新工科背景下非計算機專業(yè)計算機基礎課程教學改革研究

［摘 要］新工科建設對大學計算機基礎課程教學提出了新的要求。課題組針對非計算機專業(yè)計算機基礎課程教學現狀和問題，為適應交叉性、系統性、實踐性和前沿性的新工科專業(yè)特色建設需要，對非計算機專業(yè)計算機基礎課程的培養(yǎng)目標、課程設置、教學方法、實驗環(huán)節(jié)、評價體系進行了全方位多舉措的綜合改革，以提高學生的計算機應用能力和計算思維素養(yǎng)，滿足寬口徑、高素質、創(chuàng)新型、復合型高級工程技術人才培養(yǎng)的目標要求。

［關鍵詞］新工科；非計算機專業(yè)；計算機基礎課程；教學改革

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）12-0109-04

世界范圍內新一輪的科技革命和產業(yè)變革以及席卷全球的新經濟的蓬勃發(fā)展對工程教育提出了新的挑戰(zhàn)，新工科建設的提出正是對這一挑戰(zhàn)做出的積極回應[1]。為響應教育部關于新工科建設系列文件精神，主動服務國家創(chuàng)新驅動發(fā)展和智能制造等重大戰(zhàn)略實施，結合信息科學與工程學院專業(yè)特點，東北大學（以下簡稱“我?！保┰谠凶詣踊?、測控技術與儀器等傳統工科專業(yè)基礎上，增設了工業(yè)智能專業(yè)，作為人工智能與自動化深度融合的新工科專業(yè)，瞄準人工智能、智能制造、工業(yè)信息化、知識自動化等領域，培養(yǎng)具有人工智能、自動化與計算機綜合專業(yè)背景，能夠在工業(yè)智能及相關領域從事科學研究、技術開發(fā)、工程實踐與技術管理等方面工作的高級工程技術人才。新工科強化了對所有學生開設計算機課程的必要性，強化了計算機課程教學目標的思想性和實用性，強化了對計算機應用的理解和實踐，強化了計算機類課程跨學科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求[2]。面對新工科培養(yǎng)具有國際化視野和創(chuàng)新實踐能力的高素質人才的要求，探索非計算機專業(yè)計算機基礎課程教學的改革和效果提升具有重要意義。

一、非計算機專業(yè)計算機基礎課程教學現狀與問題

計算機基礎課程為非計算機專業(yè)學生提供計算機知識、能力與素質方面的教育，旨在使學生掌握計算機、網絡及其他相關信息技術的基本知識，培養(yǎng)學生利用計算機分析問題、解決問題的意識與能力，提高學生的計算機素質，為將來利用計算機知識與技術解決專業(yè)實際問題打下基礎[3]。經過多年的課程建設與發(fā)展，我校已形成了一套完整的計算機基礎課程教學體系，對傳統工科專業(yè)人才培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用。但隨著近年來新興技術的不斷涌現、培養(yǎng)目標的提升、生源情況的變化、教學環(huán)境和手段的變革，我校教師在實際教學過程中遇到了很多問題，主要表現為以下三點。

（一）課程設置有待優(yōu)化，內容需要提升

一方面，計算機基礎課程用較多學時教授辦公自動化軟件以及互聯網操作，這些技能大部分學生在大學入學前就已經掌握，沒有接觸過的學生也完全可以通過課外自學逐步熟悉掌握；另一方面，教學內容對云計算、物聯網、移動應用、大數據、人工智能、虛擬現實等新技術應用方面的涵蓋顯得不足。

（二）學生基礎參差不齊，教學需要差異化

本科生由于地域、城鄉(xiāng)、家庭等原因，其計算機應用初始水平及接受能力參差不齊，尤其是高考錄取制度由院校優(yōu)先改為專業(yè)優(yōu)先后，此類表現更為明顯。如何在培養(yǎng)目標不變的情況下合理組織教學以滿足不同層次學生的培養(yǎng)要求是需要關注的問題。

