大數據時代計算機基礎教學改革實踐與思考

吳寧 薄鈞戈 崔舒寧 齊琪 謝濤

摘 要：計算機基礎教學承擔著所有非計算機專業本科生的計算機能力培養，其教學效果不僅直接影響到學生的計算機能力，在一定程度上也影響到本科教學質量。在大數據、人工智能等各種新技術不斷涌現的時代，計算機基礎教學如何適應技術的發展，成為值得深入研究和思考的問題。本文以“大學計算機”課程為切入點，從教學內容、教學模式、管理手段等方面提出了打造出具有高階性、創新性、挑戰度的計算機基礎“金課”的若干途徑。

關鍵詞：計算機基礎教學;大數據;金課;兩性一度;教學體系;教學模式;主動學習

2018年6月，教育部部長陳寶生在“新時代全國高等學校本科教育工作會議”上第一次提出，要淘汰“水課”、打造“金課”，合理提升學業挑戰度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質量[1]。高教司吳巖司長則在第十一屆“中國大學教學論壇”上具體闡述了應該打造什么樣的“金課”以及如何打造“金課”，并提出了“兩性一度”的“金課”標準。

計算機基礎教學承擔著所有非計算機專業本科生的計算機能力培養。在人工智能、大數據等新技術、新產業迅猛發展的當下，計算機基礎教學在教學內容、教學模式以及管理手段等方面如何適應技術的發展，打造出具有高階性、創新性和挑戰度的計算機基礎“金課”，實現計算思維能力培養目標，是非常值得深入思考和探索的問題。

所謂“金課”，當然是指高質量的課程。對計算機基礎教學而言，我們的思考是：

（1）具有既經典又能反映學科前沿技術，且具有一定挑戰度的課程教學體系;

（2）具有強烈吸引力，使學生樂于主動學習的線上線下課堂學習環境;

（3）基于有效互動交流和大量設計實踐環節的探索能力培養模式;

（4）個性化的學習過程跟蹤管理。

一、讓課程既具經典性又有挑戰度

教學與科研在人才培養中有不同的視角，扮演著不同的角色。科學研究要追前沿，要不斷探索和發現新理論、發明新技術;但教學卻要以基本理論和原理的講授為主。近年來，隨著大數據、人工智能等技術的發展，各學科特別是各新興交叉學科研究對計算機能力的要求越來越高。在高校學分壓縮的大背景下，作為大多數高校非計算機專業學生必修的“大學計算機”課程就扮演著越來越重要的角色[2]。如何使課程教學內容既具備一定的基礎性、經典性，又能與新技術有機融合，達到一定的高階性和挑戰度，成為課程教學研究的熱點，也是難點。

2011年，基于問卷調查、座談交流和實際教學體會，我們在原有基礎上提出了以面向計算思維的問題求解能力為主要培養目標的課程體系改革[3]，并在隨后的8年教學實踐中，根據不同專業大類學習需求，不斷修訂和完善“大學計算機”課程教學體系。特別是針對我校特點，深入研究了理工類專業計算機能力培養需求，設計了以“計算、構造、設計”為主題的“大學計算機”課程教學體系，圍繞計算機基礎知識、軟硬件系統構造、算法設計等三大知識主題，培養學生面向計算思維的問題求解能力。其中，基于C語言的算法設計主題占2/3總學時。

8年來的教學效果表明，課程教學使學生總體計算機能力有較大提升。以非計算機專業學生為主要成員的參賽隊伍2016年和2017年在“中國高校計算機大賽-團體程序設計天梯賽”、2017 ACM/ICPC陜西省暨全國邀請賽中斬獲多枚金牌和陜西省冠軍獎項。

現有課程教學內容雖然通過加入大量程序和算法設計，使學生通過實際編程加深了對計算機原理的理解，并為進一步的專業研究奠定了良好的計算機技術基礎，但總體上，這樣的課程教學還是更多地拘泥于“能力”，特別是單機處理能力上。對新技術跟蹤不足，容易造成“只見樹木，不見森林”的情況。

