“課堂支撐—主題驅(qū)動—競賽進階”式大學計算機基礎(chǔ)教學改革與實踐

呂海燕，周立軍，趙 媛，張 杰

（海軍航空大學 航空基礎(chǔ)學院，山東 煙臺 264001）

0 引 言

2017 年6 月訓管部下發(fā)了新的《大學計算機基礎(chǔ)》課程教學大綱，大綱提出課程教學理念以計算思維培養(yǎng)為牽引，突出軍事應(yīng)用特色，面向不同專業(yè)要求分類指導(dǎo)。要求課程教學應(yīng)注重強化創(chuàng)造性思維過程的培養(yǎng)，采用靈活多樣的教學手段，改革考試方式，突出能力考核。新大綱實施后，國防科大走在大基課程教學改革的前列，在出版新教材的基礎(chǔ)上，按照全新的教學內(nèi)容和教學要求，構(gòu)建了“創(chuàng)新源于實踐”在線課程教學平臺，并在平臺上上線了一套全新的在線實訓項目，實現(xiàn)了“課堂教學+在線教學+課外技能訓練”“線上線下”混合式教學改革與實踐，課程考核結(jié)果、課程課后反饋等多方面表明，課程取得了較好的教學效果。

對于課程教學的方式方法，大綱還提出要鼓勵學員積極參加學科競賽和俱樂部活動等“內(nèi)驅(qū)式”創(chuàng)新實踐活動，以提高學員學習積極性、主動性、創(chuàng)新性，更好地實現(xiàn)學員信息素養(yǎng)和計算思維能力的培養(yǎng)[1]。注重培養(yǎng)學員的計算思維是新大綱要求的課程教學目標主旨，而計算思維培養(yǎng)需要學員具備實踐能力強、邏輯性強和團隊合作意識強的能力特點。因此，課程改革的重點是在充分有效地調(diào)動學員的主動性和積極性，使其自覺主動地用好課內(nèi)外時間，基于課堂教學支撐，在掌握課程基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，發(fā)揮他們作為“網(wǎng)生代”的先天優(yōu)勢，充分利用新型學習環(huán)境（MOOC、微課等在線學習方式），按個體需求進行自主學習，“內(nèi)趨式”提升自身的實踐能力、創(chuàng)新能力[2-4]。

1 “課堂支撐—主題驅(qū)動—競賽進階”式課程教學模式

大基課程教學改革的重點是充分有效地調(diào)動學員的主動性和積極性，使其自覺主動地利用好課內(nèi)外時間，去不斷提升實踐創(chuàng)新能力[5-6]。計算思維的“落地”需要充分體現(xiàn)和肯定學員的主體地位，使學員真正參與到實踐創(chuàng)新活動中，提升學員使用計算機解決實際問題的能力。學校大基課程教學改革在圍繞教學大綱這個核心，抓好“課堂教學”這一基石的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮俱樂部主題活動（每周二、周四晚上利用第二課堂時間開展）“內(nèi)趨式”驅(qū)動作用，豐富教學方式方法，并以學科競賽為進階，“賽學結(jié)合，以賽促學”，擴充優(yōu)化教學內(nèi)容，以實現(xiàn)課程教學模式的整體、協(xié)調(diào)優(yōu)化，見圖1。

圖1 課堂教學—主題活動—學科競賽 教學關(guān)系模式

具體來講，圍繞以計算思維培養(yǎng)為核心的課程教學目標，以學員信息素養(yǎng)為起點，以python語言為工具，以俱樂部主題活動為驅(qū)動，以學科競賽創(chuàng)新應(yīng)用為進階，對課程體系進行優(yōu)化，構(gòu)建了“課堂支撐—主題驅(qū)動—競賽進階”式三層課程教學模式，通過“信息素養(yǎng)—思維訓練—創(chuàng)新進階”式學員能力的螺旋式上升培養(yǎng)，實現(xiàn)學員計算思維的“生根發(fā)芽—茁壯成長—開花結(jié)果”見圖2。課堂支撐主要實現(xiàn)學員信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，是計算思維的生根發(fā)芽階段；俱樂部的主題活動主要驅(qū)動實現(xiàn)學員在掌握具備基本信息素養(yǎng)基礎(chǔ)上的計算思維訓練，是計算思維的茁壯成長階段；而參與各項學科競賽則是學員創(chuàng)新應(yīng)用能力的體現(xiàn)，是計算思維的進階，是計算思維的開花結(jié)果階段。

