新工科下計算機基礎(chǔ)教育改革探究

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摘要:新工科背景下，計算思維成為所有大學生應(yīng)該具備的素質(zhì)和能力。以培養(yǎng)“新工科”人才為目標，武昌工學院展開以計算思維為核心的計算機基礎(chǔ)教育改革。改革方案中，“計算機技術(shù)與應(yīng)用”課程通過以證代考方式督促學生對計算機基礎(chǔ)知識與基本技能的學習，使學生形成初步計算思維;以計算思維為切入點，推進“程序設(shè)計及編程語言類”教學改革，培養(yǎng)學生利用計算機解決本專業(yè)領(lǐng)域問題的能力，使學生具備良好的計算思維素質(zhì);以“開放實驗室”形式，向全校工科專業(yè)普及計算機硬件相關(guān)知識，普及計算機控制基本思想。以“C語言程序設(shè)計”課程為例，在課程建設(shè)方案和課程實施過程中全面貫徹計算思維培養(yǎng)，深受學生、專家和同行好評。

關(guān)鍵詞:新工科;計算機基礎(chǔ)教育;計算思維;教學改革;武昌工學院

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］。計算思維是指運用計算機科學的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為，它包括一系列廣泛的計算科學的思維方法［5-7］?！靶鹿た啤贝龠M了各學科之間的相互交叉、融合、滲透，計算思維成為所有大學生應(yīng)該具備的素質(zhì)和能力。武昌工學院是經(jīng)國家教育部批準設(shè)立的全日制普通本科高等學校，學校面向區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展設(shè)置專業(yè)，形成了以工學為主，多學科門類協(xié)調(diào)發(fā)展的學科布局。2019年最新人才培養(yǎng)方案，以培養(yǎng)“新工科”人才為目標，設(shè)置了12個工科專業(yè)，共計16個培養(yǎng)方向。計算機基礎(chǔ)教育面向全校學生開展，以培養(yǎng)計算思維能力為核心，內(nèi)容包括學生計算機基礎(chǔ)知識和基本操作技能;計算機求解問題的基本方法、基本原理和在本專業(yè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用;計算機控制基本原理及初步設(shè)計。

2教學現(xiàn)狀

目前，學校工科計算機基礎(chǔ)教育主要通過以下幾類課程實現(xiàn)?！坝嬎銠C技術(shù)與應(yīng)用”面向我校所有非計算機類工科專業(yè)開設(shè)，包括電子信息類專業(yè)、機械制造類專業(yè)和土木工程類專業(yè)等。課程講授計算機基本知識(包括計算機軟硬件結(jié)構(gòu)、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫系統(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)，使學生能夠合理、準確地理解和掌握計算機中的基本概念、基本原理、基本方法和基本技能，形成初步的計算思維。程序設(shè)計及編程語言類課程，主要包括“C語言程序設(shè)計”“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計”和“Python程序設(shè)計”，主要培養(yǎng)學生掌握程序設(shè)計的基本方法并逐步形成正確的程序設(shè)計思維，培養(yǎng)學生掌握軟、硬件設(shè)計的能力。通過學習該門課程，使學生掌握程序設(shè)計相關(guān)理論和程序設(shè)計典型方法，掌握程序調(diào)試的基本方法，為學生進一步學習后繼專業(yè)課程以及今后從事軟、硬件開發(fā)工作打下堅實的基礎(chǔ)，使學生初步具備從事本專業(yè)職業(yè)崗位所必需的程序設(shè)計基本知識、基本理論和基本技能，并具備程序設(shè)計和簡單開發(fā)的能力。計算機硬件類課程，主要包括“微機原理與接口技術(shù)”和“單片機原理”，通過對微機(單片機)結(jié)構(gòu)、原理和功能的介紹，使學生獲得微機(單片機)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的基本理論、基本知識與基本技能，掌握微機(單片機)應(yīng)用系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)的設(shè)計、調(diào)試方法，并了解微機(單片機)在測量、控制等電子領(lǐng)域中的應(yīng)用，使學生能將接口的硬件電路設(shè)計和程序的編制有機結(jié)合，初步具備應(yīng)用微機(單片機)技術(shù)進行系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)的能力。

