的中國慕課將是一個最有力的支撐。

根據(jù)教育部的數(shù)據(jù)顯示，目前，我國上線慕課數(shù)量達(dá)到5 000門，高校學(xué)生和社會學(xué)習(xí)者選學(xué)人數(shù)突破7 000萬人次，超過1 100萬人次大學(xué)生獲得慕課學(xué)分，中國高校慕課總量、參與開課學(xué)校數(shù)量、學(xué)習(xí)人數(shù)均處于世界領(lǐng)先地位[4]。

中國的大學(xué)教育在慕課的推動下逐漸打破圍墻的壁壘，跨越地域，以大容量的接納度提供了大學(xué)學(xué)習(xí)的開放性。借助物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、Python、人工智能等方面優(yōu)質(zhì)慕課資源，融合SPOC、翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，一定能夠迅速、高質(zhì)地搭建起新工科理念下的課程設(shè)計。

在慕課資源利用方面，建議打造一種破除課程壁壘，可以實現(xiàn)多課程內(nèi)容的跨界組合的SPOC模式，使碎片化方式呈現(xiàn)的課程內(nèi)容可以更多維度地組合，更靈活地為高校個性化的教學(xué)目標(biāo)服務(wù)，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源利用的最大化。另外，建議增加SPOC的教學(xué)活動的編輯功能，使用者能夠為課程配置與自身教學(xué)活動相關(guān)度、進(jìn)度更為緊密的討論和作業(yè)等。

5 結(jié)語

新工科具有交叉、融合、創(chuàng)新、前瞻性等特征，為基于云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略需求服務(wù)，新工科思維的核心是融合了數(shù)據(jù)思維的現(xiàn)代計算思維，面向非計算機工科專業(yè)的計算機課程體系應(yīng)具有時代性。

在傳統(tǒng)計算機基礎(chǔ)教育體系之上，補充現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和Python與數(shù)據(jù)思維兩個模塊，可以從深度和廣度兩個層面提升新工科中計算機領(lǐng)域新技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)現(xiàn)代計算思維的培養(yǎng)目標(biāo)，從而達(dá)到使學(xué)生具備可持續(xù)發(fā)展能力和創(chuàng)新力的效果。

新工科建設(shè)對計算機基礎(chǔ)教育者提出了更高的要求、更大的挑戰(zhàn)，同時這也是計算機基礎(chǔ)教育工作再次升級的發(fā)展機遇。在新形勢下，我們應(yīng)該抓住這一歷史契機，充分利用好慕課等資源，將新工科的理念融合到傳統(tǒng)的計算機基礎(chǔ)教育中，促進(jìn)基礎(chǔ)課程體系的教學(xué)改革。