以學科競賽為抓手 推進新工科時代本科生計算思維培養*

武文娟 周小明 劉永剛 陳旺 焦敏

摘? 要? 為了推進全專業本科生計算思維的培養，滿足新工科時代對創新型人才的需求，探索并實踐以學科競賽為抓手，培養本科生特別是非計算機專業學生的動手能力、創新意識及使用信息技術解決實際問題能力的實踐教學模式。實踐證明，該模式可以深化教學改革，激發本科生學習掌握信息技術的熱情，促進本科生計算思維訓練。

關鍵詞? 新工科；信息技術通專融合教育；實踐教學；本科生；計算思維；學科競賽

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）15-0079-04

0? 引言

近年來，大數據、人工智能、區塊鏈等技術逐漸上升為國家戰略技術，其巨大作用和深遠影響已經超出計算機領域，與其他領域、行業發生交叉融合，助力其他行業轉型升級，并創造和催生出新的行業，是新經濟最重要的驅動力之一。這些技術的共同核心之一是數據，因此，各領域各層次的人才都要有重視數據的意識，掌握信息技術，形成數據思維。

2017年，教育部啟動新工科發展研究工作[1]，先后發布“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等文件[2-4]，形成新工科建設“三部曲”。各高校積極響應，通過新工科研究與實踐項目的立項建設，在新工科建設和改革工作中取得顯著成果[5-7]。教育部高教司多次強調，要聚焦國家發展戰略，把握高校人才培養工作的新形勢新任務，全面深化高等工程教育改革，加快建設新工科，主動面向未來，適應和引領新經濟[8-9]。

信息技術學科是一門滲透性極強的學科。在新工科時代，非計算機專業的學生也必須具備相應的計算思維素養，掌握運用信息技術解決實際問題的技能。計算思維教育不僅僅是編程教育，其關注的是利用信息技術解決問題的能力，強調學生信息化認知方式的發展，強調在真實體驗與實踐應用中發展學生利用信息技術思考、建模與解決問題的能力。因此，計算思維的培養必須重視綜合實踐能力的培養和鍛煉。

學科競賽可以在緊密結合課堂教學的基礎上，以競賽的方法激發學生理論聯系實際和獨立探索的動力，是實踐研究性學習的一種重要形式。因此，在對非計算機專業的學生開展信息技術專業基礎課程教學的同時，以學科競賽為抓手對學生的計算思維和動手創新能力進行全方位的訓練，對于人才培養具有重要的意義。通過鼓勵學生參加大賽，激發各專業學生對于信息技術的學習興趣，在提出問題、分析問題、解決問題的過程中，系統地強化學生的科研能力及科研創新精神，培養學生的創新能力和團隊合作意識，提高學生運用信息技術解決實際問題的綜合實踐能力。

1? “中國大學生計算機設計大賽”項目

“中國大學生計算機設計大賽”（以下簡稱“大賽”）是2012—2018年全國普通高校學科競賽排行榜第26號賽事（中國高等教育學會確認），是中國高等教育學會發布的《高校競賽評估排行榜》統計賽事之一，是由教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會中國大學生計算機設計大賽組織委員會主辦，面向全國高校在校本科生的非營利性的公益性、科技型群眾性活動。大賽賽事采用三級賽制：校級初賽（基層動員）、省級賽區（或省級直報賽區）復賽、國家級現場決賽。大賽在全國具有廣泛的影響，受到在校大學生的歡迎和信任，涌現出的優秀作品已經被CCTV以及不少企業采用。大賽涵蓋軟件應用與開發、數字媒體設計、人工智能等領域。大賽始創于2008年，已經舉辦13屆賽事。

中國人民大學自2008年大賽開辦之初即組織隊伍參賽，歷年來取得豐碩成績，獲獎等級及數量屢創新高。大賽項目的建設獲得中國人民大學信息技術與管理國家級實驗教學示范中心及中國人民大學基于大數據文科綜合訓練國家級虛擬仿真實驗教學中心兩個國家級實驗教學中心的支撐。學科競賽是“實驗教學、學科競賽、科學研究”三位一體的實驗教學新體系中的重要一環，兩個實驗教學中心從實驗教學體系建設、課程改革、平臺建設、師資力量、多渠道設立學生課題、實驗室開放、管理體制等多個方面，為大賽項目提供有力的支撐。大賽項目的建設也進一步擴大了兩個實驗教學中心的影響力，更好地發揮了中心的輻射、示范作用。

