面向創新實踐能力培養的計算機基礎課程教學改革與實踐研究

賈萍　柳欣

關鍵詞：計算機基礎；計算思維；創新實踐能力；數據分析；Python語言

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）21-0131-04

0 引言

計算機基礎是我國高等院校各專業必修的公共基礎課程，其主要目標是提高學生的計算機素養和信息化軟件的運用水平。長期以來，該課程的教學內容以Windows操作系統、Access數據庫和Office系列辦公自動化軟件為主。當前，以云計算、人工智能和大數據為代表的信息技術正在各應用領域改變著人類的思維方式。計算思維是一種運用計算機科學的概念解決問題和理解人類行為的科學方法[1]，它已經逐漸成為各專業學生必須具備的素質和能力。2010年之后，我國高校的計算機基礎課程教學開始發生轉型，即在課程教學中增加有關程序設計語言的內容，培養學生的計算思維能力，實現從“以知識為導向”向“以能力為導向”的躍升，能在今后運用計算機技術解決本專業領域的實際問題[2]。

1 課程改革原因及現狀分析

計算機基礎課程面向的專業非常廣泛，同時這些專業的人才培養目標差異較大。筆者所在學校是一所以文科為主的應用型本科高校，在當前的人工智能和大數據時代背景下，教師在課程知識體系、課堂教學和實驗實訓方面面臨著諸多挑戰，迫切需要開展有針對性的理論和實驗教學改革。在改革之前，計算機基礎課程存在以下問題：（1） 學生基礎參差不齊。普遍對編程有畏難心理，這種情況給教師開展課程實驗教學帶來極大的挑戰。（2） 課程教學重語法輕應用。教師過分強調語句格式和語法規則，忽視了對計算思維和解決問題能力的培養。（3） 教學模式單一。在“課堂講授理論+上機操作+課后練習”的傳統教學方式下，學生無法成為教學活動的主體。（4） 不同專業的教學內容缺乏差異性。教師未能有效地開展差異化教學，導致學生無法將所學知識應用于本專業領域。（5） 考核方式單一。采用的考核方式未能體現課程“重應用”的特點，無法對學生解決實際問題的能力進行有效評價。

2 教學改革總體思路

2.1 教學內容改革

課程改革前，計算機基礎課程側重講授Access數據庫管理系統。該系統是典型的桌面型數據庫管理系統，并不適用于對大型數據庫的管理。隨著信息技術的發展，該內容已經無法適應人工智能、大數據時代的信息化發展現狀。2016年，教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會倡導推進面向計算思維培養的教學改革，并將Python語言列入備選的程序設計語言[3]。Python是一門功能強大、易于入門的程序設計語言。它有助于培養學生的計算思維能力，為他們今后通過編程實現數據獲取、存儲、分析和處理以及學習人工智能、機器學習等技術奠定基礎[4]。因此，筆者所在學校從2019年起將該語言作為所有非計算機專業計算機基礎課程的教學內容。

2.2 課程改革實施路徑

針對上述問題，在充分調研各專業培養目標基礎上，筆者從以下方面進行改革：（1） 精煉語法部分，補充有關第三方庫資源使用的教學內容。（2） 強化計算思維訓練，培養學生分析和解決問題的能力、團隊協作能力以及創新能力。（3） 綜合運用多種教學方法并且改革課程考核方式，實現從以“教師為中心”向以“學生為中心”的轉變，增強學生的創新實踐能力，其具體表現是能通過Python語言編程和互聯網獲取有效數據并進行分析。

3 課程體系設計

3.1 課程目標制定

改革后的課程目標以培養學生的編程實踐能力為出發點，以Python語言語法、面向對象程序設計和數據分析可視化為主要教學內容，使學生初步具備利用Python語言解決本專業實際問題的應用開發能力，初步形成計算思維，為后續的專業課程學習奠定基礎。

3.2 課程教學設計

1） 教學內容劃分

根據課程目標，筆者從數據分析的角度將課程內容劃分為以下模塊，即基本語法模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、數據分析與可視化模塊。基本語法模塊主要介紹基礎語法和基本程序結構等方面的知識；數據獲取模塊介紹Requests爬蟲框架及頁面解析技術；數據處理模塊介紹Numpy 矩陣運算、經典分類以及聚類算法；數據存儲模塊介紹數據存儲和SQLite 數據庫技術；數據可視化模塊介紹基于Numpy、Pandas等庫的圖形繪制。上述模塊可進一步劃分為基礎知識、能力培養和實際應用三個層次（如圖1所示）。其中，基礎知識層次可以滿足各專業學生的普遍需求。能力培養層次包括基本算法和高級數據結構，要求學生對實際問題進行整體的抽象化和數字化，最終以編程問題的形式進行思考和討論，提升抽象類比的計算思維能力。實際應用層次要求教師設計符合各專業需求的專題應用，引導學生結合所學專業背景完成綜合性的程序設計任務。課程各模塊的具體內容以及學時安排如表1所示。

