基于分類教學指導的大學計算機基礎課程實驗改革

薛慶　陳宇峰　張東生　趙三元

摘要：就如何面對學生基礎參差不齊的現狀，如何面向不同專業的學生在有限的學時提供信息素養的熏陶、計算機科學知識的傳授和計算思維能力的培養等問題，探討大學計算機基礎分類教學的改革與實踐，提出計算機公共教學為專業提供支持，并以虛擬實驗為例，詳細介紹機械類專業分類教學的內容、方法和預期效果。

關鍵詞：大學計算機；分類教學；實驗改革

0 引言

大學計算機基礎一直是大學本科一年級的必修課，是學習和應用計算機的入門課程。不同專業的學生在大學4年內的課程體系有很大不同，研究型大學以培養高水平復合型人才為目標，注重學生綜合能力和素質的提高。大學計算機基礎課程如何為專業課提供基礎知識和基礎技術，如何培養學生計算機應用的基本能力是當前熱點問題。文科類、理工類以及農林、醫學等不同專業對大學計算機基礎課程的需求不同，加之受到內容多、學時少的影響和限制，我們必須探索合理的改革目標和路徑，嘗試分類教學，有針對性地在不同分類的需求上展示所需的計算機科學分支。

1 計算機公共教學需要分類指導

我們多年從事大學計算機基礎課程教學和實驗輔導，對不同專業對計算機知識和能力的需求有深入了解。如何改革教學內容、如何面向不同類別的專業建立恰當的教學體系，是我們深度思考的問題，分類教學是一種有效的手段。

文中所說的分類教學是指在統一教學指導的前提下，基于人才培養目標，面向不同專業類別進行的，不以學校來簡單劃分。根據不同專業需求，設計不同的教學方案，包括教學內容、教學手段、教學素材、教學過程和教學實驗。如北京理工大學總體學科和專業的設置基于對各專業的課程體系、專業培養計劃的縝密分析，通過對不同專業、不同年級的學生的訪談溝通，特別是學生進入大三大四后對計算機科學的依賴，將大學計算機基礎授課對象分為信息類、理工機械類、理工理科類、管理類、文科類和藝術類等。其中管理類需要數據庫方面的支持，而機械類對仿真相關方法和知識關注度更高。針對不同類別的專業重點強調某些內容，這是面向應用培養復合型人才的最高境界。又如河南大學每年上萬學生學習大學計算機基礎課程，目前教學分為社科、人文、理工、醫學與生命科學、經管教育等5類，都需要一套能夠服務于專業需求的教學計劃與之配套。所以分類教學是大學計算機公共教學的首要環節，不僅體現在課程講授上，也體現在虛擬實驗中，即為不同大類的學生訂制不同的實驗。

2 計算機公共教學應該為專業需求提供支持

作為重要的基礎課，大學計算機基礎課程應該為各類專業學生今后的專業學習和專業技能應用奠定堅實的基礎。我們的原則是計算機公共教學應該為專業需求提供支持，具體措施如下。

1）為不同專業的學生訂制不同的教學內容。

我們將大學計算機基礎分為4類，分別為大學計算機基礎、計算機應用基礎、計算機科學導論、計算機科學與程序設計。每個分支都有獨立的教學小組、定制不同的教學大綱。

2）選擇合適的教師承擔不同類別的課程教學。

北京理工大學計算機公共基礎課教學團隊是國家級優秀教學團隊，由多學科多專業背景的教師組成，除計算機專業外，還有自動控制類、機械制造類、信息工程類。這些教師除有很強的計算機應用能力外，還有本專業堅實的基礎理論和系統的專業知識，他們深知如何將計算機的基礎知識和應用深度融合到自己專業領域，他們也能夠深入淺出地面向學生講授課程內容，尤其是他們能夠結合科研給學生豐富的應用實例。

3）運用虛擬實驗配合課堂教學。

為解決學時少內容多的矛盾，更重要的是體現不同內容對專業的服務，我們設計了18個虛擬實驗，見表1。實驗配套相應教材，由學生課后自主完成。

上述實驗中，不同類別教學內容可以有針對性地選擇其中的部分實驗，讓學生練習和體驗，具體實施如表2。

3 機械類大學計算機基礎課程分類教學設計

筆者曾在美國幾所大學訪問交流，深入了解過多所大學在工程學院的課程設置及課程內容。很多大學在大學一年級的課程中都有編程課程Computer Science and Programming，還有些大學的工程學院從大一到大四，一門實踐類的課程貫穿始終。如美國史蒂文斯理工大學，在工程學院開設Engineering Design（1）至EngineeringDesign（8），連續8個學期都有，學生可以靈活選，內容包括編程實現對簡單機器人的控制、用力學知識編程計算桁架的結構性能、用Matlab進行仿真分析等；工程學院的每個學生無論專業是機械工程、電子工程還是計算機工程，都必須修滿這個課的全部學分。這就是一個問題驅動并且理論與實際很好結合的實例。

