軟件文化課程教學法研究與實踐

覃征?王國龍

摘 要：本文結合清華大學多年來在軟件工程、計算機科學與技術、電子商務和工程文化領域的科研和教學探索，探討了軟件文化教學方法和教學內容的建設。在課堂教學中引入項目導向式教學法，創新性地結合問題研究式教學法和主題式教學法創立了“融合式”教學法。

關鍵詞：軟件文化;項目導向式;“融合式”;軟件工程;電子商務;教學內容建設

軟件文化課程是軟件工程學科在發展演進過程中的重要拓展，是信息科學、軟件科學及相關領域學科中培養學生文化素質的課程，從知識單元逐步過渡到知識體系，建成以人類計算方法為基礎、以軟件分類為導向、以創新案例為特征、以軟件創新為目標、以軟件文化為傳承的軟件文化課程體系。

清華大學率先在國內開設“軟件文化概論”課程，該課程主要講述軟件文化的基本概念， 軟件系統的基本構成，軟件的劃分標準、設計原則及應用領域。課程注重培養學生掌握軟件 文化研究的科學方法，對案例的分析理解能力，使學生明確最新學科、交叉學科在軟件文化創新與發展過程中所起到的引領作用。軟件文化堪稱是軟件工程領域基礎教學的“靈魂”和“基石”，本課程自2013年在國內首次開設以來，時刻關注國內外計算機大類文化素質課程的建設情況，結合交叉學科的國際發展前沿，在建設課程體系的基礎上不斷完善教學方 法，變“輸入式”為“融合式”，綜合運用多種教學手段，形成了“軟件文化概論”課程教學方法。該課程在 2016 年得到“清華大學本科生教育教學改革項目”的支持，2017年被選入清華大學“新生研討課”，在國內高校起到了示范引領作用。

一、國內外計算機大類文化素質課程調研

在課程建設初期，國內軟件文化課程建設尚處空白，課程組對國內外計算機大類文化素 質課程進行調研。部分歐美高等學校開設了計算機相關文化課程。例如，加利福尼亞大學伯克利分校從2015年秋季起每學期開設“The Beauty and Joy of Computing”課程，該課程主題為計算之美，主要內容包括計算歷史、社會意義、重要理論和未來發展，以此展示計算應用如何改變世界以及計算如何推進其他領域的發現和進步;劍橋大學開設Foundations of Computer Science，旨在使學生能夠理解基本的編程規則，理解基本的數據結構和算法設計。亞洲的高校有很多課程涉及軟件和計算機的發展歷程，以及培養軟件從業人員除了程序開發以外應具備的其他能力。以韓國首爾大學為例，在軟件工程課程之外，開設了軟件應用課程、IT 創業課程、IT 領導力研討、計算機主題研究課程。這些課程介紹了軟件開發基礎，在傳統計算模式的基礎上，集成了其他不同領域的知識，形成了新的模式，使學生掌握新計算模式下的軟件設計思維，并形成新的設計文化。

國內部分高校已經開設了計算機文化基礎課程。清華大學開設的計算機文化基礎課程， 共計32學時，主要介紹計算機基本組成和工作原理、操作系統相關概念和基本方法、常用工 具軟件、多媒體技術應用、網絡應用基礎、網頁制作;北京航空航天大學、西安交通大學等兄弟高校也開設了計算機文化基礎等相關課程。與此同時，在世界范圍內，軟件工程作為獨立的學科，已產生廣泛的影響力，關乎國民經濟、社會變革、未來創新等諸多方面，已形成以軟件應用為特征的新文化。但是在國內外，尚未有人進行軟件文化的深入研究。

為此，清華大學立足軟件發展，建設 “軟件文化概論”課程，目的是推動軟件科學技術的創新與發展。課程旨在使學生掌握軟件文化的基本概念、通用軟件系統的基本構成、世界軟件分類標準和相關領域國內外信息化產業發展的經典案例和核心推動力;能夠從軟件文化的視角了解人類的計算歷史、計算機的發展歷程、信息學科的發展歷程和軟件創新創業發展的里程碑，軟件在各領域中的應用和未來發展趨勢;掌握全球軟件的劃分標準、設計原則及 應用領域。掌握軟件文化研究的科學方法，培養對經典案例的探究分析能力，建立起軟件科學的科學發展觀。課程主要內容包括三部分：人類計算及計算機的歷史、世界軟件分類標準、信息產業與智能軟件應用。課程的設置符合教育部推進“新工科”建設的需求，以軟件文化為軸，將創新前沿與計算機、控制、數學、統計學、物理學、生物學、心理學等學科交叉融合。

