從多角度數據看大學生計算思維能力培養的四維延展

劉惠彬， 胡建鵬， 陳 強， 黃 容

（上海工程技術大學電子電氣工程學院，上海 201620）

0 引 言

21 世紀初，人工智能（Artificial Intelligence，AI）迎來了第三次熱潮［1-2］，以深度學習技術為引領的新興科技，從理論研究走向了實際應用，已經廣泛地應用在工業控制、社會生活、醫療健康以及教育教學的方方面面。以人工智能技術為重要分支的現代計算機科學，不僅提升了工業生產效率和產品質量，同時改變了人們的購物、出行方式，人類已經進入高度信息化的時代。掌握計算機領域相關技術的基礎知識，既是每一個大學畢業生應該具備的基本素質，也是企事業單位選聘人才的基本要求。在此基礎上培養學生的計算思維能力，使其具備利用計算機相關技術解決實際應用問題和創新發展本領域科學研究的能力［3］。因此，高等院校計算機類基礎課程的知識體系應該兼顧信息技術基礎知識的普及、計算機領域新興科技的認知、跨學科創新能力的培養三方面的教學目標，目標明確、體系科學、內容豐富的計算機類基礎課程是全面推進“四新”人才培養的有力保障［4］。

同時，伴隨多媒體技術和網絡技術的飛速發展，開放式教育資源（open educational resources，OER）在過去幾十年蓬勃發展［5-6］，超越了時空的限制。大型開放式在線課程（massive open online course，MOOC）是目前最流行的一種線上授課方式［7-8］，每個學期都有數以千萬計的學生從開放平臺上受益。在“中國大學MOOC”上，最受歡迎的課程是來自北京理工大學的“Python語言程序設計”，從2015 年9 月至2021 年6月共開設14 期，累計在線學習者超過353 萬，從2015年9 月28 日開設第一期課程開始，“Python 語言程序設計”課程的參與人數總體呈現上升趨勢，尤其在2020 年2 月18 日至2020 年5 月12 日開設的第11期，也就是新冠疫情防控階段，參與人數超過了75 萬人，較前一期參加人數增長比例逾80%，這充分說明線上課程在非常時期發揮了重要作用，是各高校實施“停課不停學”這一方針的根本保障。

由大學計算機課程教指委編寫的《大學計算機基礎課程教學基本要求》［9］一書中，明確指出大學計算機基礎教學的5 個發展趨勢：“課程定位將在通識教育的框架下進一步明確；教學內容將圍繞計算思維能力培養目標進行重組；實施方案將結合不同高校的定位呈現多樣化形態；教學手段適應大規模開放在線課程（MOOC）的挑戰和機遇；教學成效評測將在大數據分析的基礎上更為精準與科學。”教育部在2018 年發布的《教育信息化2.0》中指出：“因應信息技術特別是智能技術的發展，積極推進‘互聯網＋教育’，實現更加開放、更加適合、更加人本、更加平等、更加可持續的教育，推動我國教育信息化整體水平走在世界前列。”［10］在2019 年發布的《中國教育現代化2035》中強調：“因材施教、知行合一，”提出：“到2035 年，要總體實現教育現代化，利用現代技術加快推動人才培養模式的改革，實現規模化教育與個性化培養的有機結合。”時任教育部部長陳寶生在2020 年國際人工智能與教育會議［11］上指出：“人工智能等新技術向我們展示了變革教育的巨大潛能。我們應當加快發展更高質量的教育、更加公平包容的教育、更加適合每個人的教育、更加開放靈活的教育。”

然而，面向非計算機專業的計算機類基礎課程，通常都是以多個行政班級合班的形式進行大班上課，另外剛剛進入大學校園的新生，有明顯的地域差異，來自不同區域的生源其計算機操作能力有很大不同［12］，有的學生在小學階段開始接觸基本的計算機操作，在中學階段學習過可視化程序設計語言，而有的同學連基本的鍵盤指法都未能掌握，甚至有人從未實際操作過計算機［13］。由于師資力量和實驗設備等教學條件的限制，很難實現分級分層小班化計算機基礎教學，特別是在計算機類基礎課程學時非常有限的情況下，如何建立大學計算機基礎課程與中小學信息教育教學［14］的有效銜接，如何保證高等院校大學生計算思維能力的培養［15］，如何實現本科四年計算機領域知識學習的不斷線以及與不同專業領域技術的結合應用［16］，如何根據學生的個性特征實施有層級的因材施教［17］，如何突破面授課堂在物理空間上的限制實現高效學習［18-19］，是相關教師在建設大學計算機基礎課程時必須思考和努力解決的關鍵問題。

