“計算思維+人工智能”賦能大學(xué)計算機課程教學(xué)改革與創(chuàng)新

關(guān)鍵詞：計算思維；人工智能；大學(xué)計算機；教學(xué)改革；人才培養(yǎng)

0 引言

高校大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育承載著高等教育階段的重要使命，即培養(yǎng)非計算機專業(yè)學(xué)生具備計算思維能力。計算思維作為一種與理論思維和實驗思維并駕齊驅(qū)的思維模式，已成為“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)和人工智能時代不可或缺的思維工具，也是大學(xué)生必須具備的重要素養(yǎng)[1]。2024年兩會政府工作報告強調(diào)“人工智能+”理念，培育一批具備解決社會和自然問題能力的計算思維人才，促進高校高質(zhì)量教育體系建設(shè)，推動高校計算機人才培養(yǎng)質(zhì)量的全面提升。本文聚焦于應(yīng)用型本科高校大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程在教學(xué)內(nèi)容重塑、教學(xué)模式改革以及教學(xué)質(zhì)量評價等方面的教學(xué)改革與創(chuàng)新探索，為提升計算機教學(xué)水平，培養(yǎng)一流的應(yīng)用型人才提供新思路。

1 高校大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育中的問題與困境

非計算機專業(yè)的計算機課程長期以來一直是教學(xué)改革的關(guān)鍵領(lǐng)域和難點所在。當前，大學(xué)計算機課程的教學(xué)目標已經(jīng)發(fā)生了深刻變革，它不再局限于教授學(xué)生如何操作計算機及其軟件，也不再僅僅聚焦于程序設(shè)計基礎(chǔ)技能的訓(xùn)練。高校計算機基礎(chǔ)教學(xué)必須與時俱進，持續(xù)推動創(chuàng)新，以適應(yīng)快速發(fā)展的信息時代[2-4]。但目前高校計算機基礎(chǔ)教學(xué)仍面臨以下一些問題和困境。

1.1 學(xué)生計算機水平參差不齊

由于本課程主要面向大學(xué)一年級學(xué)生，學(xué)生群體的計算機基礎(chǔ)呈現(xiàn)出顯著的差異性。不同省份、不同學(xué)校的學(xué)生在計算機掌握能力上存在明顯的差距，這種差異化的起點使得學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時面臨不同的挑戰(zhàn)。在教學(xué)改革中，必須堅守“學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，充分尊重學(xué)生的個性差異和認知特點。探索并實踐混合式教學(xué)模式，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，幫助學(xué)生根據(jù)自身的學(xué)習(xí)進度和能力水平進行自主學(xué)習(xí)，從而實現(xiàn)教學(xué)目標的統(tǒng)一與學(xué)生個體差異的尊重之間的良好平衡。

1.2 課程學(xué)分不斷壓縮

大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的內(nèi)容廣泛而深入，涵蓋了計算機多個專業(yè)領(lǐng)域的知識，然而教學(xué)課時卻相對有限。在有限的時間內(nèi)高效完成教學(xué)任務(wù)并達成教學(xué)目的，必須對教學(xué)內(nèi)容進行精細的優(yōu)化和篩選。突出計算思維的核心地位，注重將計算思維以潛移默化的方式融入教學(xué)中，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自然而然地理解和接受這一重要思維模式。在教學(xué)過程中，強化學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)的同時，還要積極推進物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的普及和應(yīng)用，讓學(xué)生掌握最新的技術(shù)知識和技能。

1.3 課程教學(xué)團隊不斷萎縮

從教育資源配置的角度來看，高校可能更傾向于將資源投入一些看似更“熱門”、更“前沿”的專業(yè)領(lǐng)域，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，往往得不到足夠的重視和投入。高校應(yīng)該加大對計算機基礎(chǔ)課程的投入力度，吸引更多優(yōu)秀的教師加入教學(xué)團隊，加強課程的教學(xué)改革和創(chuàng)新，探索更適合學(xué)生需求和時代特點的教學(xué)方法和手段。同時，加強對學(xué)生計算機素養(yǎng)的培養(yǎng)和引導(dǎo)，提高學(xué)生對計算機基礎(chǔ)課程的認識和重視程度。

