筑好计算机专业的第一级台阶

2021-12-01 08:12李宁
中国大学教学 2021年9期
关键词:应用型人才培养课程建设教学改革

李宁

摘 要:分析了计算机导论课当前存在的问题和挑战,指出计算机导论课的建设要以专业培养目标为依据,从认识规律出发,重点引导学生对专业的认知和对未知问题的探索。同时总结了国家级一流本科课程建设在教学内容、教学方法等方面的经验,即根据应用型人才培养的需要,通过信息技术热点案例引入原理性知识,启迪计算思维,形成信息素养,激发专业兴趣,引出留待未来专业课程中深入学习的问题。

关键词:计算机导论;课程建设;教学改革;应用型人才培养

一、引言

当前世界范围的高等教育受到以物联网、大数据、机器人及人工智能等技术驱动的第四次工业革命的影响,正发生着深刻的变革。计算机科学与技术是促成新一轮科技革命和产业变革的原动力,这使得计算机类专业成为当前发展最快、学科交叉最多、社会需求量最大的专业。近十年来,国内计算机类专业逐步发展成为涵盖计算机科学与技术、软件工程、网络工程、信息安全、智能科学与技术等17个具体专业的大类专业。招生专业点达3976个[1]。作为计算机类专业的入门课程——计算机导论受到广泛重视,它的教学内容和教学方法也是历久弥新的研究主题,其焦点在于如何优化教学内容,强化能力培养,提升教学质量,为专业做好支撑[2-3]。

北京信息科技大学自2014年起开设计算机导论课程。该课程是为我校计算机专业学生设计的第一门专业基础课,其目标是认知与导学。通过信息技术热点案例引入原理性知识,启迪计算思维,形成信息素养,激发专业兴趣,引出留待未来专业课程中深入学习的问题。经过课程组对课程目标、教学内容、教学方法、考核方式等方面的不断探索和完善,该课程于2017年入选校级本科优质课程,2019年入选北京高校优质本科课程,2020年入选“双万计划”国家级一流本科课程。

二、导论课存在的问题和挑战

导论类课程虽然重要,但不易讲好。一般来说,计算机导论课有以下几种类型[3-4]。

(1)替代大学计算机基础,主要讲解计算机基础知识和办公软件、操作系统等的使用。常面向非计算机专业的学生,难以满足计算机专业人才培养的要求。

(2)以專业知识为主。按照传统门类讲解计算机原理、操作系统、数据库、计算机网络等核心课程的入门知识。这种讲法很难让学生感兴趣,而且和日后的专业课多有重复。

(3)以编程能力培养为主。编程虽然是计算机专业的基础,但是这样讲难免以偏概全,难以达到导论课专业导学的全面要求,况且也会和其他的程序设计课程重复。

(4)以系列讲座为主。这种讲法难以实现课程目标,各讲的内容缺少整体关联。

(5)以计算思维为主,讲解计算科学的核心问题和解决方式。这种讲法比较适合高年级的学生,但对于大一学生,特别是非重点高校的学生很难听懂和真正接受,还会让学生日后对专业敬而远之。

除了上述教学内容的问题,导论课还存在以下几方面挑战。

一是授课内容的广泛性。计算机学科发展快且与多个学科交叉,因此导论课的内容涉及面广。而目前大多数高校的导论课为48~64学时,我校的导论课学时更短,仅为32学时,授课内容很难面面俱到。即使选讲一部分,学生仍然会感觉内容杂乱,抓不到重点。

二是授课对象的差异性。一些来自发达地区的学生,在中学阶段上过信息技术基础课程,甚至还具备了一定的编程能力;但是来自欠发达地区的学生存在一定差距。因而导致同样的课程内容一些学生吃不饱,一些学生吃不了。

三是培养目标的挑战性。今天计算机教育普遍提倡系统能力的培养,包括系统思维、系统设计、系统开发和系统应用等方面的能力[1],工程教育专业认证也要求培养学生解决复杂工程问题的能力[5]。但是大一新生的计算机基础知识还很薄弱,培养他们具备这样的能力面临诸多困难。

尽管导论课面临种种困难和挑战,但是学界对于导论课的期望是基本一致的。概括说来一门好的导论课应该具备以下特点:能够达到课程目标和毕业要求,这也是工程教育专业认证对所有课程的基本要求;能够唤起学生的兴趣;能够起到专业引导的作用。

三、导论课的建设与探索

如何建设计算机导论课,使之达到金课所要求的“高阶性、创新性、挑战度”?我们认为,解决上述问题的根本首先是要对专业培养目标有明确认识,什么样的培养目标就会有什么样的导论课设计;其次,计算机导论课的教学要坚持以“导”为主,而不是以讲授知识为主;最后,要从认识规律出发,设计合理的教学内容和教学方法。

1.适应培养目标

北京信息科技大学计算机学院拥有四个计算机类专业,即:计算机科学与技术、软件工程、网络工程以及数据科学与大数据技术。学生在大一阶段基本按大类方式培养,最先开设的专业基础课程是计算机导论和C语言程序设计。计算机导论是四个专业的必修课程,需要做到对四个专业培养目标的支撑。

