新工科下計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育改革探究

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摘要:新工科背景下，計(jì)算思維成為所有大學(xué)生應(yīng)該具備的素質(zhì)和能力。以培養(yǎng)“新工科”人才為目標(biāo)，武昌工學(xué)院展開(kāi)以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育改革。改革方案中，“計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用”課程通過(guò)以證代考方式督促學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)與基本技能的學(xué)習(xí)，使學(xué)生形成初步計(jì)算思維;以計(jì)算思維為切入點(diǎn)，推進(jìn)“程序設(shè)計(jì)及編程語(yǔ)言類(lèi)”教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題的能力，使學(xué)生具備良好的計(jì)算思維素質(zhì);以“開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室”形式，向全校工科專(zhuān)業(yè)普及計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)知識(shí)，普及計(jì)算機(jī)控制基本思想。以“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程為例，在課程建設(shè)方案和課程實(shí)施過(guò)程中全面貫徹計(jì)算思維培養(yǎng)，深受學(xué)生、專(zhuān)家和同行好評(píng)。

關(guān)鍵詞:新工科;計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育;計(jì)算思維;教學(xué)改革;武昌工學(xué)院

1概述

培養(yǎng)“新工科”人才，是現(xiàn)階段民辦院校工程教育的重要任務(wù)［1-4］。計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)行為，它包括一系列廣泛的計(jì)算科學(xué)的思維方法［5-7］。“新工科”促進(jìn)了各學(xué)科之間的相互交叉、融合、滲透，計(jì)算思維成為所有大學(xué)生應(yīng)該具備的素質(zhì)和能力。武昌工學(xué)院是經(jīng)國(guó)家教育部批準(zhǔn)設(shè)立的全日制普通本科高等學(xué)校，學(xué)校面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展設(shè)置專(zhuān)業(yè)，形成了以工學(xué)為主，多學(xué)科門(mén)類(lèi)協(xié)調(diào)發(fā)展的學(xué)科布局。2019年最新人才培養(yǎng)方案，以培養(yǎng)“新工科”人才為目標(biāo)，設(shè)置了12個(gè)工科專(zhuān)業(yè)，共計(jì)16個(gè)培養(yǎng)方向。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育面向全校學(xué)生開(kāi)展，以培養(yǎng)計(jì)算思維能力為核心，內(nèi)容包括學(xué)生計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和基本操作技能;計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的基本方法、基本原理和在本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用;計(jì)算機(jī)控制基本原理及初步設(shè)計(jì)。

2教學(xué)現(xiàn)狀

目前，學(xué)校工科計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育主要通過(guò)以下幾類(lèi)課程實(shí)現(xiàn)。“計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用”面向我校所有非計(jì)算機(jī)類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)，包括電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)、機(jī)械制造類(lèi)專(zhuān)業(yè)和土木工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)等。課程講授計(jì)算機(jī)基本知識(shí)(包括計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、多媒體技術(shù)等)、基本操作技能(包括操作系統(tǒng)、辦公軟件、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等)，使學(xué)生能夠合理、準(zhǔn)確地理解和掌握計(jì)算機(jī)中的基本概念、基本原理、基本方法和基本技能，形成初步的計(jì)算思維。程序設(shè)計(jì)及編程語(yǔ)言類(lèi)課程，主要包括“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)”和“Python程序設(shè)計(jì)”，主要培養(yǎng)學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)的基本方法并逐步形成正確的程序設(shè)計(jì)思維，培養(yǎng)學(xué)生掌握軟、硬件設(shè)計(jì)的能力。通過(guò)學(xué)習(xí)該門(mén)課程，使學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)相關(guān)理論和程序設(shè)計(jì)典型方法，掌握程序調(diào)試的基本方法，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)后繼專(zhuān)業(yè)課程以及今后從事軟、硬件開(kāi)發(fā)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使學(xué)生初步具備從事本專(zhuān)業(yè)職業(yè)崗位所必需的程序設(shè)計(jì)基本知識(shí)、基本理論和基本技能，并具備程序設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單開(kāi)發(fā)的能力。計(jì)算機(jī)硬件類(lèi)課程，主要包括“微機(jī)原理與接口技術(shù)”和“單片機(jī)原理”，通過(guò)對(duì)微機(jī)(單片機(jī))結(jié)構(gòu)、原理和功能的介紹，使學(xué)生獲得微機(jī)(單片機(jī))應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論、基本知識(shí)與基本技能，掌握微機(jī)(單片機(jī))應(yīng)用系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、調(diào)試方法，并了解微機(jī)(單片機(jī))在測(cè)量、控制等電子領(lǐng)域中的應(yīng)用，使學(xué)生能將接口的硬件電路設(shè)計(jì)和程序的編制有機(jī)結(jié)合，初步具備應(yīng)用微機(jī)(單片機(jī))技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的能力。

