實戰化導向的《大學計算機基礎》教學內容優化

李祁，楊玫，王麗娜

（海軍航空大學航空基礎學院，煙臺246001）

0 引言

為適應信息化戰爭需求，打贏未來戰爭，軍隊院校培養具備一定信息素養和計算思維能力的現代化軍事人才刻不容緩。計算機不僅是信息的載體，更是軍人安身立命需要掌握的重要技能，而軍校計算機課程教學應立足于信息化發展趨勢和軍隊人才培養需求，以信息的獲取、處理、應用和評價作為重點，實現教學與實戰的有效結合，最終實現學員終身學習和計算思維能力的構建。

軍校非計算機專業開設的《大學計算機基礎》是本科通識教育公共工具模塊的必修課，也是新生學員入學后第一門計算機基礎課程，對新入伍學員不僅有著重要的導向性作用，更是培養實戰化素養與能力的重要基礎。本文從課程教學特點出發，精析大綱及教材，結合軍校學員特點，以實戰化為導向，多維度重構優化教學內容，做足“教學內容三結合”，即教學內容的前瞻性和實戰化需求相結合、教學內容的理論性和教學設計的趣味性相結合、教學內容的普適性和教學方法的科學性相結合。

1 課程新大綱的分析與解讀

2017 年中央軍委訓練管理部為提高人才培養質量，統一軍隊院校教育訓練基本標準，制定軍隊院校教學大綱，對科學文化課程做了明確的目標要求。其中對《大學計算機基礎》課程的定位是使學生體驗和初步實踐計算的魅力，為學員打開一扇門，看到另一種解決問題的方法，使其具備一定的運用計算求解問題的能力兼顧計算機基礎知識和思維素養的培養。新大綱制定總體思路：

（1）思維訓練為主，技能訓練為輔

（2）突出軍事應用特色

（3）兼顧理工文學科需求

（4）平衡大綱指導作用與各院校專業需求差異

課程大綱設計以樹立“厚基礎、重算法、強能力”為教學理念，強化創造性思維過程的培養，采用靈活多樣的教學手段，并改革考試方式，突出能力考核。

而針對本課程理念是以計算思維為牽引、突出軍事應用特色、面向不同專業要求分類指導，其目標：

（1）認知與理解計算系統和計算方法

（2）正確獲取、評價和使用信息的素養

（3）培養軍事信息系統應用能力

（4）基于信息技術手段的交流與持續學習能力

新教學大綱更加關注如何發揮計算能力從而解決問題，不過多強調太專業的計算機科學知識，選擇Python 作為實踐語言，將原有模塊知識點既作為教學內容又作為研究對象，通過這種問題求解的學習和實踐，培養學員在理解計算機基礎知識同時，能主動在各自專業學習中利用計算思維的方法和技能進行問題求解[1]。

2 重構優化教學基本框架

以素養與能力導向的課程教學為核心，以計算機基礎知識為載體，將教學內容、教學模式、支撐手段以及學習評價四個要素相結合，即是重構優化教學的基本結構框架。

圖1 教學內容重構與其他教學要素關系

教學內容重構以主題式、任務驅動式為牽引，推動教學過程，激發學員探索欲望，使學員增強自我效能感；教學模式重構主要結合不同教學內容分時適度地采取混合式教學、SPOC、BOPPPS 模型等教學模式，模式的自由度降低了學員之間的差異，更利于教員因材施教；支撐手段重構，采用共建共享思路，利用同體系專業課程共享的實戰素材，構建豐富的教學資源庫，使“戰爭”進課堂，提升學員榮譽感和使命感；學習評價重構采用的基本原則是統籌兼顧，突出重點，以此促進學員對學習的過程的積極反思和總結，推進學員自我評價良性發展。

3 教學內容的重構與優化

軍校《大學計算機基礎》圍繞“計算”，貫穿“思維”。將自然、社會、軍事問題等通過計算求解，而這里的計算是指計算科學的統稱，涉及具體問題如何計算？計算和這些問題如何融合？從人到計算機的求解經過一個復雜的過程，人-計算是數學問題，而計算如何自動化，將復雜問題用計算機簡單化，就是計算機科學的問題。

圖2《大學計算機基礎》課程教學內容結構

根據教直委《大學計算機基礎課程基本要求》對教學內容提出的典型方案：基本型、問題求解型、系統性[2]，其中基本型建議采用寬度優先的教學設計原則，這部分涉及的知識內容多，可在原有內容基礎上刪減組織，并在案例和方法上有所突破；問題求解型基于深度優先教學設計原則，突出培養基于算法和程序設計的問題求解基本方法和能力，針對不同的學時需求又可分成：“問題簡約型”和“問題求解擴展型”；系統型則基于寬度和深度兼顧的教學設計原則，從計算思維培養角度組織和表述教學內容，在計算系統理解和問題求解方法上同時體現廣度和深度的要求，一般課時學時要求較多。

以此方案為基礎，結合軍校特點，這里將重構的教學內容分為兩大模塊：計算機基礎知識與應用（基本型）和Python 程序設計（問題求解型）。前者是問題求解的基礎，主要以信息的表示與處理為核心，圍繞信息的表示（包含數值、字符、聲音、圖像）、信息處理的工具——計算機系統以及應用（計算機網絡、數據庫技術）展開。

