工程教育背景下基于對分理念的本科生計算思維能力的培養

畢春光 谷雪 劉泓伶 蘭杰雨

摘要：為了促使我校的本科工程教育達到我國的《工程教育認證標準》，以計算機類學生本科教育為例，以對分課堂為形式設計課上教學、自主學習、課堂討論等教學環節，提高對學生計算思維能力的培養。制訂三個課堂的人才培養環節，使創新創業工程、技能產出能力培養貫穿專業教育全過程，提升工程教育下計算機類專業的教育質量。

關鍵詞：工程教育;對分課堂;計算機專業;思維能力;畢業要求

中圖分類號：G424

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）27-0109-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

2015年，為了適應“新工科”高等教育的發展，解決各高校多年來對于工科課程理論知識、動手實踐能力與技術產出相適應的教學問題，我國成立了中國工程教育認證協會，接受各高校工程類專業進行認證[1]。2016年，在吉隆坡召開的國際工程聯盟大會上，中國高等教育具有里程碑意義的歷史性突破是我國正式加入了《華盛頓協議》。《華盛頓協議》是世界上頗具影響力的工程教育學位互認協議，若高校畢業生畢業于通過認證協會認證的工程專業，學生的學位也能夠得到《華盛頓協議》其他認證協會成員的認可，此舉大大加深了我國工程教育在國際上的影響力[2，3]。與此同時，這也對我國工程教育體系帶來了新的挑戰和發展契機，以計算機大類的本科教育為例，對計算機類本科生按照國際標準培養、鍛煉本科生的計算思維能力，以提高工程技術人才培養質量為目的，改善傳統理論教學忽視技術產出是目前亟待解決的問題。因此，為了使理工科課程教育注重課堂學習、自我了解和課程實踐相結合，解決多年來高校課堂教學問題與困境，近年來國內各高校紛紛推出了對分課堂教學模式[4，5]。對分課堂是中國提出的原創教學模式，以對分課堂為教學改革的方式，注重本科生思維能力的培養，以課堂教育與動手實踐相結合為具體舉措，不斷發現并改進理論教學與實踐環節相互結合中發現的問題，提出更好的教學方法以適應工程教育認證的要求。

1 本科工程教育的基本定位

在《華盛頓協議》中，明確將本科工程教育定位于培養學生的“解決復雜工程問題”的能力。解決復雜工程問題的教育從以往教師在課堂上進行演示逐步轉化培養學生的思維能力，以自我實踐來解決復雜工程問題從而發現新的問題。南京師范大學的陳波指出，工程教育的基本定位要以學習者為中心，轉化為制定課程規范的高校教師來說，要突出“以學生發展為中心、以學生學習為中心、以學生學習需求為中心和以學生學習效果為中心”來引導學生解決復雜的工程問題。但長久以來，在以“解決復雜工程問題”來要求學生時，可以看到一些適合專業領域難度的學生能夠取得一些優秀的成績，但隨著問題的深入、解決問題的時間越長，能夠解決“問題”的“學有余力”的學生總體上是越來越少。因此，對于本科工程教育的基本定位不能為少數學生而設計，在我國工程教育認證中，對于專業領域內頂尖學生的成績往往不予支持，但不意味著對于這部分學生的教育工作不重要，而強調工程教育認證定位需要具有普適性。對如何按照工程教育的基本定位來完善本科教育教學改革，浙江師范大學鄭忠龍也提出了實踐中的問題，如工程實踐和畢業設計等實踐環節內容和量不足以支持相關畢業要求達成、課外創新或實踐活動所支撐的能力如何保證全體學生達成，缺乏有力證據，這都給明確本科教育的基本定位帶來新的困難。針對此，中國工程教育認證協會針對畢業生培養頒布了《工程教育認證的標準》，以專業目標、課程體系、師資隊伍、支持條件、學生發展、管理制度、質量評價等方面細化本科工程教育的基本定位，這些方面需要我們在本科生專業培養方案中明確制定、在教學與實踐中不斷探索、在學生的專業考察過程中不斷完善，從而達到工程教育認證標準的要求[6]。

2 對分課堂的特點

對分課堂作為我國以適應專業發展要求而新提出的教學模式，自始至終注重教師講授和學生的討論與實踐相結合。傳統意義上對分課堂由復旦大學的張學新教授提出，指將課堂教學時間分為兩個部分，一部分時間留給任課教師講解專業課程理論知識，其余時間留給學生自主討論當堂課的知識，也可以有教師拋出一個開放性的問題，誘導學生利用自己掌握的知識和通過學生間的思想碰撞、頭腦風暴、同學間各自對于當前知識的了解對問題加以解決，讓學生迅速吸收當堂課的專業知識[7，8]。在此過程中，對以往填鴨式的教學環節做出了改善，但也提出了新的挑戰。任課教師不能照本宣科的介紹一堂課的內容，而要注重學生的課前預習，在課堂上的學生對當堂課的知識應該有一個初步了解，快速入門后主要突出一堂課的知識點和難點。其次，教師需要思考留給學生討論內容的選題，這部分內容既要結合課程，又要思維開放，做到廣度和深度的相結合，對于動手能力強的試驗，還要考慮到學生在實驗室中解決此問題的上手程度。近年來高校通過以對分課堂為主要形式的教學改革，總結出其開放、多元、理論與實踐充分結合的特點。