从工程教育专业认证的角度,学校的办学定位决定专业的培养目标,专业的培养目标决定毕业要求,毕业要求决定课程目标[5]。我校的办学定位是建设成为高水平应用型大学,人才培养的目标是培养具有较强实践能力、创新意识与国际化意识、德智体美劳全面发展的高素质应用型创新人才。相应地,计算机科学与技术专业的培养目标为:培养具备计算机软硬件专业知识和专业能力,良好的科学素养和社会责任感,协作精神、创新意识和国际视野,自主学习和终身学习能力,能够成为信息技术领域从事计算机软硬件系统分析、设计、实现、测试及应用等工作的高素质应用型人才。在毕业要求方面,一般学校会基于工程教育认证的12条通用标准确定本专业的毕业要求,然后分解成若干指标点,通过课程矩阵来支持。一门课程一般只对应少量的指标点和毕业要求,但是有趣的是,由于导论课涉及面广,有研究显示计算机导论课可以支撑几乎所有的毕业要求[6]。

有些学校甚至会把其他课程难以支撑的指标点留给计算机导论课来支撑,这也是可以理解的。我们认为,导论课与培养目标的一致性更为重要。基于培养目标,研究型高校可以侧重计算思维的培养,引导学生在毕业后从事理论性的研究;应用型高校可以侧重工程思维或设计思维的培养[7],引导学生毕业后从事产品创新或解决复杂工程问题。北京信息科技大学的计算机导论课就属于后者。

2.发挥导学作用

很多学者曾探讨计算机导论课的作用,例如,文献[8]将之归纳为“五导”,即知识引导、方法引导、思维引导、意识引导和职业引导。针对北京信息科技大学的人才培养定位和专业培养目标,我们认为导论课应重点引导学生对专业的认知和对未知问题的探索。我们从认知规律出发,从应用中来到应用中去,通过好奇心激发学生的专业兴趣,注重知识的原理性、系统性和实用性,避免套用生硬、高深的专业理论框架,从学生熟悉的IT领域热点案例切入,通过问题引导,结合实物,深入浅出地讲解计算机工作原理,并把计算思维的培养贯穿其中。例如:第一章,从人机博弈谈计算机如何思考,引申出计算机的基本功能、数据和指令的表示、CPU的工作原理、程序和算法的概念以及人工智能应用;第二章,从超市购物谈计算机如何记忆,引申出二进制和十六进制数据表示、存储器的工作原理、内存和外存的概念、數据类型和数据库以及数据挖掘技术;第三章,从无人汽车谈计算机如何改变外部世界,引申出感知、控制与反馈原理、计算机接口、常见的计算机外部设备、计算机系统的概念、单片机与嵌入式系统的应用,等等。改变了传统的专业知识体系,但又覆盖了应有的知识点。使授课内容更加贴近实际,各部分知识的关联更加紧密。

图1和图2展示的是我们导论课的第一讲“计算机如何思考”的知识图谱。这一章从近年人工智能的热点话题Alpha-Go围棋切入,引出计算机系统、指令与算法等核心概念(如图1所示);由此辐射到计算机原理、计算机软件、人工智能等专业知识,最后再回到机器人、生物特征识别和数据挖掘等重点应用,实现认识的螺旋式上升(如图2所示)。此外,在讲解CPU工作原理的时候,对照文献[9]中的计算思维的规律和方法,告诉学生自动执行是计算机学科区别于其他学科的重要特点,也是解决一切计算问题的前提条件。

在课堂上,我们既要让学生知道今天解决了哪些问题,还要让他们知道哪些问题还没有解决,或者怎样解决会更好。这有助于培养学生的创新意识,激发其学习兴趣和学习动力,甚至可以帮助他们树立人生规划和未来的奋斗方向。另外,将前沿知识和最新发展融入计算机导论的教学内容中,既是深化专业课程改革的必然趋势和发展方向,也是创新性、应用型人才培养的有效途径。学生对前沿知识、先进技术和重要成果有了一定了解之后,能够拓展其视野,启迪其思维,对于创新能力以及解决复杂工程问题能力的培养都大有裨益。我们在课程中融入诸多信息技术领域的最新发展,例如人工智能、云计算、大数据、量子计算、量子通信等,并鼓励学生从多种途径学习这些知识。然而,如何在十分有限的时间内让学生理解这些前沿知识,并了解这些知识的重要性,仍然具有挑战性。有了这些层次丰富的教学内容,起码我们不必再担心学生基础参差不齐,可以很好地进行分层教学。

3.注重认识规律

导论类课程要特别注意尊重人类的认识规律,即从感性认识到理性认识,从具体到抽象,从现象到本质。当前的一种倾向是倡导导论课中计算思维的培养[10]。将计算思维与导论课结合是近年来众多国内外学者和学术机构所热衷的[11]。但我们认为,计算思维虽然重要,但是它属于认识论和方法论的范畴,是需要学生在足够的编程实践等感性认识的基础上才能体会到的理性认识,在新生刚刚步入大学阶段立即引入计算思维教学,效果不一定理想[12-14]。我们的课程中并没有设置专门的章节讲授计算思维,而是将基础知识与计算思维关联起来讲授。每讲完一部分知识,都会引导学生从计算思维的高度加以深入认识,在潜移默化中体会计算思维的精髓,做到“授之以渔”。