（三）教學方法和手段落后，實驗環(huán)節(jié)需要加強

過分注重課堂講授，對自主學習以及實驗環(huán)節(jié)重視不夠。目前，無論學生自有單機設備還是校園網絡環(huán)境等硬件條件，已經具備隨時訪問網絡資源的能力，教師應該借助信息化平臺和網絡教學資源建設，豐富教學方法和手段。

二、新工科背景下非計算機專業(yè)計算機基礎課程教學改革策略

我校新增設的工業(yè)智能專業(yè)，是由傳統自動化學科與人工智能深度融合轉型升級的新生學科，強調具有人工智能、自動化與計算機綜合專業(yè)背景，學生具備計算機基礎知識、計算機技術應用能力和計算思維素養(yǎng)尤其重要。針對現行非計算機專業(yè)計算機基礎課程的教學現狀與問題，結合新工科專業(yè)特點，我校準備在課程培養(yǎng)目標制定、課程體系建設以及實際教學實踐中進行改革，以滿足產業(yè)發(fā)展需求、面向未來發(fā)展的高素質創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。

（一）目標定位明確

2006年，美國卡內基梅隆大學周以真教授在計算機權威期刊Communications of the ACM上提出計算思維（Computational Thinking）的定義，即計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[4]。也可以說，計算思維是基于信息的獲取和分析計算，以算法求解、系統構建、自然與人類行為理解為主要特征，實現認知世界和解決問題的思想與方法[5]。這個概念的提出引起了大家對大學計算機基礎教育從強調計算機應用能力培養(yǎng)向以計算思維培養(yǎng)轉型的深入思考。目前，以計算思維培養(yǎng)為導向的大學計算機課程教育目標已成為廣泛共識。

計算機專業(yè)和非計算機專業(yè)的計算思維培養(yǎng)的側重點并不相同：對于計算機專業(yè)學生，更多的是從基礎設施層面引導他們理解計算思維，設計和開發(fā)用于處理信息的各種平臺和工具軟件；而對于非計算機專業(yè)學生，更多的是從應用層面引導他們了解和領會如何從信息運動的角度來分析問題，從信息處理的角度來解決問題，學會從信息和計算的觀點探究解決本領域應用問題的思路與方法[6]。

因此，非計算機專業(yè)計算機基礎課程的培養(yǎng)目標是：引導學生熟悉計算機基礎環(huán)境和平臺，掌握計算機基本應用技能和本專業(yè)常用工具類計算機軟件的功能及使用方法；幫助學生理解計算機基本原理和學生掌握解決問題的基本方法，理解軟件工程思想以及掌握相關計算機應用技術，具備獨立或通過與計算機專業(yè)人員協同運用計算機應用技術解決本專業(yè)領域問題的能力；培養(yǎng)學生具備自主將數據收集、數據分析、數據表征、問題分解、抽象、算法和程序、自動化、模擬和并行化等計算思維思想[7]融入本專業(yè)領域問題研究及未來創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)發(fā)展的能力。

（二）課程體系優(yōu)化

參照教育部高等學校非計算機專業(yè)計算機課程教學指導委員會對大學計算機基礎課程的教學要求，我校非計算機專業(yè)的工科專業(yè)按照通識類、學科基礎類、專業(yè)方向類三個層次構建計算機課程體系。本文論述的計算機基礎課程主要是指通識類和學科基礎類課程。以傳統工科自動化專業(yè)為例，其計算機課程設置如表1所示。我校立足“新一代人工智能”國家科技重點發(fā)展戰(zhàn)略，面向我國科技產業(yè)主戰(zhàn)場在工業(yè)智能領域的發(fā)展趨勢，瞄準我國工業(yè)自動化向智能化轉型升級的發(fā)展需求，增設了人工智能與自動化深度融合的新工科專業(yè)——工業(yè)智能專業(yè)。以工業(yè)智能專業(yè)為例，其計算機課程設置如表2所示。

我校按照增加課程難度、拓展課程深度、強化應用技能、提高思維素養(yǎng)的原則，細分專業(yè)研究方向，分層次建立課程群，優(yōu)化課程體系及內容。主要表現如下：