二、結合問題研究式教學法與主題式教學法

“軟件文化概論”課程，面向清華大學全校低年級本科生。由于學生對計算機的掌握程 度不同，即使在同年級軟件工程專業本科生之間，不同人的學習興趣和學習程度也有很大差異，因此盡快使學生擺脫中學時“灌輸式”教學法，適應大學的教學節奏是課程能否取得實效的重要因素。

為了充分利用各種不同類型的數字資源，調動學生的積極性和主動性，課程組采用問題 研究式教學法和主題式教學法相結合的“融合式”教學法規劃每節課的授課內容及教學形式。問題研究式教學法和主題式教學法在國內外著名大學已經得到了廣泛應用，課程組以軟件文化為紐帶，將二者融合起來，形成了獨特的教學方式。以問題引領教學，教師結合學科前沿提出問題，根據問題以主題報告的形式論述相關命題，同時以問題引領學習，學生通過研究教師提出的問題，抓住主題建立研究思路，對于課程的學習有更深刻的理解。

二者結合的過程中，問題的設計必須依托軟件文化教學大綱，緊扣交叉學科前沿，讓學 生有自己的思維空間，這樣才能讓學生有拓展自己思維的動力。同時，問題的深度和廣度要 和課程主題的設計相匹配。主題報告的講授需要對問題起到引領作用，讓學生在聽課的時候 產生共鳴，進一步激發學生的學習興趣。

目前，課程組以軟件形成和發展的過程為主線，將“軟件文化概論”劃分為人類計算發 展的歷史、計算機發展的歷程、軟件發展的歷程、軟件分類、軟件應用領域、軟件未來發展趨勢等主題展開論述。例如，在講授人類計算的歷史時，課程組從工業背景、學術背景、應用背景、經濟環境等角度全面分析了早期計算工具發展的社會大環境。每一部分不是簡單分析歷史，而是通過梳理早期計算工具的演化歷程，針對經典案例，采用歷史對比的方法形成東西方文化差異性研究，拓寬本科生認識問題的能力。通過中美原子彈制作過程中使用的計算工具的差異，引出“計算機發展的歷程和軟件發展的歷程”這一主題。在講授計算機發展的歷程和軟件發展的歷程時，課程組提出了“目前在計算機領域，是什么引領了這個時代，會給我們帶來什么思考”這一問題。在主題報告中，利用視頻、圖片等形式，課程組通過對不同節點的梳理引導學生探究問題：（1）時間節點，代表這個時代的特征是如何推動技術發展的。（2）計算機體系結構節點，馮 · 諾依曼結構的形成和發展。（3）運算速度節點，從電子管計算機到超級計算機的運算速度幾何速度增長。（4）應用領域節點，是由哪一領域推動，與其他領域怎么樣相輔相成。在分析節點的過程中，既從事件的視角分析，又從人物的視角分析，引導學生學會在科研過程中建立自己的文化生態環境。

軟件分類是軟件文化的重要基礎知識，是根據國內外眾多分類標準而形成的硬性知識。 相比計算機和軟件的發展歷程、軟件未來發展趨勢等主題，看似枯燥，缺乏探究的空間，而 課程組在主題講授過程中，扣住“橫看成嶺側成峰”的探究問題，引導學生分別從計算機硬件、 操作系統、編程語言、編程工具、軟件應用等五個視角進行比較。這樣以比較的方式，讓學生感受分類的過程，并在分類過程中不拘泥現有知識框架，通過分析論證的方式驗證已有的分類標準。既對已經講授過的計算機和軟件發展的歷程進行了回顧，又對即將講授的軟件應用領域進行了展望。通過這種教學方法成功地將這一段看似簡單枯燥的內容變成承上啟下的關鍵主題。

講解軟件應用領域和軟件未來發展趨勢時，通過大量案例分析的形式展示了軟件發展對人們思維方式的影響（如自動化工具、系統分析工具、時間管理工具），軟件發展對人們生活方式的影響（如共享單車、移動支付），軟件發展對未來創新的引領（如航空航天、國防軍事、智慧醫療、科學探索）。在主題設計過程中，把軟件文化作為多學科聯系的紐帶，以“云計算、大數據、物聯網、人工智能”等新技術前沿為基礎，鼓勵學生從信息科學、生命科學、人文科學多角度探究軟件應用反映出來的開發者、用戶群體的文化特征，使學生能夠在此基礎上理解時代的文化特征對社會變革的推動作用。

