筑好計算機專業(yè)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(zhàn)，指出計算機導論課的建設要以專業(yè)培養(yǎng)目標為依據(jù)，從認識規(guī)律出發(fā)，重點引導學生對專業(yè)的認知和對未知問題的探索。同時總結(jié)了國家級一流本科課程建設在教學內(nèi)容、教學方法等方面的經(jīng)驗，即根據(jù)應用型人才培養(yǎng)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(yǎng)，激發(fā)專業(yè)興趣，引出留待未來專業(yè)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(yǎng)

一、引言

當前世界范圍的高等教育受到以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器人及人工智能等技術驅(qū)動的第四次工業(yè)革命的影響，正發(fā)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(chǎn)業(yè)變革的原動力，這使得計算機類專業(yè)成為當前發(fā)展最快、學科交叉最多、社會需求量最大的專業(yè)。近十年來，國內(nèi)計算機類專業(yè)逐步發(fā)展成為涵蓋計算機科學與技術、軟件工程、網(wǎng)絡工程、信息安全、智能科學與技術等17個具體專業(yè)的大類專業(yè)。招生專業(yè)點達3976個[1]。作為計算機類專業(yè)的入門課程——計算機導論受到廣泛重視，它的教學內(nèi)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(yōu)化教學內(nèi)容，強化能力培養(yǎng)，提升教學質(zhì)量，為專業(yè)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(yè)學生設計的第一門專業(yè)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(yǎng)，激發(fā)專業(yè)興趣，引出留待未來專業(yè)課程中深入學習的問題。經(jīng)過課程組對課程目標、教學內(nèi)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(yōu)質(zhì)課程，2019年入選北京高校優(yōu)質(zhì)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(zhàn)

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(tǒng)等的使用。常面向非計算機專業(yè)的學生，難以滿足計算機專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。

（2）以專業(yè)知識為主。按照傳統(tǒng)門類講解計算機原理、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)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(yè)課多有重復。

（3）以編程能力培養(yǎng)為主。編程雖然是計算機專業(yè)的基礎，但是這樣講難免以偏概全，難以達到導論課專業(yè)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(xiàn)課程目標，各講的內(nèi)容缺少整體關聯(lián)。

（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(yè)敬而遠之。

除了上述教學內(nèi)容的問題，導論課還存在以下幾方面挑戰(zhàn)。

一是授課內(nèi)容的廣泛性。計算機學科發(fā)展快且與多個學科交叉，因此導論課的內(nèi)容涉及面廣。而目前大多數(shù)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(nèi)容很難面面俱到。即使選講一部分，學生仍然會感覺內(nèi)容雜亂，抓不到重點。

二是授課對象的差異性。一些來自發(fā)達地區(qū)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(fā)達地區(qū)的學生存在一定差距。因而導致同樣的課程內(nèi)容一些學生吃不飽，一些學生吃不了。

三是培養(yǎng)目標的挑戰(zhàn)性。今天計算機教育普遍提倡系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，包括系統(tǒng)思維、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)應用等方面的能力[1]，工程教育專業(yè)認證也要求培養(yǎng)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(yǎng)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(zhàn)，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(yè)要求，這也是工程教育專業(yè)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(yè)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(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”？我們認為，解決上述問題的根本首先是要對專業(yè)培養(yǎng)目標有明確認識，什么樣的培養(yǎng)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(guī)律出發(fā)，設計合理的教學內(nèi)容和教學方法。

1.適應培養(yǎng)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(yè)，即：計算機科學與技術、軟件工程、網(wǎng)絡工程以及數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術。學生在大一階段基本按大類方式培養(yǎng)，最先開設的專業(yè)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(yè)的必修課程，需要做到對四個專業(yè)培養(yǎng)目標的支撐。