1.優(yōu)化課程設置體系。本科生通過入學前或入學后一段時間的學習，已經具備計算機應用基本技能，因此我們在通識類課程中取消了以辦公自動化軟件為授課內容的計算機應用基礎課程，增加了大數據與“互聯網+”等反映計算機應用趨勢的新課程，優(yōu)化了學科基礎類中的計算機語言類課程設置，包括應用于系統管理任務的處理和Web編程的主流語言Python。計算機編程語言的學習與強化有助于計算機應用能力的提高，為專業(yè)課程應用計算機技術解決研究領域問題提供可能。

2.豐富課程教學內容。我們對課程教學內容進行了更新、充實和豐富。以計算機軟件技術基礎課程為例，之前課程內容主要包括數據結構基礎、算法設計基礎、程序設計基礎、數據庫技術基礎、軟件工程基礎等傳統計算機基礎知識，根據新工科的專業(yè)要求，我們在原有課程教學內容上增加了物聯網、云計算、大數據、區(qū)塊鏈等新興計算機技術基礎知識。

3.提高實驗學時占比。增加實驗學時，強調實驗實踐在計算機基礎知識學習中的重要性，使學生能夠在“學中做、做中學”，培養(yǎng)學生動手能力，提高其計算機應用技能。

（三）教學方法提升

成熟的信息化網絡平臺和豐富的線上教學資源已成為大學課程教育的重要手段。借助中國大學MOOC、大學生自學網、網易公開課、B站視頻、微信公眾號等現代化輔助教學手段，引導學生進行課前預習、課后復習以及加深課程教學難點的理解，培養(yǎng)學生自主學習意識和習慣，增強學生自主學習能力，有效拓展授課內容，滿足不同層次學生的學習需求。這樣做也把教師從重復的知識點講授中解脫出來，以便把更多的精力放在與學生交流互動、對學生進行個性化指導以及進行課程教研教改工作中。

教師采用理論知識講解和經典案例分析相結合的方式教學，通過具有導向性和實效性的案例分析講解，幫助學生理解理論知識點，并從應用層面理解運用計算機技術解決實際問題的思路和方法，從而培養(yǎng)其從信息屬性的角度創(chuàng)造性地理解和解決本領域問題的能力。

教師改變傳統課堂的教學模式，樹立以學生為中心的教學理念，通過問題引導、項目驅動，設立課程學習主題，根據學生情況建立小組協同學習。師生在課堂上就設定主題進行研究討論；教師可采用翻轉課堂，通過引導、啟發(fā)、探究、釋疑使學生更好地理解掌握課程內容，并能夠進行延展性應用，從而提高學生計算機思維素養(yǎng)，讓學生成為課堂學習的主動者。

（四）實驗環(huán)節(jié)強化

技術開發(fā)和工程實踐能力是新工科專業(yè)人才培養(yǎng)的重要方面。為增強學生的動手實踐能力，在增加計算機基礎課程實驗學時的前提下采用以下手段強化實驗實踐環(huán)節(jié)。

1.搭建計算機基礎課程實驗網絡云平臺。計算機基礎課程實驗多是工具類或開發(fā)類軟件應用，可基于計算機及其網絡環(huán)境，安裝部署相應軟件?，F在幾乎每個學生都有筆記本電腦，可以方便接入校園網。搭建計算機基礎實驗網絡云平臺，建立常用軟件資源庫和仿真軟件平臺，可以方便學生進行實驗環(huán)境的部署，在課前課后不受時空限制，根據自身需要開展計算機基礎課程實驗。