如果說2004年開始大面積講授的“大學計算機”是在“計算機文化基礎”之上的第一輪改革，那么2011年起開啟的則是課程的第二輪改革。隨著網絡技術、移動通信、可穿戴智能設備等的發展，一個大規模生產、分享和應用數據的時代正在開啟[4]。培養能夠適應新技術發展的跨專業復合型人才的需求，開始倒逼計算機基礎課程教學的第三輪改革。

2018年開始，通過對包括大數據、云計算、人工智能等新技術主要知識點的梳理，結合課程實際教學體會和MOOC在線學習行為分析研究，我們提出了以“構造思維能力、邏輯分析能力、問題求解能力和對新技術的認知能力”為主要培養目標的面向新工科的“大學計算機”課程教學體系，主要包含4個知識主題（如表1所示），其總體設計思路是：

以數據為主線，通過數據的表示、存儲、處理、分析等環節，將計算機的基本理論和現代技術有機融合在一起。

通過自底向上的系統構造過程描述，加強構造思維能力培養;注重軟硬件協同原理講述，使學生加深對系統原理的理解，而不是背書。

進一步加強問題求解能力，特別是對現實問題的抽象分析能力培養，為未來編寫高質量程序奠定基礎。

加強對新技術理論的了解并通過初步實戰去認知。不再僅進行概述性講授，而是通過一定的設計實驗，幫助學生認知大數據和人工智能的基本算法。并借助一定的應用案例，為學生展示新技術的應用場景。

弱化通過簡單的網絡檢索就可以直接獲取到的常識性知識和基本操作。現代“00后”本科生已是“互聯網原住民”，入校前已對計算機有基本的認知和應用體驗。相比10年前，大多已初步具有網絡信息檢索的意識和能力。對個別基礎確實較弱的學生，可以借助大規模在線開放課程（MOOC）資源補充學習。

二、讓課堂更有吸引力

一個人被動地去做任何事都談不上愉快，不愉快則難有成就。任何成功的研究都包含著一個重要的因素就是興趣，有了興趣就會主動去做。將學生的身體引入教室可以通過簡單的行政手段，但要將學生的大腦引入課堂并使其對知識的學習產生興趣，從而培養學生主動學習、勇于探索的精神，卻是課堂教學的難點。基于MOOC建設，我們自2014年開始探索線上線下融合的混合教學模式。歷經5年教學實踐，我們總結出混合教學模式下促進學生主動學習的4個主要方法。

（1）有效利用MOOC。將MOOC資源引入校內，開設面向校內學生的SPOC，融合線上資源開展翻轉教學。通過發布教學任務單的方式，安排學生利用MOOC視頻學習、復習或預習。同時，每周安排在線自測練習，以鞏固對所學基本知識的理解。

（2）有效利用大班課堂，開展互動交流。多項研究已表明，交流互動可以促進學生對內容的理解，提升課堂學習的關注度。但“互動”必須有效。若只是簡單的一問一答，或有問無答，就變成了一種形式而不會有好的效果。陸國棟教授特別提出了互動的5個層面[5]。針對大班教學的特點，我們也探索了一些除隨機提問之外的課堂互動交流形式：

在50分鐘的授課過程中，設置若干次短暫的分組交流（如2～3分鐘）。交流小組按相鄰座位隨機生成，交流結束后隨機提問回答。此種形式緩解了學生難以連續50分鐘高度集中聽講的問題，同時也給予學生一定的消化吸收和相互交流、認知的機會。

根據不同課程特點，適當設置隨堂練習。練習中周邊學生可以交流討論（自動形成小組），練習內容可以是關鍵代碼編寫、思路描述、問題簡答、電路設計等。練習結束后，可以隨機提問學生講述答案及形成的理由。之后教師隨堂點評。

教師抽取部分常見典型錯誤隨堂展示（但并不說明存在錯誤），學生相互短暫交流后，自主分析是否存在問題及出錯原因。此種方式有助于培養學生的質疑精神。

實踐證明，學生對大班課堂的互動交流非常認可。

（3）有效利用翻轉課堂，促進主動學習。大班課堂上的交流互動無論多少種形式，都只能是短暫的，只適合于部分較簡單問題的交流。對一些需要做一定研究的主題，則難以在大班課堂上實現。在助教輔助下，我們在教學環節中設置了若干次以小班為單位的分組討論環節，文獻[6]已對此做了詳細描述。這種在小組協助研究基礎上的交流、辯論，有效促進了學生獨立探索、團隊協作和主動學習的精神和能力。

