新工科背景下大學計算機基礎課程體系建設與教學改革研究

李樹嵩

哈爾濱學院，黑龍江 哈爾濱 150076

新中國成立以來，為推動國家經濟建設和科學技術的進步，我國大力發展高等教育，加速人才培養并取得了極大的成果［1］。然而，隨著新興科學技術的不斷發展，原有的人才培養模式已經無法滿足新時代的工科人才需要［2］。在這種情況下，要充分依托信息技術革命所締造的各種新技術，例如大數據技術、互聯網技術、人工智能技術、5G 通信技術等［3-4］，開發新的人才培養模式，培養出新時代所需要的人才，這就是新工科人才培養給高等教育提出的最新需求。當前，大多數新技術都是依托計算機技術發展而來的。因此，必須搞好高等學校的計算機系列課程教學［5］。在計算機整個課程體系中，計算機基礎課程占有十分重要的地位，是學生了解計算機文化、學習計算機技術、開啟新工科技術學習的第一課［6］。為了適應新工科人才培養需要，本文致力于對大學計算機基礎課程進行教學改革，并探索以其為核心的課程體系建設。

一、基本概念界定

本文以新工科背景下的大學計算機基礎課程體系建設與教學改革研究為題，針對大學計算機基礎課程的教改工作展開研究，涉及的核心概念包括：新工科、課程體系等，下面逐一加以闡述，以便于開展后續的研究工作。

（一）新工科

工科人才培養，一直是高等學府為國家工業建設輸出人才的重要途徑。新中國成立以來，我國各大高等院校基本形成了機械、材料、能源等核心專業為框架的工業人才培養體系。然而，自20 世紀末計算機、互聯網技術深入發展之后，數字技術、信息技術大行其道，其迅猛發展的勢頭深刻改變了社會生產和人們的生活方式。在這種情況下，原有工業體系發生了深刻變化，社會需求也不斷變革。當前，國家和社會需要更多的依托新技術并能為新工業領域服務的工科人才。為此，教育部自2017 年以來，全面推進新工科建設，并引領國內高校興建新工科專業，做好新工科的人才培養工作。目前，大數據、云計算、物聯網、機器人、人工智能都是新工科的典型專業。

（二）課程體系

課程體系是指因所屬的專業相同或接近、課程內容接近或相關而關聯在一起的一系列課程的總和。這些課程共同為培養學生的專業知識和技能而服務，而從教學的流程上看，又分為一定的先后順序。本文中，大學計算機基礎是一門獨立的課程，但首先其是作為計算機專業的專業課程而存在的，因此計算機專業的其他課程都和大學計算機基礎課程存在一定的關聯，這些課程就可以共同組成計算機專業的課程體系，如計算機控制、程序設計、數據結構、操作系統、計算機組成原理、微機系統、計算機系統結構、編譯原理、計算機網絡、網絡計算等等。這里需要指出的是，大學計算機基礎除了是專業基礎課以外，還具有公共基礎課的性質。這是因為，大學計算機基礎講述了計算機文化、計算機軟件硬件必備的基礎知識。任何需要使用計算機的課程，都因此與大學計算機基礎課程產生了關聯。在這樣的情況下，很多其他課程也會與大學計算機基礎產生關聯。所以，大學計算機基礎的課程體系，所涵蓋的課程數量會比一般課程更加寬泛。

（三）CDIO

在本文進行的大學計算機基礎的課程體系建設和教學改革中，為了更好地聯系理論課程和實踐課程，采用了CDIO 培養模式。CDIO 培養模式是Conceive、Design、Implement、Operate 四個單詞的縮寫簡化。這四個單詞分別代表了構思、設計、實現和運作，也分別對應了CDIO 培養模式下的四個有機組成部分。CDIO 由美國麻省理工學院發起研究，致力于適應時代的人才培養，并將人才培養模式劃分為構思環節、設計環節、實現環節、運作環節。通過這樣四個環節，可以對知識傳授、課程講解進行更好的設計。CDIO 以產品為導向，致力于以產品產出過程為載體承接知識傳播和能力提升，這相比于純粹的理論教學、課堂教學，具有更大的吸引力，也具有更好的培養目標實現力。這也是為什么在本文的大學計算機基礎的課程體系建設中，要使用CDIO 理念的原因所在。通過CDIO，與大學計算機基礎課程相關的各課程內容都可以有機聯系在一起，并在產品產出過程維護思路下密切關聯。

二、大學計算機基礎課程教學存在的問題

作為計算機專業先導性的專業基礎課，甚至具有公共專業基礎課性質的大學計算機基礎課程，是絕大多數高等院校在大一就會開設的重要課程。多年以來，大學計算機基礎課程的教學工作，積累了寶貴的經驗。不同學校不同教學團隊，也從自身的實際情況出發，提出了很多與大學計算機基礎課程相關的教學改革設想。這些教學改革思路和措施，在很大程度上提升了大學計算機基礎課程的教學效果。然而，在新工科人才培養的背景之下，大學計算機基礎課程的教學工作仍然暴露出諸多問題，不利于以此課程為核心的課程體系建設。大學計算機基礎課程教學過程中存在的問題，包括：第一，沒有適應新工科背景的時代需求；第二，相關實驗教學方法單一內容陳舊；第三，缺乏課程體系教學的整體考量。下面，就從這三個方面加以詳細地闡述。