圖2 “課堂支撐—主題驅(qū)動—競賽進階”式課程教學模式

2 “課堂支撐—主題驅(qū)動—競賽進階”式課程教學設(shè)計

“活動主題的確定可以通過學員自主立題，教員指定主題和隨機抽取式等方式確定。主題一旦確定之后，學員就可以以此驅(qū)動有目的、有選擇地去學習相關(guān)的知識和技術(shù)，進而有效地完成活動的實施。

2.1 基于課程內(nèi)容特點和計算思維能力需求的主題活動設(shè)計原則

1）講座類——計算機發(fā)展、信息安全等普及性的計算機科學基礎(chǔ)文化性內(nèi)容的主題活動設(shè)計。

以“計算機的前世、今生與未來”主題講座為例，這一主題主要是針對課程“第1 章 計算與社會 ”和“第9 章 計算機發(fā)展新技術(shù)”，這兩章內(nèi)容的教學實施，采取學員講座方式，學員變被動為主動，主動查閱、學習、發(fā)掘、思考、整理與計算機的各個發(fā)展階段相關(guān)的內(nèi)容、知識、相互關(guān)系，能夠結(jié)合自身的崗位特點，進行了深入的思考和設(shè)想，并且能夠在內(nèi)化理解的基礎(chǔ)上表達、交流、溝通出來，講座效果反應(yīng)良好。

2）角色扮演、情景游戲類——圖靈機、CPU工作過程等抽象性的重難點內(nèi)容的主題活動設(shè)計。

以俱樂部為依托的主題活動的開展，對于教學重點、難點等內(nèi)容的實施發(fā)揮了良好的驅(qū)動作用，如教學重點、難點中的圖靈機、捉狐貍問題、CPU 的工作過程等，通過情景游戲、角色扮演等主題活動的開展，學員能夠較好地理解、掌握、乃至靈活應(yīng)用，設(shè)計出了很多好的案例。

3）服務(wù)類——軟硬件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等認知性的計算機工作原理性內(nèi)容的主題活動設(shè)計。

以計算機硬件系統(tǒng)部分為例，通過舉辦筆記本購買服務(wù)活動“‘本’該如此，Let's‘購’”，學員不再是迷失在各種高配參數(shù)的宣傳、選擇中，進而導(dǎo)致資源、金錢的浪費，而是要結(jié)合自身的需求進行合理地選擇。

4）知識競賽類——信息的表示、算法分析與設(shè)計等實踐性強的內(nèi)容的主題活動設(shè)計。

目前學校主要參加的計算機類學科競賽有：ACM 程序設(shè)計競賽、中國大學生計算機設(shè)計大賽、山東省人工智能大賽、各類數(shù)學建模比賽等。除了各組織、機構(gòu)舉辦學科競賽外，學校還結(jié)合課程內(nèi)容特點組織了校內(nèi)賽，結(jié)合各類比賽的特點及其與課程內(nèi)容的關(guān)聯(lián)度、耦合度，課程組將競賽分解融合到各章節(jié)的教學設(shè)計中，實現(xiàn)與課程內(nèi)的全程化滲透，有效激發(fā)學員學習和參賽的興趣。

2.2 基于計算思維主線的典型主題活動、計算思維映射及競賽耦合設(shè)計

計算思維能力培養(yǎng)目標不需要也不可能涉及計算思維的方方面面，而應(yīng)該面向各專業(yè)特點、需求，培養(yǎng)學生基本的計算思維能力[7]。為方便學員有目的性、針對性地學習，課程組以“計算思維意識培養(yǎng)—計算思維方法培養(yǎng)—計算思維能力培養(yǎng)”為課程級計算思維培養(yǎng)主線，圍繞計算思維的42個核心概念[8]，結(jié)合課程內(nèi)容特點及大綱要求，建立了計算思維在課程內(nèi)容中對應(yīng)的表達體系，將其融入和映射到課程章節(jié)乃至具體的知識點之中，構(gòu)建“章節(jié)—知識點”計算思維主線，實現(xiàn)“計算思維”的多維度落地[9-15]，詳細設(shè)計見表1。