中國人民大學專門設立“中國大學生計算機設計大賽”學科競賽項目，于秋季學期開始在相應的課程中設置第二課堂；每年11月開始，成立競賽教師指導小組，結合實際需求，著手準備次年參賽的作品內容；次年3月，成立多個參賽隊伍，成員由對計算機競賽感興趣的學生組成，指導教師帶領學生在近半年的時間內集中完成項目全階段開發，包括需求確定、代碼編寫、系統測試、項目文檔編寫、參賽視頻及演示材料制作等環節；5月，舉辦校內比賽，對全校參賽作品進行篩選評比，選拔優秀作品參加大賽的北京市級賽，通過評審的作品最終上推至國賽參與最終的激烈角逐。

2? 以學科競賽為抓手的計算思維培養實踐教學框架

在多年的參賽過程中，依據“興趣驅動、問題驅動、項目驅動”的培養模式，以學科競賽為抓手，探索并實踐一套計算思維培養實踐教學框架，如圖1所示。該模式面向所有專業的本科生。問題情境具有情感上的吸引力，容易使學生產生濃厚的學習興趣，形成探索問題答案的欲望，促使學生自覺、主動地尋求解決問題的方法，這也是大學生計算思維能力培養的重要途徑和方法。

2.1? 確立“以賽促教，以賽促學”的組織思路

以賽促教，加大相關非計算機專業計算機課程教學改革力度，重視實踐實訓教學；以賽促學，將比賽過程融入學生平時學習，使學生參加比賽獲獎成為一個水到渠成的過程，而非刻意追求的結果。將組織比賽作為一個全年不間斷的工作，加強平時的宣傳力度，使得學生平時能夠有意識地觀察生活，積極使用計算思維尋找解決方法，從而真正提高學生的動手能力，實現研究性學習，從而達到比賽培訓的目的。

2.2? 組建經驗豐富的競賽指導教師隊伍

多年來，中國人民大學建設了一支專業水平高，同時具備豐富參賽經驗、社會商業知識和文化知識的指導教師隊伍。指導教師在學科競賽建設中發揮著舉足輕重的作用，要負責項目內容把控和設計，為學生開設第二課堂，組建團隊，并在項目的整個生命周期中指導學生規劃、開發、部署以及實施項目。

2.3? 面向全專業學生開設培訓類、競賽類第二課堂

將學生分為計算機相關專業及非計算機專業學生兩大類，這兩類學生的專業特點和擅長領域不同。按照項目的生命周期及學生的專業特點，每年秋季學期開始在相應的課程中設置培訓類、競賽類第二課堂。面向計算機相關專業學生，其課程內容更偏重于項目的具體實現，在技術性講解和學生自主實現方面有更多課時。在第二課堂中設置項目類大作業，學生完成后可以直接將該項目參加學科競賽。面向非計算機專業的學生，其課程內容則偏重于計算思維能力的訓練、相關技術應用方式的了解，在新工科專業方向更有針對性。學生通過課程學習，掌握物聯網、大數據、人工智能等領域的新工科專業的技術應用方式，便于利用學習技能獨立完成創意性項目的構思、可行性分析、技術實現路徑的規劃等工作，最終在課程結束時完成相關內容的文檔撰寫。

2.4? 頭腦風暴發現社會、現實問題

在開發任何產品的同時，都要考慮為什么，干什么，能夠解決什么問題，給人們的生活帶來什么便利。帶著這些問題，在每年11月份，指導教師會組織學生頭腦風暴，發現每個人身邊未解決的問題。通過問題讓團隊成員充分理解需求，并以功能點的形式描述出來。此后在項目會議上，團隊成員報告自己所理解的軟件功能，其他成員也可以隨時打斷并提出自己的疑問，以供大家一起討論。頭腦風暴、團隊協作的方法，可以將集體智慧最大化。最后，爭論問題則由指導教師作出決定。