1 計算機基礎課程教改調研數據分析

為了提高計算機基礎課程的教學效果，培養具有計算思維素養的各類專業人才，從本科新生的基礎和期望、準畢業生的需求和反饋以及專業教師和用人單位的要求等多個角度，就計算機基礎課程的內容、目標、學生應具備的計算思維能力等多個問題進行了調研，立足于學生實際、專業特色和社會需求，有效銜接基礎教育、高等教育和職場就業，打造人才培養的閉環機制。

1.1 本科新生的基礎和期望

基于“以學生為中心”的教學理念［20-22］，面向非電專業新生發放652 份調查問卷，就計算機的功能性、已具備的計算機操作技能、各領域知識的難易度、對新一代信息技術的興趣點以及各種線上線下授課形式的接受度等方面內容展開調研，既摸清了新生計算機應用能力的狀況，又明確了后續課程開展的教學定位。80%以上的學生在小學已經接觸過計算機，但是排名前三的計算機應用是看視頻、查資料和玩游戲。同時調研結果表明學生普遍認為在計算機類基礎課程中，C語言、Python、VB.NET等程序設計課程難度最高，學生可以選擇多項，如圖1 所示。

圖1 各類計算機基礎知識的難易程度

表1 顯示在授課形式的6 個選項中，傾向傳統課堂授課加上機實踐模式的學生占比最多，達到32.36%，接受啟發式教學、線上線下授課等多種教學模式融合的學生占比第二多，達到23.01%。40%以上的學生期望根據自身的能力水平得到個性化教學指導。授課形式和個性化教學兩個問題都是單項選擇。

表1 授課形式和個性化教學

如圖2 所示，學生最感興趣的新興科技排名前五的依次是：人工智能、大數據、物聯網、云計算、虛擬現實，學生可以選擇其中多個選項。得出這樣的結果主要歸因于人工智能和大數據技術已經對人類社會的生產生活產生了巨大的影響，而智能手機、平板電腦等便攜式終端的普及，使高等院校學生已然成為萬物互聯生態環境的原住民，雖然這些新興科技已經作為成熟的技術在日常生活中發揮了作用，但是對于剛剛進入大學校園的一年級新生來說，還未揭開神秘的面紗，系統化地介紹這些新興科技，有益于學生更好地利用這些技術促進自身研究能力的發展和專業知識的創新。

圖2 感興趣的新興科技

1.2 準畢業生的需求和反饋

在面向非電專業四年級學生發放的152 份調查問卷中，當被問及“哪些計算機技能在畢業設計上能提供幫助”時，80%以上的學生都選擇了Office 辦公軟件，這主要是因為畢業論文的排版和研究成果的展示以及數據表格的呈現都是利用辦公軟件來完成的，具體數據如圖3 所示。

圖3 對畢業設計有幫助的計算機技術

雖然調研對象來自材料、化工、機械、管理等非電專業，但是仍有12.5%的同學傾向于從事計算機／互聯網／通信／電子產業，是除考研之外的第一選擇，可見同學們對計算機技術相關產業持有濃厚的興趣，另外在第一學年下學期，學校允許成績優秀者提出轉專業的申請，有少數同學已經轉到“計算機科學與技術”專業或“數據科學與大數據技術”專業，足以說明近年來人工智能熱度帶來的專業選擇和就職就業導向。全部152 名同學的就業傾向如圖4 所示，每個同學只能選擇一個選項。

