面向新工科建設的計算機通識教育探索

尹 楓, 宋 暉, 劉曉強

(東華大學 計算機科學與技術學院, 上海 201620)

當前人工智能、大數據、云計算等信息前沿技術正加速與各行業的深度融合,因此各行各業都急需能將計算機信息處理技術融入專業技術的高素質復合型新工科人才[1]。在校大學生也迫切需要學習前沿信息知識,掌握解決專業領域實際問題的信息處理能力。面向非計算機專業學生的大學計算機通識教育,應當積極響應這種發展需要,以培養具有計算思維、信息融合、創新能力的新工科人才為目標[2],在推動新工科建設中發揮作用。

新形勢下的計算機通識教育面臨學科交叉融合、創新能力培養、教育信息化等多方面的挑戰,必須解決好以下問題:通識教育內容缺少典型的交叉融合課程,如何通過課程體系建設實現學科融合需求;通識教育打破了以教師教學為中心的傳統,如何通過設計教與學的方法實現創新性需求;通識教育主要采用大班教學方式,如何通過信息化建設手段滿足師生的個性化需求。為了解決上述問題,我校(東華大學)計算機科學與技術學院進行了有益的探索和實踐。

一、打造一體化人才培養體系,加強學科交叉融合

計算機通識教育以培養學生用信息技術解決學科專業實際問題為目標。構建包括通識課程、創新課程、學科競賽三個層次的培養方案,以滿足各學科專業對信息技術一致性和專業引導差異性的需求。通過“思維—能力—技能”的培養過程,形成集教學方法、教學資源、教學平臺貫通協同的一體化人才培養體系,如圖1所示。

圖1 計算機通識教育人才培養體系

通識課程主要引領學生入門,用程序設計方法培養學生的計算思維能力[3],課程設置和教學內容都進行了挑選和凝練。通識課程的教學資源、教學過程管理已在超星學習通、中國大學MOOC等平臺實施,為學生自主學習提供便捷的途徑。

創新課程是進階課程,其內容具有一定的創新性和挑戰度。結合我校新工科的學科布局和專業領域實際需求,開設新一代信息技術及應用的創新課程,包括“數據科學技術與應用”、“人工智能技術與應用”、“多媒體應用系統技術”和“信息系統與數據庫技術”等。創新課程可以帶領學生站在信息技術的前沿,破除技術的神秘感,激發學生的好奇心,為各學科領域的創新應用提供信息技術支撐。

學科競賽作為高校計算機教學延伸的第二課堂,是信息技術與工程教育融合的橋梁。將學科競賽納入培養方案,成為教學育人的重要組成部分[4]。近年來,國內比較重要的賽事包括中國“互聯網+”創新創業大賽、中國大學生計算機設計大賽、中國高校人工智能大賽等。這些競賽具有突出應用導向、注重學科交叉、強調創新設計等特點,為各專業學生搭建了信息化、智能化、實戰化的創客空間。挖掘學科競賽的內涵、成果和資源,建設綜合示范案例庫、競賽優秀作品庫、競賽拓展課程,將學科競賽納入課程資源池。課堂教學和學科競賽相互銜接,協同育人,為創新人才培養賦能加力。

二、推進項目式學習方法,提升學生創新能力

創新課程是為解決學科領域的實際問題服務的,教學方式從傳統的“教師教”轉為開展“以學為中心”,探索適應創新課程的教學內容、教學案例和實驗環節。PBL(Project-based learning,項目式學習)是以學生為中心,以項目為導向,圍繞項目開展探究學習,從而獲得知識和能力發展的學習方式與教學模式[5]。目前,創新課程教學通過案例引導開展項目式教學,通過“講—演—練—賽”多手段培養學生的綜合能力,提升課程育人效能。

基于PBL的創新課程教學設計,為學生提供從單元模塊學習到應用項目實踐的完整過程[6],如圖2所示。依托開放型項目開展跨學科教學,引導學生從信息技術向專業領域進行深度融合,全方位培養學生進行創造性設計、開發創造性解決方案的能力,以及團隊合作能力、項目管理能力和領導力[7]。