除了常见的各种应用,学生对计算机的感性认识大多来自硬件。我们在讲授导论课的时候,会随时拿出一些计算机配件,如计算机主板、CPU、内存条、拆开的硬盘和U盘、拆开的键盘和光驱等,这些实物对于学生理解计算机原理很有帮助。本课程的实践环节安排学生自主完成计算机组装实验和开源软件的使用,锻炼学生“学到、看到、用到、做到”的能力。此外,尽管课时较少,6年来我们坚持组织全体学生到天津曙光计算机产业有限公司参观高性能服务器生产线,听取讲解,亲眼看见国产芯片的成功应用,让学生了解真实的计算机制造过程、所用的关键技术和国产化水平。在加深知识理解的同时,激发他们打好基础迎接挑战,将来为国家解决“卡脖子”难题的爱国情怀。学生在参观感言中说:“当我走进曙光公司的时候,真正被震撼了,通过介绍得知曙光高性能计算机连续11年稳居国产高性能计算机市场第一,拥有70%以上的份额,超越了国外产品。我突然感到压在自己身上的担子很重,这是当初选择计算机专业的时候没有想到的。”

在解决复杂工程问题能力以及创新能力的培养方面,很多人会问,大一学生专业基础薄弱,怎么可能具备这种能力呢?我们认为,这些能力的培养应从学生的观察、思考和表达训练入手,养成问题意识,通过探究式学习寻找答案。这是导论课可以有所作为的。为此,我们设计了许多开放性的问题,例如:如何提高计算机的速度?怎样设计一个智慧校园?等等,作为课后作业或在课堂上讨论。这些问题往往会得到几十种回答,其中不乏创新的想法。

四、总结

我校的计算机导论课根据学校的办学定位和专业培养目标,确定课程的教学内容和教学方法。从认识规律出发,舍弃了传统的导论课教学模式,通过IT热点案例引入原理性知识,启迪计算思维;通过一系列思考性的问题,唤醒学生的好奇心,引出未来在专业课中需要深入学习的内容,起到导论课认知与导学的作用。

本课程教学效果良好,近年教学效果评价均为95分以上,学生对课程的满意度均超过90%,课程目标全部达成。教学评价认为该课程教学理念先进,教学内容深入浅出,独具特色,理论联系实际,注重教学方法的革新。学生评价说:“通过导论课的学习,不仅学到了专业知识,还让我们学会了思考,帮我们树立正确的人生观和价值观。”

入选国家级一流本科课程之后,我们将以更高的标准建设好课程。目前正在加紧线上和线下教学资源的建设,编写教材。此外,还将尽量利用好国内外优质资源,学习兄弟高校的经验,把课程建成具有高阶性、创新性和挑战度的金课,筑好计算机专业学生登堂入室的第一级台阶。

参考文献:

[1]教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会,智能时代计算机专业系统能力培养研究组. 智能时代计算机专业系统能力培养纲要[M]. 北京:机械工业出版社,2021.

[2]王剑. “计算机导论”课程教学“痛点”分析与对策[J]. 科技视界,2018(28):198-199.

[3]朱强. 基于应用型人才培养的“计算机科学导论”课程教学改革研究[J]. 无线互联科技,2019,16(19):105-106.

[4]吴卫江,李国和,赵建辉. 计算机导论课程建设探索[J]. 福建电脑,2018,34(5):58-59.

[5]中国工程教育专业认证协会. 工程教育认证标准[Z]. 2017.

[6]董荣胜,李凤英,汪华登. “新工科”背景下“计算机科学导论”课程建设初探[J]. 工业和信息化教育,2018(4):6-11.

[7]顾容,熊海燕,李晖. 工程思维视角下高校通识教育课程的设计与研究[J]. 教育探索,2020(4):4.

[8]袁方,王兵,李继民,等. 改革教学方法,发挥计算机导论的“五导”作用[J]. 计算机教育,2011(1):95-97.

[9]徐志伟,孙晓明. 计算机科学导论[M]. 北京:清华大学出版社,2018.

[10]陈国良,董荣胜. 计算思维的表述体系[J]. 中国大学教学,2013(12):5.

[11]牟琴,谭良. 计算思维的研究及其进展[J]. 计算机科学,2011(3):10-15.

[12]鲁强. 计算思维导引新生研讨课的实施与认识[J]. 计算机教育,2016(10):133-136.

[13]史文崇,刘茂华,杨大志. 计算思维教育的困惑与博弈[J]. 中国远程教育:综合版,2019(8):59-67.

[14]杜子德. 计算思维及其意义[J]. 中国计算机学会通讯,2019(10).

[责任编辑:余大品]

李 宁,北京信息科技大学计算机学院院长,教授。

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