3 對分課堂對工程教育的適用性

工程認證教育突出強調學生解決復雜問題的能力，以計算機類專業教育為例，解決復雜問題能力的先行課是培養計算機專業學生的計算思維能力。工程教育要求下計算思維能力的培養通過傳統的灌輸式教育已顯得捉襟見肘，一堂1-2個學時的計算機專業基礎課或核心專業課不能很好地培養以計算思維能力為核心的數學思維能力、難點細化能力、邏輯思維能力、動手實踐能力以及團隊協作能力的綜合能力的培養。但對分課堂的出現很容易將學生能力培養從傳統的教學模式中切分出來，其特點與培養計算機專業學生的計算能力培養有較好地契合，也更好地適應工程教育的要求。以計算機思維能力培養重新設計對分課堂的教學安排，可分為三個過程：課堂講授、自主學習、課堂討論（如表1）。假設一門計算機專業核心課一周有2課時，每課時45分鐘。在第一個課時的課堂講授中，教師在前半節課講解本章的專業知識，留出本節課的時間給學生提出一個開放性的問題，以小組為單位，每小組4-5人，討論該節課的知識點以及解決問題的想法。在自主學習中，任課教師和學生應該把握好兩個課時間的間隙，教師可以給出當前知識點的相關資料、難點問題、交叉知識點，留給學生自行復習第一個課時的內容，查閱當前知識點的相關資料并對下一個課時的內容進行預習，同樣以小組為單位，學生可以互相交流各自查找到的資料，對解決問題提出自己的看法。在第2個課時中，主要以課堂討論和動手實踐為主，通過交流的方式全班學生可以對問題的解決進行思維碰撞，在解決問題的過程中強化了對各個知識點的理解。在動手實踐環節，每個學生可以上機嘗試自己的方法對解決問題的可行性，也可以分小組合作完成一個實際問題，注重學生在團隊協作中扮演的角色和各自適應解決的問題，因材施教。每周兩個課時的循環往復，教師的角色從以往的教育者變為引導者，學生成為課程學習、解決問題的主角，這體現了工程教育認證中“以學生為中心”的原則，也培養了學生技能產出的能力。

4 工程教育背景下計算機類專業人才培養模式

工程教育背景下計算機類專業人才培養模式可以分為三個課堂，由課上、課下、社會分別作為三個課堂的培養載體。對分課堂在工程教育的適應性改進后，學生的計算思維能力得到提高，也完成了學生教育中第一課堂的內容。除此之外，以對分課堂為基礎，在學生專業教育的第一課堂還可以安排課程設計、綜合實踐、學科競賽等多個環節。第一課堂主要目的是使專業學習強基固本，在第一課堂的基礎上，鼓勵計算思維能力較強的學生參加國家、省市、學校的大學生創業創新項目，也可也選擇自己感興趣的科研領域參加任課教師的科研項目或學習型的專業社團（如ACM協會、電子愛好者協會等），同時也鼓勵學生參加專業領域的學科競賽，使學生在第一課堂學到的專業知識應用到工程項目的實踐中，對專業知識有現實的應用體會。在第三課堂中，鼓勵高校高年級學生或即將畢業年級學生通過暑期社會實踐等環節，參加企業實習或開展創新創業項目，使創新創業工程貫穿專業教育全過程，使工程教育逐層推進，努力提高工程教育人才培養質量，培養計算機類一流人才。

5 總結

以工程教育為導向的對分課堂相較于傳統教學模式，更能突出學生在學習過程中的主導地位，激發其在學習過程中的自主性和更高的參與度，也能培養其計算能力思維。教師在專業教育中也能更好地發揮其作用并在教學環節中發現問題，不斷探索并優化，使學生可以更好地提升計算思維能力和解決復雜工程問題的能力，以適應工程教育的要求。

參考文獻：

[1]賈穎，方向，劉欣榮.新工科+工程教育認證背景下的大學計算機教學案例設計[J]，計算機教育，2020（2）：76-79.

[2]孫涵，高航，黃元元，等.工程教育專業認證背景下的計算機類課程教學目標與評價重構探索[J].計算機教育，2020（2）：105-108.

[3]馬常霞.工程教育專業認證背景下計算機專業英語課堂教學改革[J].大學教育，2020，9（3）：111-114.

[4]張青鳳，對分課堂在計算機基礎教學中的應用研究[J].計算機時代，2020（4）：92-93.

[5]崔秀華，對分課堂教學模式在傳感器課程中的應用研究[J]，教育教學論壇，2020（16）：256-257.

[6]呂迪，閆青霞.工程教育認證背景下計算機專業畢業設計的思考和探索[J].電腦知識與技術，2020，16（5）：129-130，132.

[7]胡曉霞，白燕燕，徐曉霞，等.基于“對分課堂”的電路分析課程教學改革探索[J].計算機產品與流通.2020（4）：271.

[8]覃榮存，趙恒明.對分課堂在《微積分》課程教學中的探索[J].廣西教育學院學報，2020（2）：135-137.

【通聯編輯：唐一東】