表1 基于計算思維主線的典型主題活動、計算思維映射及競賽耦合設(shè)計

（續(xù)）表1

3 改革實施效果及意義

“課堂支撐—主題驅(qū)動—競賽進階”式教學改革的探索與實踐，從課堂教學效果看，學員實踐創(chuàng)新能力、團隊合作能力培養(yǎng)等方面都取得了一定的教學效果。

1）課堂教學支撐作用凸顯，學員課程考核成績穩(wěn)步提升，信息素養(yǎng)提升顯著。

從課堂教學實施情況看，學員的主動參與度提高，表現(xiàn)欲增強，課堂活躍程度有了較大提高，絕大部分學員能夠積極參與到課前自主學習、課中討論、分享、交流和課后拓展評價各個教學環(huán)節(jié)中。實驗任務(wù)和作品完成效果好，在滿足基本實驗要求的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)出了學員的個性化特色。學員課程考核成績穩(wěn)步提升，計算機基礎(chǔ)知識的理解、應(yīng)用能力，Office 辦公軟件的使用、多媒體信息處理能力等信息素養(yǎng)提升顯著。

2）主題活動驅(qū)動作用凸顯，學員參與主題活動積極主動，計算思維訓練效果顯著。

課后我們對主題驅(qū)動活動的效果進行了問卷調(diào)查，調(diào)查主要從大學計算機基礎(chǔ)課程對學員計算思維能力培養(yǎng)的3 方面定位進行，分別是計算機的認知能力提升，具有判斷和選擇計算機工具與方法的能力（包括運用信息技術(shù)的學習能力等）以及運用計算機解決問題（學習、專業(yè)、崗位等）的能力，調(diào)查結(jié)果見表2。

3）學科競賽進階作用凸顯，學員參與學科競賽屢創(chuàng)佳績，創(chuàng)新應(yīng)用能力提升顯著。

課堂教學的支撐和主題活動的驅(qū)動，使學員具備了基本的信息素養(yǎng)，并形成了一定的計算思維能力，為參加學科競賽打下了良好的基礎(chǔ)。學科競賽是對學員創(chuàng)新應(yīng)用能力的進一步提升，也是學員計算思維培養(yǎng)開花結(jié)果的有效體現(xiàn)形式之一。目前學員主要參加的計算機類學科競賽有：ACM 程序設(shè)計競賽、中國大學生計算機設(shè)計大賽、山東省人工智能大賽等。其中設(shè)計大賽每年參加人數(shù)最多，2017 年、2018 年每年約有60 余名學員參加，而今年學員參與積極性最高，有180 余名學員參加，共提交了人工智能類、大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)類、移動應(yīng)用開發(fā)類等11 類60多個作品（截至論文截稿還有12 個進入國賽的作品決賽還未進行）；ACM 程序設(shè)計競賽參加學員人數(shù)較少，參與獲獎情況見表3。

表2 “主題驅(qū)動”計算思維效果訓練問卷調(diào)查結(jié)果 %

4 結(jié) 語

為實現(xiàn)新大綱要求的以培養(yǎng)學員計算思維為主旨的教學目標，大學計算機基礎(chǔ)課程的教學改革理念迫切需要從“知識輸出”向“能力導(dǎo)向”的轉(zhuǎn)型。學校探索實踐的“課堂支撐—主題驅(qū)動—競賽進階”式教學模式，圍繞“能力導(dǎo)向”的教學理念進行的改革探索與實踐，取得了一定的教學效果。如何緊跟大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)發(fā)展，以“能力導(dǎo)向”為牽引，實現(xiàn)學員信息素養(yǎng)和計算機應(yīng)用能力的持續(xù)提升，課程教學改革仍需整體推進、協(xié)調(diào)發(fā)展、總體規(guī)劃，進而實現(xiàn)培養(yǎng)適應(yīng)未來信息化、智能化海上戰(zhàn)爭需求的高素質(zhì)新型軍事人才的目標。

表3 “競賽進階”計算思維創(chuàng)新應(yīng)用獲獎情況（以設(shè)計大賽和ACM 程序設(shè)計競賽為主）