圖3 計算機基礎知識與應用模塊

Python 語言因為其免費、易學、功能強大，在網絡編程、圖形用戶界面編程、科學計算、機器學習、人工智能等領域都有著廣泛應用，選擇其作為本門課程的實踐語言是為了將它作為求解問題的工具，但一門程序設計語言并未作為一門單獨課程開設，而是在僅有48學時的大基課程中，且僅占6～10 學時學習，無論是從學習一門編程語言角度，還是輔助教學的工具角度，讓學員熟練掌握并應用是遠遠不夠的，何況對于大一年級剛入校的新生學員，很多都未曾接觸過編程語言，因此，教學內容的提煉和教學方法的選取顯得尤為重要，Python 程序設計這個模塊要保證課堂設計有針對性，課下練習有典型性。對教員提出了更高的要求。

將Python 程序設計模塊按照語言學習的特點分成五個主題：

簡要介紹Python 語言基礎知識，包括基本元素、常用數據結構、基本控制語句。通過艦載機維修記錄統計的軍事案例理解“自頂向下，逐步求精”的結構化程序設計方法。

（2）Python 程序設計方法

在面向過程程序設計基礎上，利用函數實現程序模塊化、語句層次上封裝，進而引出面向對象程序設計方法，通過手雷投擲參數案例加深對面向對象編程思想的理解。

（3）基于計算機的問題求解

圍繞計算思維的核心概念即邏輯思維與算法思維展開研究，將常用的一些算法思想如分治、歸納、抽象、建模等通過典型的軍事案例講解展示。

（4）科學計算

利用Python 科學計算模塊Numpy、Scipy、Pandas、Matplotlib 等求解飛行訓練數據匯總統計、導彈飛行軌跡問題等軍事案例，體驗第三方庫科學計算模塊的強大。

圖4 Python程序設計模塊及軍事案例

（5）其他應用

四旋翼飛行系統作為一種欠輸入系統，其在四個輸入力的作用下可以產生垂直運動、俯仰運動、滾轉運動、偏航運動、前后運動、側向運動這六種輸出狀態[16]。其飛行動作皆可通過控制電機轉速來實現，本文著重介紹垂直運動、俯仰運動、偏航運動。

以計算機應用為主，使用Python 完成對具體軍事案例問題的程序編寫與實現，如艦載機參數加密問題、利用網絡爬蟲進行軍事輿情分析、網絡攻防等。

4 教學內容重構與優化案例

以下是按照深度學習路線（DELC）教學理論框架[3]展示已優化的面向對象編程基礎部分（含軍事案例）。

（1）設計標準與目標

面向對象編程是Python 的一個核心特性，在Python 中，幾乎所有的事物都是對象，通過學習Python 面向對象編程，理解對象的本質，從而更好地使用Python對象。

教學標準：根據“手雷投擲技術參數分析”問題，共設3 級標準。能分析出模型為0 級；根據模型能實現Python 的函數功能為1 級；能定義出相應的類和對象為2 級；實現程序的完整功能，并調試成功則為3 級。

教學目標：

①能正確地定義類

②能夠靈活運用對象的屬性和方法解決問題

③能正確寫出對象的繼承

教學手段：原理描述與Python 實踐相結合

（2）預測評估

課前雨課堂布置預習作業，通過查看完成情況，了解學員預習情況和先驗知識結構，指導課堂教學內容的刪減。

（3）營造環境

以“虛實結合、人文互動”為原則營造課堂情境，使學生融入其中實時參與，用手雷投擲作為軍事案例將學員引入情境。

圖5 問題情境引入

（4）預備并激活先期知識與獲取新知識

預備工作并激活先期知識的目的是要激活大腦中現有的神經網絡結構以用于更強的聯結，因此獲取新知之前幫助學生用10%的時間搜集背景知識，激活先期經驗知識，然后再一步步探求原委[4]。主要采取的教學方法是互動式教學，發送題目互動題目，交流研討式。

圖6 雨課堂交互式提問

再用80%的時間教授新知；最后10%的時間則用

于聯系新舊知識點會起到更好的效果。

（5）深度加工

深度加工目標是多維知識整合，而以問題為線索的知識建構能有效地加深對問題的理解，通常問題來自于所學內容中的難點重點，即把學習設置到真實復雜的問題情境中[5]。學生能否進行“深度加工”，教師的引導至關重要。

在這個軍事案例中，學員已經通過分析構建手雷飛行軌跡相關問題的模型，達到0 級標準，完成了Python 的函數功能，達到1 級標準，接下請學員自行創建類及該類的數據成員和成員方法，需要強調以下幾點：類名的定義、構造函數的寫法、self 是類的對象。比較并區分類的對象和對象。

（6）學習評價

深度學習評價是以設計的標準和目標為依據，運用調查、測驗、統計分析等方法，來對深度學習過程及結果做出價值判斷，并對深度學習目標進行反思和修訂的活動[6]。學員已經通過手雷投擲參數分析案例由淺層到深度學習的過程，經歷了邏輯的解釋、慎重的討論、批判的思考，體驗式的實踐，基本能夠利用面向對象的方法解決一個具體問題。最后通過用面向對象的方法改寫之前的程序案例的作業，完成該理論知識的完整評價。

5 結語

面向實戰化教學內容的重構與優化始終貫徹了“用”計算機求解問題的思路，體現并強化了“計算”的作用，即三個“用”：入門，“用”計算機來計算數學中的數值計算問題；深化，從系統角度“用”計算機求解計算科學問題；專業，“用”計算機解決軍事領域相關專業的問題。為海軍信息化人才培養夯實信息素養與應用能力基礎。