3改革方案

3．1以證代考，以考促學(xué)

計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟件專(zhuān)業(yè)技術(shù)資格(水平)考試中，“信息處理技術(shù)員”資格考試［8-9］要求如下:了解信息技術(shù)的基本概念，熟悉計(jì)算機(jī)的組成、各主要部件的功能和性能指標(biāo)，了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與多媒體基礎(chǔ)知識(shí);熟悉信息處理常用設(shè)備，熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安裝和維護(hù)的基本知識(shí);熟悉計(jì)算機(jī)信息處理的基礎(chǔ)知識(shí)，熟練掌握操作系統(tǒng)和文件管理的基本概念和基本操作;熟練掌握文字處理的基本知識(shí)和基本操作;熟練掌握電子表格的基本知識(shí)和基本操作;熟練掌握演示文稿的基本知識(shí)和基本操作;熟練掌握數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用的基本概念和基本操作;熟練掌握Internet及其常用軟件的基本操作;了解計(jì)算機(jī)與信息安全基本知識(shí)，了解有關(guān)的法律、法規(guī)要點(diǎn)，正確閱讀和理解計(jì)算機(jī)使用中常見(jiàn)的簡(jiǎn)單英文。“計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)與“信息處理技術(shù)員”資格認(rèn)定一致，為進(jìn)一步明確學(xué)生學(xué)習(xí)目的，增加民辦院校學(xué)生競(jìng)爭(zhēng)力，2020學(xué)年起，對(duì)“計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用”課程進(jìn)行教學(xué)與考試改革，對(duì)標(biāo)“信息處理技術(shù)員”資格進(jìn)一步豐富、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容;在考核方式上，引入并鼓勵(lì)學(xué)生“以證代考”，自愿采用此方式的學(xué)生，無(wú)須參加課程期末考試，直接報(bào)名“信息處理技術(shù)員”資格考試，考試成績(jī)計(jì)入課程成績(jī)。

3．2新工科計(jì)算思維能力培養(yǎng)

計(jì)算機(jī)通識(shí)教育主要是培養(yǎng)學(xué)生的信息素質(zhì)，而信息素質(zhì)中的最重要、最核心的內(nèi)容就是“計(jì)算思維”能力，這個(gè)教學(xué)目標(biāo)必須要通過(guò)計(jì)算機(jī)的程序設(shè)計(jì)課程來(lái)實(shí)現(xiàn)。以計(jì)算思維為切入點(diǎn)，推進(jìn)“程序設(shè)計(jì)及編程語(yǔ)言類(lèi)”教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題的能力，使其更加全面地發(fā)展，更好地適應(yīng)時(shí)代的要求。目前我校開(kāi)設(shè)的“程序設(shè)計(jì)及編程語(yǔ)言類(lèi)”課程包括C語(yǔ)言、C++、JAVA、Python。改革方案中，“程序設(shè)計(jì)及編程語(yǔ)言類(lèi)”課程為工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生限選課，要求學(xué)生從4門(mén)不同語(yǔ)言的課程中至少選修1門(mén)。為了能夠通過(guò)上述四種語(yǔ)言平臺(tái)更明晰地傳達(dá)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算思維，排除具體語(yǔ)言中語(yǔ)法細(xì)節(jié)對(duì)課程教學(xué)效果的干擾，該類(lèi)課程可以將教學(xué)內(nèi)容整合凝練為兩大板塊:計(jì)算思維的建立和計(jì)算思維在程序設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)。計(jì)算思維的建立，此板塊是本課程的核心內(nèi)容，主要介紹程序設(shè)計(jì)基本概念、基本方法等基礎(chǔ)知識(shí)，聚焦計(jì)算思維的建立，使學(xué)員掌握問(wèn)題求解的基本策略，能夠?qū)⒁鉀Q的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)求解的步驟。計(jì)算思維在程序設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)，此板塊以程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為平臺(tái)，在具體的算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中傳授用語(yǔ)言表達(dá)思想的技術(shù)，聚焦如何將計(jì)算思維附著于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的軀體上。使學(xué)生不只是簡(jiǎn)單地掌握了一種語(yǔ)言的語(yǔ)法，還能理解隱含在語(yǔ)法背后的思想，并初步具備靈活使用這些思想進(jìn)行程序設(shè)計(jì)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3．3“計(jì)算機(jī)控制”思想啟蒙