從工程教育專業(yè)認證的角度，學校的辦學定位決定專業(yè)的培養(yǎng)目標，專業(yè)的培養(yǎng)目標決定畢業(yè)要求，畢業(yè)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(yǎng)的目標是培養(yǎng)具有較強實踐能力、創(chuàng)新意識與國際化意識、德智體美勞全面發(fā)展的高素質(zhì)應用型創(chuàng)新人才。相應地，計算機科學與技術專業(yè)的培養(yǎng)目標為：培養(yǎng)具備計算機軟硬件專業(yè)知識和專業(yè)能力，良好的科學素養(yǎng)和社會責任感，協(xié)作精神、創(chuàng)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(tǒng)分析、設計、實現(xiàn)、測試及應用等工作的高素質(zhì)應用型人才。在畢業(yè)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(yè)的畢業(yè)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(yè)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(yè)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(yǎng)目標的一致性更為重要?；谂囵B(yǎng)目標，研究型高?？梢詡?cè)重計算思維的培養(yǎng)，引導學生在畢業(yè)后從事理論性的研究;應用型高?？梢詡?cè)重工程思維或設計思維的培養(yǎng)[7]，引導學生畢業(yè)后從事產(chǎn)品創(chuàng)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(fā)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(yè)引導。針對北京信息科技大學的人才培養(yǎng)定位和專業(yè)培養(yǎng)目標，我們認為導論課應重點引導學生對專業(yè)的認知和對未知問題的探索。我們從認知規(guī)律出發(fā)，從應用中來到應用中去，通過好奇心激發(fā)學生的專業(yè)興趣，注重知識的原理性、系統(tǒng)性和實用性，避免套用生硬、高深的專業(yè)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(jié)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(yǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表示、存儲器的工作原理、內(nèi)存和外存的概念、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)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(tǒng)的概念、單片機與嵌入式系統(tǒng)的應用，等等。改變了傳統(tǒng)的專業(yè)知識體系，但又覆蓋了應有的知識點。使授課內(nèi)容更加貼近實際，各部分知識的關聯(lián)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(tǒng)、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(yè)知識，最后再回到機器人、生物特征識別和數(shù)據(jù)挖掘等重點應用，實現(xiàn)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(guī)律和方法，告訴學生自動執(zhí)行是計算機學科區(qū)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(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，激發(fā)其學習興趣和學習動力，甚至可以幫助他們樹立人生規(guī)劃和未來的奮斗方向。另外，將前沿知識和最新發(fā)展融入計算機導論的教學內(nèi)容中，既是深化專業(yè)課程改革的必然趨勢和發(fā)展方向，也是創(chuàng)新性、應用型人才培養(yǎng)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(chuàng)新能力以及解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)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(fā)展，例如人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、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(nèi)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(zhàn)性。有了這些層次豐富的教學內(nèi)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(guī)律

導論類課程要特別注意尊重人類的認識規(guī)律，即從感性認識到理性認識，從具體到抽象，從現(xiàn)象到本質(zhì)。當前的一種傾向是倡導導論課中計算思維的培養(yǎng)[10]。將計算思維與導論課結(jié)合是近年來眾多國內(nèi)外學者和學術機構(gòu)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(jié)講授計算思維，而是將基礎知識與計算思維關聯(lián)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(nèi)存條、拆開的硬盤和U盤、拆開的鍵盤和光驅(qū)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(huán)節(jié)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(chǎn)業(yè)有限公司參觀高性能服務器生產(chǎn)線，聽取講解，親眼看見國產(chǎn)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(chǎn)化水平。在加深知識理解的同時，激發(fā)他們打好基礎迎接挑戰(zhàn)，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(xù)11年穩(wěn)居國產(chǎn)高性能計算機市場第一，擁有70%以上的份額，超越了國外產(chǎn)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(yè)的時候沒有想到的。”

在解決復雜工程問題能力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面，很多人會問，大一學生專業(yè)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(yǎng)應從學生的觀察、思考和表達訓練入手，養(yǎng)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(yè)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(chuàng)新的想法。

四、總結(jié)

我校的計算機導論課根據(jù)學校的辦學定位和專業(yè)培養(yǎng)目標，確定課程的教學內(nèi)容和教學方法。從認識規(guī)律出發(fā)，舍棄了傳統(tǒng)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(yè)課中需要深入學習的內(nèi)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(nèi)容深入淺出，獨具特色，理論聯(lián)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(yè)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。”

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(nèi)外優(yōu)質(zhì)資源，學習兄弟高校的經(jīng)驗，把課程建成具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的金課，筑好計算機專業(yè)學生登堂入室的第一級臺階。

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[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。