（一）沒有適應新工科背景的時代需求

新工科背景下，對人才培養提出了新的要求，這也是時代需要的必然體現。例如，新工科人才必須掌握大數據、數據挖掘、云計算、物聯網、人工智能等相關知識，以便于在今后的工作中能夠適應新工科任務的需求。在這樣的需求框架下，需要講授的課程就需要涵蓋新工科所涉及領域的常識性知識、具體應用案例、典型的實踐技能等等。但是，遍覽國內高等院校的大學計算機基礎課程，其使用教材、素材選擇、實踐案例等等教學內容中，和新工科相適應和匹配的內容少之又少，甚至完全處于空白狀態。當我們翻開一版再版的大學計算機基礎課程教材，很多教學內容仍然是從1945 年計算機誕生談起，一直沿用傳統教學思路。很多20 多年前的素材和案例仍在使用。這就使得學生們在學習大學計算機基礎課程的過程中，很難直接建立課程本身和新工科、新工科人才之間的關聯性。

（二）相關實驗教學方法單一內容陳舊

大學計算機基礎課程是一門具有很強實踐特征的課程，大多數高等學校配置的上機時間都超過了50%以上的課程學時。可以說，大學計算機基礎課程中，理論知識和實踐技能的培養，應該是平等分配甚至是實踐要更多。因為與計算機相關的理論知識，更多體現在計算機硬件和軟件的使用，這些就必須依賴于實驗教學環節來實現。所以，實驗學時、實驗教學在大學計算機基礎課程的教學工作中，占有十分重要的地位。也正因為如此，各高等學校對大學計算機基礎課程進行實驗課程的設置，都花費了很多心血，并且在多年以前就形成了比較成熟的教學模式，其中的案例素材都是反復使用。這固然體現出了穩定性的一面，但多年來實驗教學內容和教學方法并沒有太多革新和改進，相關內容陳舊，也和新工科要求有較大的出入。

（三）缺乏課程體系教學的整體考量

大學計算機基礎課程是整個計算機專業的前導課程、重要課程，并且以此為基礎形成計算機課程關系網絡，計算機控制、程序設計、數據結構、操作系統、計算機組成原理、微機系統、計算機系統結構、編譯原理、計算機網絡、網絡計算都在一定程度上要用到大學計算機基礎課程的內容。但是，在國內大多數高等學校，大學計算機基礎課程的教學內容，基本沒有過多涉及其與其他課程的關聯性，缺乏課程體系教學的整體考量。

三、大學計算機基礎課程體系建設的教學改革策略

在前面的研究中發現，大學計算機基礎課程在教學工作中存在很多問題，無法有效應對新工科背景下的人才培養問題。為此，本文從CDIO 理念出發，針對計算機基礎課程進行體系建設并提出改革策略，以適應新工科背景下的人才培養需要，具體的措施包括：基于CDIO 理念提出課程體系建設思路，實現計算機基礎課程體系整合建設，大力開發網絡教學平臺和個性化考試系統。

（一）基于CDIO 理念的課程體系建設思路

CDIO 理念的提出，已經有10 多年的時間，并且在實踐類較強的課程中表現出更好的教學效果。大學計算機基礎課程，本身就是實踐性較強的課程。與此同時，計算機類的大多數課程都特別注重實踐動手能力的培養。這與計算機專業課程有關，硬件和軟件知識的熟練掌握和應用，離不開有序、合理的實踐鍛煉。因此，本文認為計算機課程的體系建設，可以充分借鑒CDIO 理念，將大學所能接觸到的計算機課程進行整體規劃，在細致構思的基礎上進行實踐案例設計，進而引領學生在實踐中完成動手能力的培養，進而夯實理論知識的基礎。

（二）實現大學計算機基礎課程體系整合建設

在CDIO 課程體系建設的總體思路下，還要充分考慮課程體系的具體整合措施。大學計算機基礎作為計算機專業和公共專業的重要基礎課，前導作用價值十分明顯。尤其是大學計算機基礎的知識，可以成為多門后續計算機課程的引啟知識。因此，筆者建議將各門計算機課程都進行更為細致的分解，并從整體上進行課時的統籌分配。從操作上看，打破各門課程的內容限制，進行課程間的靈活配置組合，這樣更利于知識的順接。

（三）大力開發網絡教學平臺和個性化考試系統

作為新工科背景下的課程教學，必須充分依托各種新技術。互聯網技術是當前非常重要的技術，并由此開發而出的教學平臺，可以提供更加豐富的元素、更加多樣的教學方法，也更容易激發學生的學習興趣。同時，從人性化的教學理念出發，應該充分尊重學生的個性發展。這里很重要的一點，就是需要打破常規的統一考試模式。針對不同的學生，根據他們的起點差異、興趣差異、專業特長差異，設置個性化的考試系統，以個性化考試推動學生的個性化培養。