新工科背景下的計算機基礎教育改革研究

李娟 周華濤 陳園

關鍵詞：新工科;計算機基礎教育;計算思維;教學改革;武昌工學院

1概述

培養“新工科”人才，是現階段民辦院校工程教育的重要任務。計算思維是指運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類行為，它包括一系列廣泛的計算科學的思維方法。“新工科”促進了各學科之間的相互交叉、融合、滲透，計算思維成為所有大學生應該具備的素質和能力。

武昌工學院是經國家教育部批準設立的全日制普通本科高等學校，學校面向區域經濟發展設置專業，形成了以工學為主，多學科門類協調發展的學科布局。2019年最新人才培養方案，以培養“新工科”人才為目標，設置了12個工科專業，共計16個培養方向。計算機基礎教育面向全校學生開展，以培養計算思維能力為核心，內容包括學生計算機基礎知識和基本操作技能;計算機求解問題的基本方法、基本原理和在本專業領域的典型應用;計算機控制基本原理及初步設計。

2教學現狀

目前，學校工科計算機基礎教育主要通過以下幾類課程實現。

“計算機技術與應用”面向我校所有非計算機類工科專業開設，包括電子信息類專業、機械制造類專業和土木工程類專業等。課程講授計算機基本知識（包括計算機軟硬件結構、計算機網絡、數據庫系統、多媒體技術等）、基本操作技能（包括操作系統、辦公軟件、網絡應用等），使學生能夠合理、準確地理解和掌握計算機中的基本概念、基本原理、基本方法和基本技能，形成初步的計算思維。

程序設計及編程語言類課程，主要包括“C語言程序設計”“面向對象程序設計”和“Pvthon程序設計”，主要培養學生掌握程序設計的基本方法并逐步形成正確的程序設計思維，培養學生掌握軟、硬件設計的能力。通過學習該門課程，使學生掌握程序設計相關理論和程序設計典型方法，掌握程序調試的基本方法，為學生進一步學習后繼專業課程以及今后從事軟、硬件開發工作打下堅實的基礎，使學生初步具備從事本專業職業崗位所必需的程序設計基本知識、基本理論和基本技能，并具備程序設計和簡單開發的能力。

計算機硬件類課程，主要包括“微機原理與接口技術”和“單片機原理”，通過對微機（單片機）結構、原理和功能的介紹，使學生獲得微機（單片機）應用系統設計的基本理論、基本知識與基本技能，掌握微機（單片機）應用系統各主要環節的設計、調試方法，并了解微機（單片機）在測量、控制等電子領域中的應用，使學生能將接口的硬件電路設計和程序的編制有機結合，初步具備應用微機（單片機）技術進行系統設計和產品開發的能力。

3改革方案

3.1以證代考，以考促學

計算機技術與軟件專業技術資格（水平）考試中，“信息處理技術員”資格考試[8-9]要求如下：了解信息技術的基本概念，熟悉計算機的組成、各主要部件的功能和性能指標，了解計算機網絡與多媒體基礎知識;熟悉信息處理常用設備，熟悉計算機系統安裝和維護的基本知識;熟悉計算機信息處理的基礎知識，熟練掌握操作系統和文件管理的基本概念和基本操作;熟練掌握文字處理的基本知識和基本操作;熟練掌握電子表格的基本知識和基本操作;熟練掌握演示文稿的基本知識和基本操作;熟練掌握數據庫應用的基本概念和基本操作;熟練掌握Inlernet及其常用軟件的基本操作;了解計算機與信息安全基本知識，了解有關的法律、法規要點，正確閱讀和理解計算機使用中常見的簡單英文。

“計算機技術與應用”課程教學內容和教學目標與“信息處理技術員”資格認定一致，為進一步明確學生學習目的，增加民辦院校學生競爭力，2020學年起，對“計算機技術與應用”課程進行教學與考試改革，對標“信息處理技術員”資格進一步豐富、優化教學內容;在考核方式上，引入并鼓勵學生“以證代考”，自愿采用此方式的學生，無須參加課程期末考試，直接報名“信息處理技術員”資格考試，考試成績計入課程成績。

3.2新工科計算思維能力培養

計算機通識教育主要是培養學生的信息素質，而信息素質中的最重要、最核心的內容就是“計算思維”能力，這個教學目標必須要通過計算機的程序設計課程來實現。以計算思維為切入點，推進“程序設計及編程語言類”教學改革，培養學生利用計算機解決本專業領域問題的能力，使其更加全面地發展，更好地適應時代的要求。

目前我校開設的“程序設計及編程語言類”課程包括C語言、C++、JAVA、Pvrhon。改革方案中，“程序設計及編程語言類”課程為工科專業學生限選課，要求學生從4門不同語言的課程中至少選修1門。為了能夠通過上述四種語言平臺更明晰地傳達程序設計過程中的計算思維，排除具體語言中語法細節對課程教學效果的干擾，該類課程可以將教學內容整合凝練為兩大板塊：計算思維的建立和計算思維在程序設計中的體現。

計算思維的建立，此板塊是本課程的核心內容，主要介紹程序設計基本概念、基本方法等基礎知識，聚焦計算思維的建立，使學員掌握問題求解的基本策略，能夠將要解決的問題轉化為計算機求解的步驟。

