新工科背景下“計算機與智能基礎”課程體系構建

石陸魁，劉靖宇，史巧碩

（河北工業大學 人工智能與數據科學學院，天津 300401）

引言

新工科是當前教育領域關注的重點，是新時代教育改革和發展的主要方向，教育部關于印發《高等學校人工智能創新行動計劃》的通知中明確指出積極開展新工科研究與實踐，重視人工智能與計算機、控制、數學、統計學、物理學、生物學、心理學、社會學、法學等學科專業教育的交叉融合，探索“人工智能+X”的人才培養模式。大學計算機基礎教學承擔著面向非計算機類專業學生計算機知識、能力和素質的培養任務，在新工科建設中起著不可替代的重要作用。大學計算機基礎教學是面向全體大學生提供計算機知識、能力、素質方面教育的公共基礎課程，是高等學校通識教育的重要組成部分，主要任務是培養大學生的計算思維能力和計算問題求解能力。目前，國內多數高校開設的面向非計算機專業的計算機通識教育課程主要包括“大學計算思維”課程和“計算機程序設計”課程。“大學計算思維”共20學時，主要教學內容包括計算思維部分和計算機基本操作部分。計算思維部分包括信息編碼知識、網絡及網絡新技術初步、人工智能初步、計算思維初步等內容，這部分內容在理論教學環節完成；計算機基本操作部分包括操作系統、文字處理、數據處理、演示文稿、網絡操作，這部分內容通過學生自學，教師在上機實踐環節測驗、輔導完成。課程內容與教學學時嚴重不匹配，導致各部分內容講授不夠深入，對新工科專業建設支撐力度不夠。程序設計基礎課程定位高度和課程深度上不夠，未能很好地將程序設計方法與專業問題求解結合起來，課程定位與專業需求不匹配，尤其是在當前新工科的背景下，僅僅強調編程能力的培養已經無法適應本科教育發展的需要，也無法滿足各個專業培養復合型人才的需要。

隨著大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等技術的快速發展，第四次工業革命浪潮的到來，對工程教育提出了新的挑戰，利用信息技術對傳統工科專業進行提升改造是新工科建設的重要抓手。然而，對于當前的大學計算機基礎教育課程體系，一方面，存在著各學科對計算機相關技術的需求與大學計算機課程教學效果不佳的矛盾，另一方面，新工科背景下對計算機通識課提出了更高的要求。同時，隨著高等教育教學改革的不斷深入，也對大學計算機基礎教育提出新要求。因此，在構建新的計算機通識教育課課程體系中，必須考慮如何支撐新工科建設，必須解決各學科對計算機相關技術的需求與大學計算機課程教學效果不佳的矛盾，滿足各學科對計算機相關技術的個性化需求，提高大學計算機基礎課程的高階性和創新性，增加課程的挑戰度。同時，在構建新的課程體系時，必須考慮與人工智能、大數據等新技術相結合，形成“計算機與智能基礎”課程體系，以適應國家對“人工智能+X”的人才培養模式的要求。

一、制定原則

在“計算機與智能基礎”課程體系構建中，以滿足國家關于建設新工科的要求為抓手，以培養“人工智能+”復合型人才的需要為目標，結合工程教育專業認證的要求，按照OBE理念，以學生為中心，按照模塊化、訂單式的思路構建“計算機與智能基礎”課程體系，為各專業注智賦能。在制定方案時主要遵循以下原則。

1.分層遞進支撐新工科專業建設。在新的“計算機與智能基礎”通識教育課課程體系中明確各門課程在人才培養中的定位，不同課程從不同層次遞進式支撐新工科專業建設。

2.課程模塊化，專業定制化。為了滿足不同專業對信息技術的不同需求，對課程進行模塊化建設，每門課程都設置不同的課程模塊，不同專業根據專業培養目標進行模塊化定制。

3.緊跟前沿，充分利用校企合作平臺。緊密跟蹤計算機、人工智能、信息技術前沿，大力加強校企合作，充分利用企業平臺進行課程建設。

二、課程體系總體架構

在制定“計算機與智能基礎”課程體系過程中，依據建設新工科的要求和培養“人工智能+”復合型人才的需要，結合我校實際，按照課程模塊化、專業定制化的思路，調整和優化現有教學內容，進行知識擴展，制定了“計算機與智能基礎”課程體系，該課程體系主要包括2門通識教育基礎課、6門通識教育任選課?！坝嬎銠C與智能基礎”課程體系見表1。