圖2 基于PBL的創新課程教學設計

常規的教學案例一般是針對課程的具體知識點設計的,學生很難通過案例認識計算機應用技術的全貌,在面向應用需求時很難找準方向。PBL教學選擇案例時,會考慮專業特色需求,形成學科支撐特色。通過調研紡織、材料、化工、機械、管理等各學科在新工科專業建設中對人工智能、數據科學的需求,設計創新課程的專業案例。針對化學材料類專業建設材料性能分析、生物特征識別等案例;針對紡織服裝類專業建設紡織面料數據庫、時尚預測分析等案例;針對人文管理類專業建設電子商務網站、金融風險分析和預測等案例。PBL教學方式打破了傳統的教學模式,以“練”代“講”,通過案例實驗的復現和討論,培養了學生自主設計的能力。

學科競賽為創新課程教學提供優質的綜合示范案例。案例主要來自本校學生參賽的優秀作品,比如,中國大學生計算機設計大賽的優秀作品“大數據下的新冠疫情分析”、“針織行業標準知識圖譜構建和應用”和“基于版本管理的論文一站式培養系統”等。這些案例展示了信息系統、數據科學、人工智能、多媒體以及基礎編程等技術在實際項目中的集成應用。教師通過剖析競賽案例的創意特色、系統框架、功能設計、技術實現,培養學生綜合運用知識的能力,幫助學生對信息技術的理解從知識層面轉向應用層面。

PBL教學中的項目實踐也是不可缺少的訓練環節。以“人工智能技術與應用”課程為例,課程設置開放性實踐項目,學生自由組隊,經過專題討論和選題交流等課堂研討,鼓勵學生通過頭腦風暴挖掘專業領域的應用需求,評估選題的可操作性,并確定選題,開展項目設計,例如碳合金組織識別、纖維顯微圖像分類、基因模式挖掘、紡織史動畫生成等選題[8]。創新課程的考核從考試轉變為演講、討論、報告、答辯等貫穿項目實施全過程的多維度評價。

在創新課程實踐環節,發現并激勵有潛力的學生持續開展課題研究,鼓勵學生參加計算機應用設計類的競賽,教師全過程跟蹤指導學生作品設計,利用競賽平臺拓展學生持續學習的空間,為信息技術的創新應用提供練兵舞臺。

三、構建開放教學平臺,支撐大規模教學和個性化需求

計算機通識教育既要培養學生的信息素養,滿足學生未來發展的需求,又要為學生提供實現培養目標的學習策略和成長空間。高校的計算機通識課程學分有限,學生通常在低年級選修1門或2門課程,僅靠課程教學已不能滿足信息技術高速發展的時代要求。

依據不同層次的培養方案進行整體規劃,通過自建和整合資源,建立包括教學資源平臺、AI實訓平臺和創新競賽平臺“三位一體”的開放教學平臺,突破教學的時空限制,形成課內課外融通學習的新生態。開放教學平臺推進教學模式的轉變,促進高水平課程資源和實驗室建設,為學生提供完善的自主選學機制,能夠為個性化教育服務。

1.教學資源平臺

教學資源平臺為課程開展線上線下混合式教學提供支持。課程面向全校學生開放,提供線上學習資源和學習指導。依托超星學習通在線教學平臺開展教學活動、記錄教學過程、檢測教學效果。學習通平臺有規范完整的課程管理體系和開放共享服務,操作簡單,運作高效,符合師生的教學和學習習慣。學生在平臺上完成知識預習和復習,參與主題討論,完成課堂和課后練習,并根據興趣選擇擴展提升,學生在學習過程中充分發揮了主觀能動性。

通過教學資源平臺,將學生自主學習、教師教學、線上線下互動等有機融合,提升學生的參與度和獲得感,教學效果顯著。各門課程教學團隊依照混合式課程要求全面建設線上教學活動,秉承以學生為中心的教學理念,對教學內容、實驗資源、教學互動、課程實踐、考核評價等進行精心設計。教學資源平臺包括以下內容:

(1)教學內容。包含知識原理和關鍵點精講的微課視頻和課程講義。教學內容可以通過平臺窗口對非選課學生開放。

(2)實驗資源。知識點配有相應的案例講解視頻和實驗作業。支持學生對案例進行復現、模仿,最終到設計實現。實驗作業一般為基本知識的上機題,由研究生和優秀本科生擔任助教并對作業進行線上批改,及時給予反饋。

(3)教學互動。設計隨堂練習、搶答等課堂活動,檢驗課堂學習效果,提升課堂活躍度。題型一般為客觀題、選擇題、程序填空題等。教師根據平臺提供的學生答題實時數據及時反饋調控,并進行有針對性的講解,實現精準教學。

(4)課程實踐。對課程綜合實踐項目全過程支持。通過分組任務進行學生組隊、組內討論、文檔提交、資料歸檔、教師評分等活動。教師可在平臺上跟蹤項目進程,完成過程監測、技術指導和數據收集等。

(5)考核評價。平臺提供作業、章節測驗、討論發言數量、視頻學習數量等教學過程的量化數據分析,可作為本門課程教學質量和學生考核的評價依據。

2.AI Studio實訓平臺

為滿足新工科對“AI+”人才培養的迫切需求,我校與百度公司開展校企合作,在“人工智能技術與應用”課程教學中引入百度AI Studio實訓平臺、實踐工具、應用案例和企業微課資源[9]。AI Studio實訓平臺提供了與非計算機專業學生的基礎較匹配的各項支持,使課程從理論教學、應用實踐到創意設計都可以全方位展開,解決了課程大面積教學的實驗環境問題。學生可以借力百度的云計算平臺,完成學校實驗平臺無法開展的實踐。AI Studio實訓平臺包括以下內容:

(1)教學平臺。AI Studio實訓平臺提供教學視頻、線上測驗、線上討論、提交和批改實訓作業等支持,輔助開展線上線下教學。

(2)教學資源。社區不斷增加的數據集、課程內容和豐富的案例庫資源拓展了課程教學資源,保證了課程的新穎性和課堂的活躍度。

(3)實訓環境。AI Studio實訓平臺包括飛槳深度學習平臺、Easy DL、AI服務等工具和環境,為課程提供了人工智能實驗支持和遠程計算力。

在多層次的實踐環境支持下,針對思維能力、建模能力、開發能力等設計“人工智能技術與應用”課程的演示型、驗證型和開發型實驗,輔助前沿信息技術在通識課程教學中由淺入深地將理論和實踐密切結合。課程引入企業AI服務中的各種解決方案,拓展學生的視野,結合企業案例進行討論,引導學生關注智能機器人、智能制造、機器視覺、工業大數據等多個研究領域,并對人工智能產業和應用進行探究。學生在學習人工智能理論和工具的基礎上,循序漸進地掌握處理學科交叉領域問題的方法,快速有效地結合各自專業開展創新實踐。

3.創新競賽平臺

開放的計算機競賽,為學生的創意選題、方案設計和技術實現提供了自由拓展的空間,極大地推動了計算機通識教學改革,促進了計算機互聯網、大數據、人工智能、物聯網等前沿領域與專業學科的交叉融合,得到了師生的廣泛認可,參賽人數逐年增長。

發揮學習通在線教育的優勢,打造創新競賽平臺,形成宣傳、組織、管理、學習的聯動機制,打造競賽資源和競賽成果展示的窗口[10]。凝練競賽資源并進行分類建設,包括比賽介紹、獲獎情況、作品歸檔、拓展課程四個模塊,形成獨具特色的線上競賽課程。創新競賽平臺包括以下內容:

(1)比賽介紹。包含比賽流程、賽事通知、參賽指南、作品提交等目錄。比賽流程以時間線的形式清晰展示競賽各階段和學生在各階段需要完成的工作。學生可以通過比賽流程、競賽通知、競賽文檔等完整了解賽事組織、報名方式、活動流程、作品要求等。