目前基于問題的學習、基于項目的學習等一些新思想、新做法層出不窮，以轉變學生的學習方式為目的，強調主動探究和創新實踐，著眼于給學生終身受用的知識和能力，回應了時代對教育的需求。通過分析美國部分大學工程學院一年級計算機類課程的設置，以及北京理工大學機械大類學生后續課程設計、畢業設計中對計算機相關知識和工具的應用，我們在分類教學設計中對機械大類實施比較大的改革，具體思路是：

（1）將大學計算機基礎課程與后續的程序設計課程打通，形成新的課程——計算機科學與程序設計。

（2）新課程的內容體系以培養學生計算思維為導向，以培養目標為驅動，以案例教學為線索，以服務專業應用為目標。

（3）在高度濃縮課程理論教學的同時，強化學生實驗，充分利用虛擬實驗平臺，將演示與體驗結合，將理論與實際結合，將基礎課內容與專業課應用結合。

（4）課程的進行采用漸進式案例，問題復雜程度從簡到難，練習內容由淺入深，學生作業成果從小到大。

（5）注重全過程考核，將學生作業、實驗、考試和“成果”一并列入考核內容。

數據庫的基礎知識是課程內容之一，介紹數據管理的基礎知識和數據庫的基本思想。為幫助學生理解，我們從需求出發，以車間零備件庫存管理為例，緊密結合機械類學生的應用，設計漸進式的問題（案例），見表3。學生由淺入深地學習計算機科學的知識并掌握程序設計的技能。

4 分類教學實驗改革實例——仿真計算與Madab虛擬實驗

在工科專業中，特別是機械大類，學生在專業課學習過程中經常用到仿真。仿真計算利用模型復現實際系統中發生的本質過程，通過虛擬實驗來研究已存在或設計中的系統。北京理工大學是以理工為主的研究型大學，從基礎課就培養學生的研究素養。我們在虛擬實驗的設計中，特別設置了針對理工類的演示驗證實驗，實驗既有功能的體現，又有算法的設計。學生可以比較早地了解今后從事研究所用的知識和工具，從而激發學生求知的愿望。

實驗17涉及連續系統建模與仿真、模型參數優化、離散系統建模與仿真等知識點。學生通過虛擬交互性實驗了解系統建模與仿真的基本概念及模型優化與驗證思想，理解離散系統仿真原理。學生最后對實驗內容進行總結和思考，將實驗涉及的相關內容拓展和系統化，完成實驗報告。

實驗17中的水箱系統仿真計算與模型優化，如圖1所示，學生首先觀察虛擬水箱系統，通過控制閥門可以向水箱注水。單擊屏幕上的“開始”，仿真程序實現虛擬水箱注水的過程，并獲得水面變化的記錄。然后，學生根據計算公式填入對水箱橫截面積和流量的參數估計，根據已經設定的輸入流量，仿真計算獲得對應的水位變化記錄。學生可以多次輸入參數，觀察不同的仿真結果，分析結果的誤差，修正水箱參數，重新執行，直到誤差小于1為止，這時，將以上水箱橫截面、流量及水位參數和誤差記錄下來。

此外，還可以讓學生完成蟻群算法的分析和應用，在實驗中，學生首先了解蟻群算法，在界面選擇“覓食模擬問題”，根據軟件提示，選定螞蟻種群數量，用鼠標拖動折線繪制2條覓食路徑，單擊“覓食”，經過給定的時間后，獲得最優路徑，將螞蟻覓食過程記錄相應的表中。學生可以進一步改變螞蟻種群數量以及路徑數量，重復進行多次試驗。如果學生選擇“路徑優化問題”，如圖2所示，可以在地圖上任意選擇10個點作為城市坐標，通過蟻群算法計算最優路徑，實現所有城市的遍歷，還可以獲得優化后的路徑及其長度。

這樣的實驗有力展示了計算的魅力，啟發和培養了學生的計算思維，引導學生產生對底層計算方法深入探究的興趣，對學生后續專業課的學習和專業知識的綜合應用起到非常好的作用。

5 結語

當前，大學計算機基礎課程的教學廣受關注，改革的思路各不相同，也不乏有建設性的理念和措施。筆者對計算機基礎的分類教學和虛擬實驗，特別是在理工機械類的教學內容和實驗方法進行了較大力度的改革。近年來在不同的教學班嘗試實施，收到較好效果。

這些改革的實施將全面培養本科生的科學素養和科學思維，有效提升本科生的學術意識，使他們在后續課程和今后工作中，能夠自學和自主應用計算機程序設計的知識，編程解決實際問題，成為具有自主學習能力、研究性學習能力、終生學習能力，能夠適應環境和任務變化的復合型人才。

（編輯：彭遠紅）