計算思維在程序設計中的體現，此板塊以程序設計語言為平臺，在具體的算法實現過程中傳授用語言表達思想的技術，聚焦如何將計算思維附著于程序設計語言的軀體上。使學生不只是簡單地掌握了一種語言的語法，還能理解隱含在語法背后的思想，并初步具備靈活使用這些思想進行程序設計解決實際問題的能力。

3.3“計算機控制”思想啟蒙

信息化時代，現代工業系統中，無不貫徹“計算機控制”的思想，計算機硬件基礎知識成為新工科專業自然科學模塊公共基礎教育的重要內容。根據我校實際情況，對計算機硬件基礎知識教學指導思想：將以實踐為中心，啟發計算思維，驅動核心知識點學習;具體教學模式：以“第二課堂”“興趣小組”“研學講座”等多種方式通過“開放實驗室”展開教學活動。下表列舉了一些典型的教學項目。

作為公共基礎教育環節，計算機硬件基礎的教學是學生學習、了解、掌握計算機硬件的啟蒙教育。在“開放實驗室”通過項目實踐.對計算機硬件體系結構與嵌入式系統開發建立初步的概念，激發學生學習求知欲和學習興趣，進一步豐富“計算思維”，為下一階段與本專業相結合學習計算機硬件知識奠定基礎。

4教學案例

4.1建設方案

以C語言為例，課程建設方案如下：

課程教學目標為：以C語言為載體，使得學生掌握程序設計的基本思想和過程，能夠了解程序設計語言的基本結構，理解通過程序設計求解實際問題的基本過程，掌握程序設計的基本思想、方法和技巧，養成良好的程序設計風格，初步具備利用C語言解決各類實際計算問題的開發能力。圍繞課程教學目標，建議課程主要包括以下6個基本知識模塊：概念基礎，語言基礎，基本語句、語法與結構，模塊化程序設計，復雜數據類型和文件操作。

通過實踐教學培養學生的實踐能力，是教學質量的重要落腳點和計算思維能力培養的重要體現。在各個模塊的教學組織過程中，重視課程實踐項目的設計，將課程內容恰當地融入所設計的項目當中。開設編程環境與程序基礎、分支結構設計、循環結構設計、函數設計、數組應用、指針應用、結構應用和文件應用等。

4.2課程實施

在課程教學過程中，強調以學生為中心，調動學生的學習積極性，發揮學生的主體性作用和教師的主導性作用。教師引導學生進行在線學習、開展實踐活動、展示實踐成果、繼續深入學習;學生收到學習任務，在教師的指導下開展實踐活動和探索性學習。教學中注重理論與實踐相結合。本課程是一門實踐性非常強的課程，課程以C語言為載體，講授程序設計的思想和方法，為學生更好地利用計算機解決工程實踐、科學研究和日常生活中的問題打下基礎。考核中注重過程與結果相結合。學習不僅僅是獲得知識，而且要培養學習能力、企業需要的解決問題能力、團隊合作能力和職業素養等。評價主體多元化，根據在線開放課程的特點，以網絡學習課程積分作為評價依據之一，除教師參與評價外，還引入學生作為評價主體，以激發學生競爭意識，調動學生學習積極性。

課程授課教師為計算機專業專職教師，具有較深厚的學術功底，豐富的教學經驗和一定的在線課程開發、應用能力。課程基于超星泛雅平臺進行線上線下混合教學，要求學生自備學習終端（智能手機或電腦），在配備多媒體的教室開展課堂教學與研討，課程實驗在實驗室進行，提供Windows操作系統、云平臺和編程環境。

4.3教學評價

自2019年秋季學期起，C語言課程教學按教學改革方案實施，兩年的教學實踐表明，以培養“新工科”專業學生“計算思維”為目標的課程改革初顯成效，受到學生、專家及同行好評。

學生評價，通過典型例題導入學習內容，啟發學生興趣，能夠立即吸引學生進入學習狀態，遨游在計算機編程的知識海洋，在體驗編程艱辛的同時享受用計算機解決問題的快感。校外專家認為，學校計算機教育在師資隊伍建設、教學改革、課程建設與教學管理方面均做了有益的積極探索，成績顯著，符合應用型本科教育的特點，培養出來的學生實際動手能力很強。同行教師認為，課程建設理念先進，積極探索教學內容和教學方法改革，教師隊伍教學經驗豐富，教學質量在校內具有很高的評價。

結語

新工科旨在培養能夠適應、甚至引領未來工程需求的人才，計算思維能力培養是新工科建設之中的一項重要課題。論文立足新工科背景下民辦高校計算機教育需求，以計算思維為核心，進行計算機基礎教育體系的規劃與重構，探索民辦院校計算機教學改革之路，并付諸相關課程建設和教學實踐，將計算思維培養落到實處。具體方案包括對標“信息處理技術員”資格要求，“計算機技術與應用”課程進行“以證代考”改革;調整“程序設計及編程語言類”課程為公共選修課，納入通識教育層次，貫徹計算思維能力培養;以“開放實驗室”形式，向全校工科專業普及計算機硬件相關知識，進行計算機控制思想啟蒙。

武昌工學院計算機基礎教育改革，包含計算機基礎知識、基本技能、程序設計基礎和軟硬件技術基礎四個維度，以公共基礎課、選修課、第二課堂、課外講座等多種方式實施，目前已初見成效。在今后的工作中，將進一步總結經驗，深化計算機基礎教育改革與創新，培養民辦院校學生計算思維能力，力求為他們提供在各學科研究創新的計算新手段、新方法和應用計算手段進行各學科研究創新的新能力。

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