圖4 畢業后期望的去向

1.3 專業教師和用人單位的要求

組織所在學校其他學院的專業教師召開座談會，包括車輛工程、軌道交通、航空運輸物流管理、制藥工程和數字媒體藝術等專業的任課教師，從專業教師的角度提出對本專業學生計算機應用能力的要求，他們關心的焦點主要集中在學生是否具備基本的編程能力和掌握本專業相關軟件的操作能力。雖然無論是一年級新生還是四年級畢業生都普遍認為Office 辦公軟件容易掌握，但是指導畢業設計的專業老師認為學生的文檔編輯技能和演示文稿制作技能都需要進一步提高，才能順利高效地完成畢業論文的編排和展示。辦公軟件的實踐教學是包含在第一個學期的計算機應用基礎課程中，由于該課程的學時縮減至32 學時，所以并未安排理論教學，而是直接進入到實踐教學，只能抽取其中常用的操作技巧進行講解，而更多的時間留給學生進行實踐，很多高級技巧在課內學時根本來不及教授，這就出現了“看似簡單，實則不易”的情況。

通過在智聯招聘、前程無憂等知名網站上抓取部分企業的招聘數據，包括金融、制造業、藝術設計等接納大量畢業生的行業，每個類別分別從兩個網站各隨機抽取5 家公司，來分析各行業對從業人員計算機應用能力的要求。在金融領域的10 條招聘信息中，有8家企業要求應聘者能夠熟練操作Office辦公軟件，有6家要求熟練使用財務軟件。在制造業抽取的10 家公司，除多家企業要求應聘者具有良好的辦公軟件操作能力之外，有5 家企業要求應聘者熟練操作AutoCAD或Solidworks等三維繪圖軟件。在藝術設計領域發布的美工、平面設計、影視后期、動態視覺設計等10 個崗位中，只有1 家企業要求應聘者為美術、平面設計相關專業，但是全部10 家企業都要求從業人員具有Photoshop、Illustrator、Premiere 等多媒體軟件的實操經驗。另外上述領域的部分企業還要求員工具有一定的編程能力，如掌握C語言或Matlab，能夠設計算法和模擬仿真以提高本領域的生產效率、產品質量或服務品質。而在政府部門、醫療衛生、服務行業的行政人員，不同程度上要具有基本的辦公軟件、多媒體軟件和計算機網絡等技術的操作能力，可見各行各業都要求從業人員具備基本的計算機基礎知識，并能夠將其應用到所在專業領域的實際工作中。

綜上所述，無論是一年級新生還是高年級學生都對計算機技術展現了濃厚的學習興趣，認為對他們的專業學習和未來就業大有裨益，但同時他們認為程序設計等課程有較高的學習難度，另一方面專業教師認為在當前學時有限的情況下，學生利用計算機解決實際問題的能力仍需提高，同時各行各業用人單位也將具備基本的計算機應用能力作為選拔應聘者的準則之一。因此構建學習形式靈活多樣、知識結構分層分級，以發展終身學習能力［23］為目標的計算思維培養模式，將同時滿足學生、專業和社會三者在計算機應用能力方面的需求。

2 計算思維能力培養的四維延展

為了解決前述現實問題和踐行相關指導意見，同時綜合考量多角度調研數據，面向非計算機專業的大學計算機類基礎課程，應該從多維度進行科學合理的教學方案設計。如圖5 所示，在教學內容的深度和廣度上，構建模塊化的知識節點，在完成基礎知識學習的基礎上，可以選擇性的學習高階知識節點；通過建設線上教學資源對傳統的線下教學模式進行空間上的延展，使學生能夠結合自身特點，利用線上資源進行有效的預習和復習；鼓勵學生參與創新實驗、計算機等級考試和競賽等作為計算機類基礎課程的補充和延續，保障計算思維能力培養在時間上的連續性，不斷地達到規模化教育和個性化培養的平衡。

圖5 計算思維能力培養四維模型

2.1 模塊化知識節點實現靈活的教學深度延展

（1）計算機應用基礎。在32 學時的公共基礎必修課計算機應用基礎課程中，將各類知識節點分成理論講解和實踐教學兩部分，對于計算機簡史、網絡基礎、多媒體信息的數字化等內容側重理論講解，操作系統、辦公軟件、多媒體軟件的具體應用直接進入實踐環節，實踐教材中的實驗范例部分給出了所有題目要求的具體操作步驟，即使沒有相關軟件的操作經驗，按照指導也可以完成，而對于有一定計算機操作經驗的同學，可以在完成范例內容后，進入實驗環節，參照樣張和要求完成具體題目。整個實驗過程中，任課教師首先對實驗環境進行說明，并強調每次實驗的難點，然后一對一答疑，再總結答疑過程中遇到的共性問題，進行全班廣播教學。