3改革方案

3．1以證代考，以考促學

計算機技術(shù)與軟件專業(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，熟悉計算機的組成、各主要部件的功能和性能指標，了解計算機網(wǎng)絡(luò)與多媒體基礎(chǔ)知識;熟悉信息處理常用設(shè)備，熟悉計算機系統(tǒng)安裝和維護的基本知識;熟悉計算機信息處理的基礎(chǔ)知識，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和基本操作;熟練掌握電子表格的基本知識和基本操作;熟練掌握演示文稿的基本知識和基本操作;熟練掌握數(shù)據(jù)庫應(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;了解計算機與信息安全基本知識，了解有關(guān)的法律、法規(guī)要點，正確閱讀和理解計算機使用中常見的簡單英文?！坝嬎銠C技術(shù)與應(yīng)用”課程教學內(nèi)容和教學目標與“信息處理技術(shù)員”資格認定一致，為進一步明確學生學習目的，增加民辦院校學生競爭力，2020學年起，對“計算機技術(shù)與應(yīng)用”課程進行教學與考試改革，對標“信息處理技術(shù)員”資格進一步豐富、優(yōu)化教學內(nèi)容;在考核方式上，引入并鼓勵學生“以證代考”，自愿采用此方式的學生，無須參加課程期末考試，直接報名“信息處理技術(shù)員”資格考試，考試成績計入課程成績。

3．2新工科計算思維能力培養(yǎng)

計算機通識教育主要是培養(yǎng)學生的信息素質(zhì)，而信息素質(zhì)中的最重要、最核心的內(nèi)容就是“計算思維”能力，這個教學目標必須要通過計算機的程序設(shè)計課程來實現(xiàn)。以計算思維為切入點，推進“程序設(shè)計及編程語言類”教學改革，培養(yǎng)學生利用計算機解決本專業(yè)領(lǐng)域問題的能力，使其更加全面地發(fā)展，更好地適應(yīng)時代的要求。目前我校開設(shè)的“程序設(shè)計及編程語言類”課程包括C語言、C++、JAVA、Python。改革方案中，“程序設(shè)計及編程語言類”課程為工科專業(yè)學生限選課，要求學生從4門不同語言的課程中至少選修1門。為了能夠通過上述四種語言平臺更明晰地傳達程序設(shè)計過程中的計算思維，排除具體語言中語法細節(jié)對課程教學效果的干擾，該類課程可以將教學內(nèi)容整合凝練為兩大板塊:計算思維的建立和計算思維在程序設(shè)計中的體現(xiàn)。計算思維的建立，此板塊是本課程的核心內(nèi)容，主要介紹程序設(shè)計基本概念、基本方法等基礎(chǔ)知識，聚焦計算思維的建立，使學員掌握問題求解的基本策略，能夠?qū)⒁鉀Q的問題轉(zhuǎn)化為計算機求解的步驟。計算思維在程序設(shè)計中的體現(xiàn)，此板塊以程序設(shè)計語言為平臺，在具體的算法實現(xiàn)過程中傳授用語言表達思想的技術(shù)，聚焦如何將計算思維附著于程序設(shè)計語言的軀體上。使學生不只是簡單地掌握了一種語言的語法，還能理解隱含在語法背后的思想，并初步具備靈活使用這些思想進行程序設(shè)計解決實際問題的能力。

3．3“計算機控制”思想啟蒙

信息化時代，現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，無不貫徹“計算機控制”的思想，計算機硬件基礎(chǔ)知識成為新工科專業(yè)自然科學模塊公共基礎(chǔ)教育的重要內(nèi)容。根據(jù)我校實際情況，對計算機硬件基礎(chǔ)知識教學指導思想:將以實踐為中心，啟發(fā)計算思維，驅(qū)動核心知識點學習;具體教學模式:以“第二課堂”“興趣小組”“研學講座”等多種方式通過“開放實驗室”展開教學活動。下表列舉了一些典型的教學項目。作為公共基礎(chǔ)教育環(huán)節(jié)，計算機硬件基礎(chǔ)的教學是學生學習、了解、掌握計算機硬件的啟蒙教育。在“開放實驗室”通過項目實踐，對計算機硬件體系結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)建立初步的概念，激發(fā)學生學習求知欲和學習興趣，進一步豐富“計算思維”，為下一階段與本專業(yè)相結(jié)合學習計算機硬件知識奠定基礎(chǔ)。

4教學案例

4．1建設(shè)方案

以C語言為例，課程建設(shè)方案如下:課程教學目標為:以C語言為載體，使得學生掌握程序設(shè)計的基本思想和過程，能夠了解程序設(shè)計語言的基本結(jié)構(gòu)，理解通過程序設(shè)計求解實際問題的基本過程，掌握程序設(shè)計的基本思想、方法和技巧，養(yǎng)成良好的程序設(shè)計風格，初步具備利用C語言解決各類實際計算問題的開發(fā)能力。圍繞課程教學目標，建議課程主要包括以下6個基本知識模塊:概念基礎(chǔ)，語言基礎(chǔ)，基本語句、語法與結(jié)構(gòu)，模塊化程序設(shè)計，復雜數(shù)據(jù)類型和文件操作。通過實踐教學培養(yǎng)學生的實踐能力，是教學質(zhì)量的重要落腳點和計算思維能力培養(yǎng)的重要體現(xiàn)。在各個模塊的教學組織過程中，重視課程實踐項目的設(shè)計，將課程內(nèi)容恰當?shù)厝谌胨O(shè)計的項目當中。開設(shè)編程環(huán)境與程序基礎(chǔ)、分支結(jié)構(gòu)設(shè)計、循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計、函數(shù)設(shè)計、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課程實施