這種開創性的教學方式對教師的理論深度和廣度有更高的要求，同時要求教師對科技前 沿發展有深刻的思考。沒有深厚的理論功底和廣闊的知識儲備，在分析問題的時候就容易捉 襟見肘，陷入固化的思維模式，不僅難以和學生深入交流，更無法促進學生主觀能動性的發 揮，調動學生思考的熱情。近幾年來，結合“軟件文化概論”課程反饋，課程組先后編著了《軟件文化基礎》《Software Culture》等多部著作并在國內外著名出版社出版，為課程教學打下了扎實的理論基礎。對前沿科技發展沒有敏銳的嗅覺會使得課堂變成歷史的回顧，不能夠跟上軟件發展的腳步，會造成學生實際接觸的內容和課程內容脫節。當然，學生也無法再像以前一樣，安于課本知識的學習，問題的導向使得他們必須升華課本知識，從主題報告中汲取營養，學會分析問題、解決問題，提升自己的研究能力。

三、采用項目導向式教學法

課本上的知識都是固定的，更新的速度很難跟上發展的速度。學生有能力自學課本知識， 但是如何把課本知識與工程實踐相結合，才是關鍵所在。雖然“融合式”教學法已經可以讓 學生學會解決問題，但是不把學習場景放到項目中就無法營造真實的科研氛圍，也很難培養 學生在科研過程中的組織、交流和表現能力。作為軟件工程領域基礎課程，“軟件文化概論” 課程更需要逐步培養學生的自主探索能力和科學研究能力。因此教師應將自己的研究成果和 工程項目融入教學環節，以研究課題與學生交流，使得課程高效運轉。

課程組教師參與完成了多個國家“973”課題、“863”項目、國家自然科學基金項目、博士點基金項目。項目具有很強的理論性和專業性，對于學生在專業領域的學習具有前瞻性的 指導意義。但是復雜的工程項目會讓學生望而卻步，無從下手，甚至難以理解。這就要求教師具有豐富的工程經驗和項目背景，可以將大型工程項目根據學生的基礎和需求進行合理拆分。拆分后的項目“目標精細化，任務具體化，內容重點化”，可以和課堂教學中引入的問題相呼應。

同樣因為授課群體層次差異大，拆分后的多個項目需形成難度梯度，適應不同層次水平 的學生選擇。比如在軟件應用領域的講授時，課程組對自己研發的推薦系統平臺進行了深入 分析，將平臺拆分成了“數據分析子項目”“數據建模子項目”“推薦算法子項目”“金融分析子項目”“文化研究子項目”。其中，較為基礎的“數據分析子項目”面向剛剛入門的計算機大類學生;“數據建模子項目”和“推薦算法子項目”面向學有余力、有一定計算機編程基礎的計算機大類學生;“金融分析子項目”面向經濟類和管理類的學生;“文化研究子項目”針對人文社科類學生設計。不同層次，不同背景的學生都能從應用的角度結合軟件文化主題進行研究。不同小組之間不同學科的同學也可以通過交流碰撞出思維的火花，獲得多樣化能力的提升。

在軟件未來發展趨勢研究中，課程組分析了自己的預研項目“智能交通”的研究內容和 研究重點，引導學生采集分析交通數據。參與課程的同學實地到學校附近的交通路口采集車 流量數據，記錄紅綠燈時間，通過提前自學圖論的知識，規劃交通信號燈。

除此之外，對于學生根據個人興趣選擇的項目，教師和助教都會進行幫助和指導。部分 本科生選擇通過自主研發一個游戲來體會軟件文化的內涵，感受研發團隊的文化對軟件發展 帶來的影響，以及對用戶群體的影響。有的團隊通過游戲開發實現了自己對于英雄的夢想以 及對愛情的思考;有的團隊通過游戲開發對未來人工智能進行暢想并闡述了自己的價值觀; 有的團隊通過開發了第一人稱射擊游戲，實現了從游戲玩家到游戲開發者的轉變。

四、未來展望

“軟件文化概論”課程已經開設了6年，課題組嘗試了從不同的視角闡述這門課的教學思路，取得了一些成績，很多學生也通過這門課程的學習具備了科學研究能力。立足于國內的教學實踐，課程組已建立了軟件文化課程教學體系。依托該教學體系，課程組已將軟件文化基礎知識、發展歷程、重要研究成果的里程碑融會貫通，以教材和著作形式先后由高等教育出版社出版《軟件文化基礎》;Springer出版社出版英文版Fundamentals of Software Culture，是國際上首部軟件文化英文著作，全球發行，產生了廣泛的影響。

目前，“軟件文化概論”課程已經作為軟件工程和計算機科學與技術學科的文化核心課程之一，同時也作為電子商務專業文化基礎課程之一，在清華大學教學中使用并在全國高等院校中推廣。該課程將在世界新興起的“工程文化教育”領域和教育部建設的“金課”領域產生重要的影響，從未來發展上看，該門課程也具有現實意義和深遠的歷史意義。

[責任編輯：周 楊]