信息化時(shí)代，現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，無(wú)不貫徹“計(jì)算機(jī)控制”的思想，計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)成為新工科專(zhuān)業(yè)自然科學(xué)模塊公共基礎(chǔ)教育的重要內(nèi)容。根據(jù)我校實(shí)際情況，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)指導(dǎo)思想:將以實(shí)踐為中心，啟發(fā)計(jì)算思維，驅(qū)動(dòng)核心知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí);具體教學(xué)模式:以“第二課堂”“興趣小組”“研學(xué)講座”等多種方式通過(guò)“開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室”展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)。下表列舉了一些典型的教學(xué)項(xiàng)目。作為公共基礎(chǔ)教育環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)的教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)、了解、掌握計(jì)算機(jī)硬件的啟蒙教育。在“開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室”通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)建立初步的概念，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)求知欲和學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步豐富“計(jì)算思維”，為下一階段與本專(zhuān)業(yè)相結(jié)合學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)奠定基礎(chǔ)。

4教學(xué)案例

4．1建設(shè)方案

以C語(yǔ)言為例，課程建設(shè)方案如下:課程教學(xué)目標(biāo)為:以C語(yǔ)言為載體，使得學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)的基本思想和過(guò)程，能夠了解程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)，理解通過(guò)程序設(shè)計(jì)求解實(shí)際問(wèn)題的基本過(guò)程，掌握程序設(shè)計(jì)的基本思想、方法和技巧，養(yǎng)成良好的程序設(shè)計(jì)風(fēng)格，初步具備利用C語(yǔ)言解決各類(lèi)實(shí)際計(jì)算問(wèn)題的開(kāi)發(fā)能力。圍繞課程教學(xué)目標(biāo)，建議課程主要包括以下6個(gè)基本知識(shí)模塊:概念基礎(chǔ)，語(yǔ)言基礎(chǔ)，基本語(yǔ)句、語(yǔ)法與結(jié)構(gòu)，模塊化程序設(shè)計(jì)，復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型和文件操作。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，是教學(xué)質(zhì)量的重要落腳點(diǎn)和計(jì)算思維能力培養(yǎng)的重要體現(xiàn)。在各個(gè)模塊的教學(xué)組織過(guò)程中，重視課程實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，將課程內(nèi)容恰當(dāng)?shù)厝谌胨O(shè)計(jì)的項(xiàng)目當(dāng)中。開(kāi)設(shè)編程環(huán)境與程序基礎(chǔ)、分支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、函數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)組應(yīng)用、311指針應(yīng)用、結(jié)構(gòu)應(yīng)用和文件應(yīng)用等。