(2)獲獎情況。包括獲獎作品目錄和學生獲獎感言。學科競賽是校園文化建設的重要組成部分,優秀的學生作品具有積極的示范效應,要發揮其宣傳作用。獲獎作品目錄發布學校歷年來學生獲獎情況、獲獎作品名單,這是計算機教學在課外創新實踐活動中的成果展示窗口。學生可以從歷屆獲獎作品中獲得啟迪,再結合自身專業、熱點問題、社會需求確定自己的選題,邁出競賽的第一步。獲獎感言是學科競賽中的獲獎學生以視頻、文字、圖片等形式全面展示其參賽過程和參賽的體會感想。學生是競賽的主體,通過競賽優秀學生分享自己從校內比賽嶄露頭角、到省級比賽脫穎而出、最終站在國賽領獎臺的經歷,引導學生正確認識學科競賽,增強學生的自信心,激發學生的比賽熱情。

(3)作品歸檔。包括作品演示視頻、專家點評、作品集錦目錄等。通過收集優秀作品文檔,構建多種類、模塊化、系統化的作品資源庫。這些作品可以傳承競賽經驗,豐富計算機通識教育課堂的教學案例,為師生提供生動的實踐參考素材。計算機類競賽的比賽形式正從線下轉為線上線下融合,并通過超星、B站、抖音等平臺進行直播。通過觀摩錄制的學科競賽特色線上環節,學生可以更加直觀地了解優秀獲獎作品,小到幻燈片設計、答辯技巧,大到關鍵技術和思維方式,從技能和思維獲得全方位啟示。

(4)拓展課程。增加虛擬現實、信息可視化、深度學習、區塊鏈等線上課程資源。教師團隊對歷年競賽優秀作品進行分析,對計算機領域前沿技術進行提煉和整合,梳理出適合本校學生學習的競賽拓展知識,為具備信息技術自主學習能力、有創新需求的學生提供課程支持。為了適應競賽的管理和服務需求,在超星學習通的基本功能上進行深度應用開發,形成規范的競賽管理。在超星學習通中建立競賽課程和班級,實施競賽報名和參賽學生的動態管理。建設計算機專業教師和其他各學科教師結合的教師團隊,充分發揮教師的全程指導作用,確保競賽活動的質量和成效。以參賽隊為單位進行全過程管理,管理員通過發布作業、分組任務、問卷調查等組織實施競賽過程中的作品提交、資料歸檔等管理職能。

四、探索成果

我校計算機通識教育從課程體系、教學方法、教學資源等多方面著手,打造新工科人才培養的教學環境,助推復合型人才的專業創新能力提升,成效顯著。自2021年來,計算機通識課程全面開展線上線下混合式教學,課程內容與時俱進。按照“兩性一度”標準打造的“數據科學技術與應用”“信息系統與數據庫技術”2門國家級一流本科課程,已開設13期線上課程,至今已為30多所學校提供在線課程教學服務。通過教學案例、實驗指導、MOOC等數字化優質資源和創新教學方法,持續發揮示范引領效應。

我校建立計算機應用能力創新實踐活動基地,并在全校本科生中組織學生參加競賽,拓展課外教學實踐,專業覆蓋面廣,輻射力強。以承辦國家級競賽“中國大學生計算機設計大賽國賽分賽區”為契機,探索專創融合實踐型人才培養方案。2021年至今,我校每年參與該項賽事學生300余人,提交作品100余項,獲得57項國家級獎項。通過以賽促教、以賽促學、以賽促創的實踐模式,提升了學生跨學科融合信息技術的能力,提高了應用型人才的培養質量。

五、結語

計算機通識教育堅持以學生為中心,將創新培養和自主學習的理念貫穿育人全過程。扎實的核心課程體系幫助學生構建前沿信息技術的知識系統,完善的實踐教學和技能培養方案激勵學生自主學習,在富有挑戰性的學科競賽中進行跨學科探索,逐漸形成“夯實信息素養、融合專業學科、培養創新能力”的人才培養新范式。面向新工科產業融合的需求,計算機通識教育將進一步加強產學合作,對接企業人才需求,引入和融合企業研究成果,加強產學研用協同育人。