（2）程序設計基礎課程。兩門48 學時的程序設計類公共基礎必修課C 語言程序設計和VB.NET 程序設計，每次理論講解課后，都配有一次動手實踐課，并在進入函數和數組學習之前進行一次綜合實驗，既是對前半段所學知識的復習，也能夠摸清學生的掌握情況，在后續教學過程中適當回溯相應知識點。

（3）創新實驗課程。學生可以從第二學期組成團隊，申請創新實驗項目，通常以3 人為一組，結合自身需求申請不同專業領域教師開設的創新實驗題目，其中與計算機領域相關的題目有：計算機網絡設計、影音作品后期制作、GIS信息交互系統、機器人運動監控系統等，此類實驗多與教師的研究方向緊密結合，同時給予學生充分的自主創新空間。以影音作品后期制作為例，要求學生在實驗過程中，利用Premiere以自己的專業特長或興趣愛好為主題制作時長超過10 min 的影音作品，作品中必須包括配音、字幕、特效等內容，要求主題明確、情節連貫、內容完整，可根據需要利用Audition、Photoshop等軟件對素材進行前期處理。同時結合自己的專業特色，有效地結合自己所學，恰當地融入最終的作品里面，為作品增色添彩。通過完成創新實驗項目，學生的動手實踐能力得到充分的鍛煉，同時他們的團隊合作能力也得到了很好的發展。

2.2 融入新興科技和專業案例確保課程的廣度延展

結合教改調研數據分析結果，在計算機應用基礎課程中加入互聯網＋、物聯網、云計算、區塊鏈、人工智能等新興科技的介紹，并且面向不同專業設計案例，介紹新興科技在不同領域發揮的作用，如向車輛工程專業的學生介紹百度自動駕駛技術，向藝術設計學生介紹對抗生成神經網絡模型。圖6 給出了自動駕駛技術的部分課件。

圖6 自動駕駛技術介紹

在必修程序設計課程中，自編的理論教材和實踐教材也涵蓋了48 學時之外的高級程序設計技巧，包括：C語言的指針、結構體、文件、VB.NET的圖形處理以及面向各專業的相關案例，并且在MOOC 資源中上傳了配套的講解視頻。MOOC資源與面授課程同步開放，高級程序設計的知識點由學生課后自學完成。

2.3 豐富線上教學資源突破傳統面授課程的空間限制

（1）MOOC資源。包括兩門公共基礎必修課和一門公共選修課在內的3 門程序設計課程：C 語言程序設計、VB.NET程序設計和Python程序設計，都搭建了線上MOOC資源，在兩門必修課線下課程開始的同時，開放線上資源，包括授課視頻、講義、題庫和常見問題解答等內容，對于學習進展緩慢的同學，可以利用授課視頻做好課前預習和課后復習，對于基礎好、進度快的同學可以利用線上資源拓展48 學時之外的高級程序設計知識，并利用題庫測試自身的掌握程度，有的放矢地改進學習節奏。Python程序設計是一門面向全校各專業學生開放的線上線下混合教學的選修課，學生可以隨時隨地利用各種終端設備進行授課視頻的學習，然后在3 次面授課中匯報自己的學習成果，并在任課教師的幫助下解決線上學習中遇到的問題。

（2）群課堂直播。在疫情管控階段發揮重要作用的群課堂直播功能，同樣能夠在后疫情時代為那些不能到校參加面授課程的學生提供學習幫助，甚至可以作為一種長期的授課方式保留下來。例如作者在2020 ～2021 學年第二學期開設的C 語言程序設計課程中，有部分學生因疫情在家隔離，所以在面授課程的同時開啟群課堂直播功能，使線上線下的學生能夠獲得相近的學習體驗，后來發現有些因事因病請假的學生也參與到了群課堂直播中來，另外群課堂的回放功能也為學生提供了復習的渠道。