2） 教學方法運用

為了實現上述教學改革目標，筆者在課堂教學中融入以下的教學方法：

① 項目教學法

項目教學法是一種以建構主義理論為指導的教學方法，要求教師事先選取實際項目，并對項目內容進行分解。在教學過程中，教師先向學生進行示范，然后組織學生以小組為單位對項目任務進行討論，并以協作方式達成學習目標。此種教學方法促進學生對知識進行探究，有助于提升學生對知識的綜合應用能力，培養學生的創新實踐能力和協作精神[5]。例如，在講授變量、流程控制、函數、模塊之后，筆者設計了名片系統管理項目（具體內容如表2所示）。該項目的教學難點是如何使學生理解順序結構的概念和重要性。為此，筆者在準備教案和開發名片管理系統案例時注重展現程序的順序執行。在教學過程中，強調順序結構“一步一步”執行的特點。學生通過完成該項目的開發，可以加深對程序順序執行過程的理解。

② 案例教學法

案例教學法是一種“自下而上”的教學方法，它要求教師通過選取教學案例創建知識運用的具體情境，引導學生圍繞情境中的問題展開討論，最終提煉出知識結論。在選取案例時，需要注重以下特征，即真實性、典型性、情境性、問題性和理論性[6]。在教學過程中，筆者引入了許多貼近現實生活且兼具趣味性的案例。以政府工作報告詞云制作為例，該案例要求學生突出顯示政府工作報告中出現頻率較高的關鍵詞，形成“關鍵詞云層”，從而幫助瀏覽者輕松領略文本主旨。該案例融入了文件讀取、分詞整理、設置輸出詞云、觀察結果、優化迭代等技術，對政府工作報告進行可視化展示。筆者在教學過程中融入了思政元素，使授課內容豐富有趣，顯著改善了教學效果。

③ 任務驅動法

任務驅動教學是指教師將待講授的概念、原理、技術以學習任務的形式進行呈現。在教學過程中，教師通過任務向學生明確教學內容，要求學生根據任務指示參與教學活動，以循序漸進的方式完成多個任務，并且在參與過程中獲得知識[7]。該方法通過完成任務激發和維持學生學習的興趣和動機，真正地實現了以學習者的學習為中心[8]。比如，在講授循環語句部分時，筆者設計一個猜數字游戲的情景，并通過以下的問題設計開展問題驅動教學：（1） 為了讓計算機生成一個隨機數，可以采用何種方式實現？（2） 在猜數過程中，計算機需要對數字的大小進行判斷。你認為應當使用何種程序結構進行實現呢？（3） 當玩家猜錯數字之后，系統允許其繼續進行數字猜測。對此，應當采用何種程序結構實現呢？在上述問題的驅動下，學生逐步地完成了整個任務的學習。

3.3 課程考核與評價

為了提高課程考核評價方式的多樣性、客觀性以及激發學生的學習動力，筆者引入了多元化的課程考核評價方法。具體評價方法如下：總評成績=期末成績×50%+過程性考核成績×50%。其中，期末考試采用閉卷機考方式。過程性考核包括平時表現、課后自主學習、隨堂測試、實驗報告和綜合項目報告5種考核形式，它們在過程性考核成績中分別占比5%、20%、15%、10%、50%。其中，平時表現側重考查學生課堂表現（如出勤情況，課堂回答問題、參與討論的情況）。課后自主學習側重考查學生課后自主學習的完成情況（如課前預習微課、預習測試、課后自測等）。隨堂測試側重考查學生對基本知識點的掌握情況。實驗報告側重考查學生的編程實踐能力以及實驗報告撰寫質量。綜合項目報告側重考查學生在綜合運用所學知識分析和解決問題、團隊協作以及思維創新方面的表現。各考核項目的比例分配以及評價標準如表3 所示。

4 課程改革效果

2019年至2022年期間，筆者共開展了4輪教學改革，全校各專業期末平均成績整體上呈逐年上升趨勢（具體如表4所示）。

此外，筆者在結課后采用問卷星等工具開展匿名問卷調查，以期根據學生的反饋改進課程教學。在“2022-2023學年第1學期”的問卷調查中，筆者面向財務管理、審計學、會計學等9個專業的學生發布調查問卷，有效回收問卷439份。針對問題“你對本學期的課堂教學效果作何評價？”，67.65%的學生認為“教師在實驗課上布置的項目任務非常實用”，71.3%的學生認為“通過學習教師在課堂上介紹的案例，開闊了眼界”，71.3%的學生認為“在完成教師布置的任務的同時，獲得了學習上的成就感”（具體如圖2所示）。針對問題“你認為，本學期的教學內容對自己今后的專業學習是否有幫助？”，34.85%的學生認為“幫助很大”，57.4%的學生認為“有所幫助”（具體如圖3所示）。

5 結論

針對應用型本科高校非計算機專業計算機基礎課程教學面臨的困境，筆者開展了面向創新實踐能力培養的課程教學改革，并取得了較好的效果。應當承認的是，該課程的改革還有待進一步深入，具體表現在以下方面：①學生尚缺乏對編程思想的整體把握且程序調試技術有待提高。②部分學生的實踐能力仍有欠缺。③在課程結束后有意愿繼續深入學習編程技術的學生比例有待提高。

今后改革目標： ①通過改進教學設計，激發學生的學習興趣，提高編程能力，促進計算思維的培養。②推動教學內容與學生所在專業的深度融合，開發面向專業創新實踐能力培養的實習實訓案例庫。③引入更為靈活的教學方法，提高學生的參與度，釋放他們的學習熱情。