4．2課程實(shí)施

在課程教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮學(xué)生的主體性作用和教師的主導(dǎo)性作用。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行在線學(xué)習(xí)、開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)、展示實(shí)踐成果、繼續(xù)深入學(xué)習(xí);學(xué)生收到學(xué)習(xí)任務(wù)，在教師的指導(dǎo)下開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)和探索性學(xué)習(xí)。教學(xué)中注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。本課程是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，課程以C語(yǔ)言為載體，講授程序設(shè)計(jì)的思想和方法，為學(xué)生更好地利用計(jì)算機(jī)解決工程實(shí)踐、科學(xué)研究和日常生活中的問(wèn)題打下基礎(chǔ)。考核中注重過(guò)程與結(jié)果相結(jié)合。學(xué)習(xí)不僅僅是獲得知識(shí)，而且要培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力、企業(yè)需要的解決問(wèn)題能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和職業(yè)素養(yǎng)等。評(píng)價(jià)主體多元化，根據(jù)在線開(kāi)放課程的特點(diǎn)，以網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程積分作為評(píng)價(jià)依據(jù)之一，除教師參與評(píng)價(jià)外，還引入學(xué)生作為評(píng)價(jià)主體，以激發(fā)學(xué)生競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。課程授課教師為計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)專(zhuān)職教師，具有較深厚的學(xué)術(shù)功底，豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和一定的在線課程開(kāi)發(fā)、應(yīng)用能力。課程基于超星泛雅平臺(tái)進(jìn)行線上線下混合教學(xué)，要求學(xué)生自備學(xué)習(xí)終端(智能手機(jī)或電腦)，在配備多媒體的教室開(kāi)展課堂教學(xué)與研討，課程實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，提供Windows操作系統(tǒng)、云平臺(tái)和編程環(huán)境。

4．3教學(xué)評(píng)價(jià)

自2019年秋季學(xué)期起，C語(yǔ)言課程教學(xué)按教學(xué)改革方案實(shí)施，兩年的教學(xué)實(shí)踐表明，以培養(yǎng)“新工科”專(zhuān)業(yè)學(xué)生“計(jì)算思維”為目標(biāo)的課程改革初顯成效，受到學(xué)生、專(zhuān)家及同行好評(píng)。學(xué)生評(píng)價(jià)，通過(guò)典型例題導(dǎo)入學(xué)習(xí)內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生興趣，能夠立即吸引學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，遨游在計(jì)算機(jī)編程的知識(shí)海洋，在體驗(yàn)編程艱辛的同時(shí)享受用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的快感。校外專(zhuān)家認(rèn)為，學(xué)校計(jì)算機(jī)教育在師資隊(duì)伍建設(shè)、教學(xué)改革、課程建設(shè)與教學(xué)管理方面均做了有益的積極探索，成績(jī)顯著，符合應(yīng)用型本科教育的特點(diǎn)，培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力很強(qiáng)。同行教師認(rèn)為，課程建設(shè)理念先進(jìn)，積極探索教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革，教師隊(duì)伍教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富，教學(xué)質(zhì)量在校內(nèi)具有很高的評(píng)價(jià)。結(jié)語(yǔ)新工科旨在培養(yǎng)能夠適應(yīng)、甚至引領(lǐng)未來(lái)工程需求的人才，計(jì)算思維能力培養(yǎng)是新工科建設(shè)之中的一項(xiàng)重要課題。論文立足新工科背景下民辦高校計(jì)算機(jī)教育需求，以計(jì)算思維為核心，進(jìn)行計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育體系的規(guī)劃與重構(gòu)，探索民辦院校計(jì)算機(jī)教學(xué)改革之路，并付諸相關(guān)課程建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐，將計(jì)算思維培養(yǎng)落到實(shí)處。具體方案包括對(duì)標(biāo)“信息處理技術(shù)員”資格要求，“計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用”課程進(jìn)行“以證代考”改革;調(diào)整“程序設(shè)計(jì)及編程語(yǔ)言類(lèi)”課程為公共選修課，納入通識(shí)教育層次，貫徹計(jì)算思維能力培養(yǎng);以“開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室”形式，向全校工科專(zhuān)業(yè)普及計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制思想啟蒙。武昌工學(xué)院計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育改革，包含計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和軟硬件技術(shù)基礎(chǔ)四個(gè)維度，以公共基礎(chǔ)課、選修課、第二課堂、課外講座等多種方式實(shí)施，目前已初見(jiàn)成效。在今后的工作中，將進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，深化計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育改革與創(chuàng)新，培養(yǎng)民辦院校學(xué)生計(jì)算思維能力，力求為他們提供在各學(xué)科研究創(chuàng)新的計(jì)算新手段、新方法和應(yīng)用計(jì)算手段進(jìn)行各學(xué)科研究創(chuàng)新的新能力。

作者:李娟 周華濤 陳園 單位:武昌工學(xué)院信息工程學(xué)院