表1 本科“計算機與智能基礎”課程體系

在新的課程體系中，“計算思維與程序設計基礎”是面向所有專業開設的通識教育基礎課，主要以Python為主講授程序設計基礎，并通過程序設計基礎的學習培養學生的計算思維和問題求解能力。人工智能應用與開發/C++也稱為高級程序設計，包括兩門課程：“人工智能應用與開發”和“C++”，“人工智能應用與開發”主要面向文科、理科、非機械電類專業開設，在計算思維與程序設計基礎課程基礎上，結合Python講授人工智能基礎和相關開發技術，培養學生的智能素養和運用智能技術解決工程問題的能力；“C++”主要面向機械類和電類專業，培養學生利用信息技術解決工程問題的能力。6門通識教育任選課程采用訓練營模式，利用華為在線教學平臺，采用集中線下授課+實驗教學模式?！皵祿诰蚣夹g與應用”和“機器學習技術”僅適用于第二學期開設“C++”的專業，其余通識教育任選課程適用于全校所有本科生專業。這些課程主要培養學生運用智能技術解決本專業領域工程問題的能力，同時培養學生的創新能力。

三、課程體系對新工科專業的支撐作用

“計算機與智能基礎”課程體系涵蓋了計算思維、程序設計、大數據和人工智能的基本知識和應用技術，培養學生程序設計、數據分析、機器學習建模、深度學習建模的能力，促進大數據、“互聯網+”和人工智能對新工科專業及其他專業的賦能，為各個專業培養復合型人才提供了課程體系上的支撐。新的課程體系對新工科專業及其他專業的支撐如圖1。

圖1 課程體系對新工科專業及其他專業的支撐作用

依據參考文獻［2］的思想，該課程體系對新工科專業、理科專業及文科專業的支撐從下到上也分為四層，計算思維與問題求解能力和智能素養的培養逐層提升。最底層是計算思維與程序設計基礎，通過講授Python基礎培養學生的計算化表達、初步問題求解和程序設計基礎能力；第二層是人工智能應用與開發/C++，也稱為高級程序設計，銜接“計算思維與程序設計基礎”課程，把計算思維能力具體到計算問題求解能力，開展以算法和智能基礎為代表的計算能力訓練和智能素養的培養，培養學生利用計算機程序和智能技術求解本專業領域基礎問題的能力，以支撐各專業學生對后續專業課程的學習；第三層開設人工智能及機器學習相關課程，并根據各專業特點選擇不同課程模塊，培養學生利用計算機和智能技術求解本專業領域復雜工程問題的能力，使得計算思維能力和智能素養對各專業的教學和學習提供有力支撐；第四層提供與人工智能相關的創新實踐類課程，包括“HCIA-AI華為人工智能技術基礎”和“HCIA-AI EI Developer華為企業智能技術開發與應用”，結合各專業實際問題，利用華為AI平臺完成，學生完成本課程后可報名華為認證考試，進一步提升學生的實踐能力和創新能力。

四、基于個性化和案例式的“線上線下”混合式教學實施

新工科專業對計算機相關技術的需求提出了更高的要求，這就需要大學計算機課程增加難度，即提高課程的“高階性”和“創新性”，增加課程的“挑戰度”。為了在滿足個性化需求的同時，提高課程的“兩性一度”，進而提高課程質量。將結合個性化和案例教學，采用“線上線下”混合的方式，一方面結合個性化需求通過充分利用線上資源增加課程容量，另一面通過案例增加課程的挑戰度。具體來說，將根據課程不同教學內容，分別采用線上教學、線下教學和線上線下相結合三種教學方式。

1.通過課前、課中、課后一體化，提高教學效果。課前：通過在線資源預習，并通過相關考核；課中：講授重點和難點，配以適當的測試，考核課堂學習效果；課后：完成作業、測試，考核課程內容掌握情況；最后通過擴展學習和案例提高對所學知識的運用能力。

2.采用彈性線上教學與基于案例考核的個性化教學。由于學生的基礎不同，需求也不同，為了滿足學時的個性化需求，線上教學采用彈性學時，線上教學設置學時范圍，學生根據自己的實際情況利用線上資源進行學習，要求達到最小學時數，最后通過案例考核線上教學效果。例如“計算思維與程序設計基礎”中“計算思維”部分教學內容、“高級程序設計”中“人工智能”部分教學內容，充分利用現有課程資源，通過“學生自學+案例考核”方式完成。同時，為了滿足部分學生更高的需求，通過擴展案例增加難度，擴展課程的廣度。通過彈性線上教學和擴展案例一方面增加了課程的容量，另一方面在增加課程挑戰度的同時增加了課程的廣度。

3.采用基于案例的探究式教學和學習。對于“計算思維與程序設計基礎”中“程序設計基礎”部分教學內容、“高級程序設計”中“高階程序設計”部分教學內容采用線下教學方式。同時，與華為“人工智能課程”模塊相結合，以項目驅動教學，利用華為線上教學平臺，采用線上教學與教師線下輔導的混合式教學模式。在教學中，學生需要完成相應的案例和項目，在完成案例和項目的過程中，學生需要經歷查閱資料、設計方案、實現、測試等過程，通過這一過程來培養學生研究性學習的能力，達到課程“兩性一度”目標。