（4）有效利用信息技術。將信息技術融入教學，主要體現在基于信息技術的智慧教學和學習過程管理。計算機課程是實踐性很強的課程，只有通過大量設計實踐，才有可能真正理解所學知識，也才能提高實戰能力。將各種智慧教學工具用于課堂，可以方便地進行隨堂練習和結果統計;利用自主研發的“計算機基礎課程學習平臺”，可以為學生提供不受限在線編程練習及智能指導;基于在線學習行為分析，按周給出五個等級的個性化學習成績預警，可幫助學生及早了解其學習狀況和最終可能的學習效果，從而起到一定的警示作用。

數年來，我們在實踐中不斷探索、改進線上線下相融合的混合教學模式，教學效果不斷提升。表2為2018年度采用統一難度試卷、統一線下考試成績，以相同專業背景和相同基礎學生為樣本的成績對比。其中，參與混合教學的學生未經任何選拔，為完全自然班。數據說明，相比傳統課堂，參與混合教學的學生成績平均提高了19.04%，特別是對能夠在一定程度上反映學生能力的主觀設計型題目，成績更是提高了逾1倍。由此說明，混合教學對學生知識理解和能力提升等方面都具有顯著效果。

三、結束語

現代信息技術的發展，使計算機在各學科研究中的重要性愈加凸顯的同時，也為計算機基礎教學帶來了巨大的挑戰。已有眾多學者針對“大學計算機”課程教學內容改革進行了深入研究[7-8]。作為高校第一門計算機基礎課程，“大學計算機”的重要性毋庸置疑。但同樣確定的是，計算思維能力培養絕非一門課程學習所能實現，而是需要一個相對完整的課程系列。鑒于目前高校計算機基礎課程學時有限和能力需求之間存在一定差距的普遍現狀，我們建設并在“中國大學MOOC”平臺發布了四層次計算機基礎系列在線開放課程群（如圖1所示），力圖通過融合線上資源，為學生提供體系化的計算機基礎課程學習。

一流課程建設離不開完善的課程體系設計和有吸引力的課堂教學模式，同樣也離不開有效的學習過程管理。模擬教師在側、實時指導的個性化精準學習服務，是現代高等教育教學管理應有的思路。

在系列MOOC群建設基礎上，結合新形態系列教材建設和面向校園的應用方案設計[9]、多環節交叉融合的教學模式、有效的學習過程跟蹤管理，是打造出線上線下融合的體系化計算機基礎系列金課的必要手段，也是真正實現計算思維能力培養的有效途徑。

參考文獻：

[1] 教育部關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知[Z]. 2018.

[2] 郝興偉，徐延寶，王憲華. 我國高校計算機教學情況調研與分析[J]. 中國大學教學，2014（6）：81-86.

[3] 吳寧，崔舒寧. 以計算思維能力培養為核心的大學計算機基礎課程教學內容改革研究[J]. 計算機教育，2012（7）.

[4] Victor Mayer-Sch?nberger，Kenneth Cukier. 大數據時代[M]. 盛楊燕，周濤，譯. 杭州：浙江人民出版社，2012.

[5] 陸國棟. 治理“水課”，打造“金課”[J]. 中國大學教學，2018（9）：23-25.

[6] 吳寧，房琛琛，任燕飛. 大班教學環境下基于SPOC 的混合教學設計與效果分析[J]. 中國大學教學，2016（5）： 38-43.

[7] 陳國良，董榮勝. 計算思維與大學計算機基礎教育[J]. 中國大學教學，2011（1）： 7-12.

[8] 吳寧. 對“大學計算機基礎”教學中部分問題的探討[J]. 中國大學教學，2007（8）：43-45.

[9] 吳寧，閆相國，崔舒寧. 計算機基礎在線開放課程群及新形態教材建設[J]. 計算機教育，2019（1）.

[責任編輯：余大品]