在課程教學過程中，強調(diào)以學生為中心，調(diào)動學生的學習積極性，發(fā)揮學生的主體性作用和教師的主導性作用。教師引導學生進行在線學習、開展實踐活動、展示實踐成果、繼續(xù)深入學習;學生收到學習任務(wù)，在教師的指導下開展實踐活動和探索性學習。教學中注重理論與實踐相結(jié)合。本課程是一門實踐性非常強的課程，課程以C語言為載體，講授程序設(shè)計的思想和方法，為學生更好地利用計算機解決工程實踐、科學研究和日常生活中的問題打下基礎(chǔ)?？己酥凶⒅剡^程與結(jié)果相結(jié)合。學習不僅僅是獲得知識，而且要培養(yǎng)學習能力、企業(yè)需要的解決問題能力、團隊合作能力和職業(yè)素養(yǎng)等。評價主體多元化，根據(jù)在線開放課程的特點，以網(wǎng)絡(luò)學習課程積分作為評價依據(jù)之一，除教師參與評價外，還引入學生作為評價主體，以激發(fā)學生競爭意識，調(diào)動學生學習積極性。課程授課教師為計算機專業(yè)專職教師，具有較深厚的學術(shù)功底，豐富的教學經(jīng)驗和一定的在線課程開發(fā)、應(yīng)用能力。課程基于超星泛雅平臺進行線上線下混合教學，要求學生自備學習終端(智能手機或電腦)，在配備多媒體的教室開展課堂教學與研討，課程實驗在實驗室進行，提供Windows操作系統(tǒng)、云平臺和編程環(huán)境。

4．3教學評價

自2019年秋季學期起，C語言課程教學按教學改革方案實施，兩年的教學實踐表明，以培養(yǎng)“新工科”專業(yè)學生“計算思維”為目標的課程改革初顯成效，受到學生、專家及同行好評。學生評價，通過典型例題導入學習內(nèi)容，啟發(fā)學生興趣，能夠立即吸引學生進入學習狀態(tài)，遨游在計算機編程的知識海洋，在體驗編程艱辛的同時享受用計算機解決問題的快感。校外專家認為，學校計算機教育在師資隊伍建設(shè)、教學改革、課程建設(shè)與教學管理方面均做了有益的積極探索，成績顯著，符合應(yīng)用型本科教育的特點，培養(yǎng)出來的學生實際動手能力很強。同行教師認為，課程建設(shè)理念先進，積極探索教學內(nèi)容和教學方法改革，教師隊伍教學經(jīng)驗豐富，教學質(zhì)量在校內(nèi)具有很高的評價。結(jié)語新工科旨在培養(yǎng)能夠適應(yīng)、甚至引領(lǐng)未來工程需求的人才，計算思維能力培養(yǎng)是新工科建設(shè)之中的一項重要課題。論文立足新工科背景下民辦高校計算機教育需求，以計算思維為核心，進行計算機基礎(chǔ)教育體系的規(guī)劃與重構(gòu)，探索民辦院校計算機教學改革之路，并付諸相關(guān)課程建設(shè)和教學實踐，將計算思維培養(yǎng)落到實處。具體方案包括對標“信息處理技術(shù)員”資格要求，“計算機技術(shù)與應(yīng)用”課程進行“以證代考”改革;調(diào)整“程序設(shè)計及編程語言類”課程為公共選修課，納入通識教育層次，貫徹計算思維能力培養(yǎng);以“開放實驗室”形式，向全校工科專業(yè)普及計算機硬件相關(guān)知識，進行計算機控制思想啟蒙。武昌工學院計算機基礎(chǔ)教育改革，包含計算機基礎(chǔ)知識、基本技能、程序設(shè)計基礎(chǔ)和軟硬件技術(shù)基礎(chǔ)四個維度，以公共基礎(chǔ)課、選修課、第二課堂、課外講座等多種方式實施，目前已初見成效。在今后的工作中，將進一步總結(jié)經(jīng)驗，深化計算機基礎(chǔ)教育改革與創(chuàng)新，培養(yǎng)民辦院校學生計算思維能力，力求為他們提供在各學科研究創(chuàng)新的計算新手段、新方法和應(yīng)用計算手段進行各學科研究創(chuàng)新的新能力。

作者:李娟 周華濤 陳園 單位:武昌工學院信息工程學院