2.5? 組建跨學科、跨年級的項目團隊

學生必須以團隊（三人）形式報名參賽，因此，準備報名時就需要考量團隊組建和協作溝通等要素。鼓勵參賽團隊跨學科、跨年級自由組合，既能充分互補各個專業學生在知識領域、技能特長方面的不足，也促進團隊成員之間的跨界交流與學習，使學生在互相學習的過程中接觸更廣泛的知識內容。第二課堂培訓結束后，由指導教師負責，根據不同的項目類型，在團隊建設中加入不同專業的學生，組成團隊專業化結構合理的項目隊伍，完成項目的整個生命周期，并有針對性地指導項目參賽。比賽指導教師應該對學生進行認真指導，嚴格按照比賽進程合理安排比賽進度，及時排除學生疑惑。特別是學生比賽作品的制作出現偏差時，教師要能夠及時發現、及時糾正并引導學生，給出合理的建設性意見，防止學生做無用功。

3? 人才培養成效分析

以學科競賽為抓手的信息技術通專融合實踐教學框架在人才培養方面的作用可以歸納為兩點。

3.1? 以賽促教，促進信息技術通專融合教育

在新工科和新文科的教學改革思路指引下，立足信息技術與管理國家級實驗示范中心，以一個綜合的創新性競賽參賽作品開發為切入點，在半年時間內，為計算機專業與非計算機專業的學生提供一個接觸自身專業之外的領域知識的學習和實踐機會。這是一種有益的實踐與嘗試，有利于培養新工科專業學生的人文精神，也幫助新文科專業學生進一步掌握和有效利用信息技術，從而做到信息技術通專融合教育。

3.2? 以賽促學，切實提高學生創新實踐能力

將組織比賽作為一項全年不間斷的工作，加強平時的宣傳力度，引導學生有意識地觀察生活，積極尋找解決方法。通過第二課堂的設置以及參賽作品全周期的開發，將比賽融入學生平時學習，使學生參加比賽獲獎成為一個水到渠成的過程，從而真正提高學生的動手能力，達到學科競賽培訓的目的。

以學科競賽為抓手的信息技術通專融合實踐教學框架實施以來，碩果累累。以大賽為例，自2008年第一屆大賽舉辦以來，中國人民大學已連續13年參賽，參賽成績屢獲突破。目前，中國人民大學累計共有23位教師指導117位學生參加大賽國賽，獲獎情況如表1所示。

以上成果表明，信息技術通專融合實踐教學框架有效促進了學生實踐能力和計算思維的培養，使學生成為專業水平過硬、符合社會就業需要、具有團隊合作意識及創新創業意識的復合型、應用型人才，從而提高了新工科和新文科時代人才培養的質量。

4? 結束語

“中國大學生計算機設計大賽”項目的建設與實踐，是中國人民大學開展全專業本科生計算思維和實踐創新能力培養工作的有力抓手，并通過長期實踐取得顯著成效。在多年的探索與實踐中，筆者認為，在新工科和新文科時代，學科競賽是人才能力培養工作的重要載體，學科競賽所涉及的能力訓練涵蓋了大學生人才培養體系尤其是實踐教學體系的各個環節。通過組織學生參加大賽，有助于提高全專業學生的信息技術知識與技能，培養學生跨學科、綜合應用學科知識解決問題的能力，使學生的研究能力和創新能力得到提高。以學科競賽為著力點，將面向全專業學生的計算思維和創新實踐能力培養與現有課程相融合，是探索計算思維培養模式的有益嘗試，對于推進信息技術通專融合教育改革具有重大意義。

（致謝：本文的工作得到中國人民大學信息技術與管理國家級實驗教學中心的支持。）

參考文獻

[1] 教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知[A/OL].（2017-02-23）[2022-01-15].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

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[9] 吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發展和建設新工科 主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

*項目來源：第二批新工科研究與實踐項目“面向新工科和新文科的以數據為中心信息技術通專融合教育改革與實踐”（E-DSJ20201101）；中國高等教育學會高等教育科學研究“十三五”規劃課題“新工科人才培養模式下高校實驗室管理模式調研與探索”（2018SYSYB11）。

作者：武文娟，中國人民大學信息學院，工程師，博士，研究方向為計算機專業實驗教學改革、實踐創新能力培養、信息檢索；周小明，中國人民大學信息學院，工程師，中國大學生計算機設計大賽組委會賽務委員會副秘書長，研究方向為計算機網絡、云計算、虛擬化、區塊鏈、深度學習與神經網絡；劉永剛，中國人民大學信息學院，工程師，研究方向為實驗室建設與管理；陳旺，中國人民大學信息學院，工程師，2021年中國人民大學博士在讀，主要從事固定資產管理、SLAM相關研究；焦敏，中國人民大學信息學院，高級工程師，博士，研究方向為數據庫、OLAP（100872）。