2.完善課程內實驗內容。計算機課程實驗分基礎實驗和提升實驗兩部分?；A實驗采用具有代表性的典型范例教學，通過對范例的理解、分析幫助學生了解計算機編程方法和技巧，掌握同類程序規(guī)律并能夠舉一反三，培養(yǎng)學生的基本應用技能和形成科學的編程思維。提升實驗采用課程設計模式，以任務驅動方式進行。先根據學生情況建立若干個實驗小組，然后由教師指定或者由學生自主提出實驗目標任務，組內成員據此在協作完成任務的過程中針對任務目標、技術路線、設計方案等進行過程控制，以保證實驗任務能夠按時完成；最后由組內成員進行成果展示并回答教師和組外學生提出的問題，同時通過組內自評、組間互評和教師評價相結合的方式完成實驗成績評定。這兩個階段的實驗有助于學生掌握基礎、強化能力、提升思維。

3.豐富課外實踐活動。通過生產認識實習或假期社會實踐活動，讓學生了解社會需求及相關領域現狀；通過組織知名學者講座，拓寬學生學科視野，增強學生科研興趣；通過帶領學生參加計算機相關科技競賽和申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)立項，鼓勵有興趣和精力的學生進行能力提升。豐富的課外實踐活動是對課堂教學內容的有效補充和拓展延伸，有助于培養(yǎng)學生的構造思維能力、邏輯分析能力、問題求解能力和對新技術的認知能力。

（五）評價體系合理

大學生面臨學業(yè)發(fā)展和就業(yè)壓力，普遍關心課程成績和績點排名。建立科學合理、公正公平、多元化、過程化的課程考核評定標準，不僅能夠真實反映教學成果，也有助于調動學生的學習積極性，同時也可以起到導向作用，從而保障教學改革措施落實，提升拔尖型人才創(chuàng)新能力，促進素質教育。

在課程分數評定過程中要降低結課考試比重，適當增加線上學習和實驗環(huán)節(jié)評分比例。實驗成績分為基礎實驗和提升實驗兩部分成績?；A實驗部分側重于考查結果實現，而提升部分實驗因實驗任務差異化而應根據實驗的難易程度合理分配評分權重。

考核評價應關注學生的自主性、獨立性；關注學生解決問題和分析問題的方式方法；關注學生創(chuàng)新型設計的方案和結果論證；引入主觀增分項和減分項，包括團隊協作、論文規(guī)范度等[8]，避免不顧及難度差異造成評分失誤而損傷學生的創(chuàng)新進取精神。

應鼓勵和引導學生開展各類創(chuàng)新學習。對參加社會實踐、學術講座以及參與科技競賽等的學生給予學分支持，所得學分可作為選修課學分。這樣可以鼓勵學生自主學習，提高學生參與科技競賽的積極性，助力科技創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

三、結語

新工科背景下非計算機專業(yè)計算機基礎課程教學改革是大學創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要問題。雖然我校在培養(yǎng)目標、課程設置、教學方法、實驗環(huán)節(jié)、評價體系進行了全方位多舉措的綜合改革，但由于新工科專業(yè)設立時間較短，沒有經歷完整的培養(yǎng)周期，尚無法對教學改革成果給予完整準確的評價，需要在之后的教學實踐過程中不斷修正、完善和提升，以滿足學校新工科專業(yè)培養(yǎng)目標和國家創(chuàng)新型人才戰(zhàn)略發(fā)展的要求。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 林鍵.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017 （2）：26-35.

[2] 何欽銘，王浩.面向新工科的大學計算機基礎課程體系及課程建設[J].中國大學教學，2019（1）：39-43.

[3] 教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會.大學計算機基礎課程教學基本要求[M]. 北京：高等教育出版社，2016.

[4] Wing， Jeannette. Computational thinking [J].Communication of the ACM， 2006（3）：33-35.

[5] “計算機教育20 人論壇”報告編寫組. 計算機教育與可持續(xù)競爭力[M]. 北京：高等教育出版社，2019.

[6] 狄長艷，周慶國，李廉.新工科背景下對于計算思維的再認識[J].中國大學教學， 2019（Z1）：47-53.

[7] 劉敏娜，張倩葦.國外計算思維教育研究進展[J].開放教育研究， 2018（1）：41-53.

[8] 楊華，肖平，潘峰.新工科背景下創(chuàng)新型人才實踐教學探索與改革[J].實驗室科學， 2018（6）：84-86.

［責任編輯：鐘 嵐］