（3）線上答疑。線上答疑主要在超星學習通和騰訊QQ軟件上完成，兩個平臺都有支持智能手機的版本，使學生可以隨時隨地向教師發問，特別有些在課堂上羞于發問的同學，反而會在線上平臺進行提問，當他們得到教師的反饋后，會進一步激發他們的學習熱情，尤其對于程序設計這一類難度較高的課程，線上答疑有效地提高了學生的學習效果。

（4）在線實驗平臺。目前針對C 語言程序設計這門難度較高、受眾廣泛的課程，搭建了在線實驗平臺，該平臺具有發布公告、布置題目、執行代碼和生成報告的功能，每次實驗從題庫中選取涵蓋各種難度的若干題目，并且可以設置提交的截止時間。題庫中針對每類知識點添加了難、中、易3 種程度的題目，總量達124 道（含范例），為不同學習進度的學生提供了充足的訓練儲備。表2 給出了各類知識點題目的難易度分布。

表2 題目難易度分布

圖7 所示給出了2020 年上半年，疫情防控階段C語言程序設計線上授課階段，“C 語言在線實驗系統”統計的學生實驗數據，學生成功提交實驗的比例逐漸上升，最后達到99%。同時可見，雖然實驗的難度隨著教學進度逐漸增強，但是語法錯誤數和實驗平均耗時未升反降，反映了學生在學習過程中，通過大量的編程實踐不斷提高自己的編程能力，達到掌握程序設計基礎知識的學習目的。

圖7 “C語言在線實驗系統”統計數據

2.4 自主選修、以考促學、以賽促練保證計算機知識學習的時間連續性

在公共選修課部分，開設了辦公軟件、多媒體設計以及其他與專業緊密結合的計算機技術相關的課程，允許學生根據專業特色和自身興趣自由選擇，通常是32學時，2 個學分，注重培養學生的動手實踐能力，以及應用計算機技術解決專業領域問題的能力。

在完成計算機類必修課、公共選修課和創新實驗項目的基礎上，鼓勵學生參加計算機等級考試和計算機類的競技比賽，以考促學、以賽促練，保證計算機思維能力培養在時間上的連續性，實現四年本科計算機知識學習不斷線，學生不僅能收獲證書和獎狀，更能品味努力付出后收獲勝利的喜悅，這為今后步入工作崗位，努力拼搏實現自我價值提供資本和動力。

通過教學內容在深度、廣度、空間和時間四個維度上的延展，實現大學生計算思維能力的培養，在保證大規模計算機通識教育的前提下，一定程度上實現了學生個性化培養的教學目標，使得高等院校畢業生具備一定的利用計算機技術解決實際應用問題和創新發展所屬專業科學研究的能力。

3 結 語

在高度信息化時代，高等院校面向非計算機專業的計算機類基礎課程，擔負著普及信息技術知識和培養計算思維素養的教育使命［24］，畢業生利用計算機技術解決實際問題的能力是衡量計算機基礎課程教學效果的客觀標尺。基于學生實際、專業特色和社會需求三方面的調研數據出發，構建適合人工智能時代的計算思維能力培養四維模型，從深度、廣度、空間和時間四個維度上延展計算機基礎知識的學習和實踐，可以在同類院校中進行推廣，根據各校的實際進行知識模塊重組，使計算思維能力培養四維模型本校化，因地制宜，因校施策。這種教育模式同樣可以被其他基礎學科所借鑒，大力推進“四新”人才的培養。

在四維教育模型實施過程中，要持續調研跟蹤：①要跟蹤新生3 年后的學習反饋，是否實現了作為新生時提出的期望，是否具備專業教師和用人單位認可的計算機應用能力；②要與時俱進，每隔4 ～6 年重新進行一次全方位的調研，關注基礎教育階段學生計算機課程學習的改革和變化，大學計算機基礎課程隨之聯動，降低基礎教育與高等教育在計算機教學中的重合率。③要建立科學規范的評估體系，如利用人工智能技術在姿態檢測和表情識別方面的應用，對線上線下學習者進行監督評價，客觀地反饋學生的學習狀態，找出學生在學習過程中的表現與最終取得的學習成果之間的內在關聯，分析不同教學情境中學生的學習效果，總結授課形式、教學內容、學習環境等外在因素影響學生內在動力的客觀規律，揚長避短，不斷提高計算機基礎課程的教學成效。