2 重塑課程知識體系

2.1 知識體系設(shè)計

以“計算思維+人工智能”為核心，持續(xù)強化大學(xué)生“計算思維”能力培養(yǎng)，不斷推進高校大學(xué)計算機課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新，重塑課程知識體系，從問題抽象、自動化實現(xiàn)到問題抽象、智能化實現(xiàn)，知識體系如圖1所示。課程分為理論環(huán)節(jié)與實踐環(huán)節(jié)，精心劃分為多個部分，涵蓋符號化、計算化與自動化的基本原理，程序與遞歸的核心概念，機器執(zhí)行程序的機制，以及復(fù)雜環(huán)境下程序的執(zhí)行過程等，探討計算機語言、算法思維、數(shù)據(jù)化思維與人工智能思維，使學(xué)生具備計算系統(tǒng)的基本理解能力、培養(yǎng)學(xué)生問題抽象、分析與求解能力，以及計算技術(shù)的交叉融合能力，為學(xué)生提供全面的知識架構(gòu)。

2.2 分層式理論教學(xué)內(nèi)容

在分層式教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的計算思維能力和基礎(chǔ)知識掌握情況，將學(xué)生分為不同的層次。對于基礎(chǔ)比較薄弱的學(xué)生，注重基礎(chǔ)知識的講解和計算思維的基本訓(xùn)練，幫助學(xué)生逐步建立計算思維的概念和方法；對于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，則注重深入探究計算思維的原理和應(yīng)用，引導(dǎo)他們進行更高層次的思維活動。在教學(xué)內(nèi)容上，結(jié)合具體的案例和實踐項目，讓學(xué)生在解決實際問題的過程中培養(yǎng)計算思維。以程序與算法教學(xué)為例，確定知識圖譜的主要節(jié)點和它們之間存在一定的邏輯和層次關(guān)系，這些關(guān)系構(gòu)建知識圖譜的框架，如圖2所示。圖中代表知識（K） 、思維（T） 、問題（Q） 、示例（E） 及練習(xí)（P） 。主要的節(jié)點包括：算法及其描述（流程圖）、算法復(fù)雜性、算法設(shè)計基礎(chǔ)（迭代、遞歸、窮舉等）、常用算法簡單排序、順序查找、二分查找、常見數(shù)值計算方法和簡單字符串處理。

在程序與算法教學(xué)中融入不同層次思維能力的培養(yǎng)。例如，在介紹算法設(shè)計知識時，可以引導(dǎo)學(xué)生思考如何選擇合適的算法策略來解決問題，為了檢驗學(xué)生對知識點的掌握情況，設(shè)計相應(yīng)的問題，這些問題可以分選擇題、填空題、簡答題或編程題等，檢驗學(xué)生對不同層次知識的理解和應(yīng)用能力。在每個知識點下，提供具體的示例幫助學(xué)生更好地理解知識點，并將其應(yīng)用到實際問題中。例如，在介紹二分查找算法時，可以提供一個數(shù)組和一個目標值，展示如何使用二分查找算法找到目標值在數(shù)組中的位置。針對單個知識點或是綜合多個知識點，安排適量的練習(xí)，通過完成這些練習(xí)，學(xué)生可以加深對知識點的理解和記憶，提高解決問題的能力。

2.3 分層式實踐教學(xué)內(nèi)容

在設(shè)置大學(xué)計算機實踐內(nèi)容時，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)階段和能力水平，將實踐內(nèi)容劃分為三個層次：認知性實驗、設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗[5]。這三個層次不僅有助于學(xué)生逐步深入理解計算機科學(xué)和技術(shù)的原理與應(yīng)用，還能夠激發(fā)他們的創(chuàng)新能力。

認知性實驗是計算機實踐內(nèi)容的初級層次，幫助學(xué)生建立對計算機科學(xué)和技術(shù)的基本認知。內(nèi)容可以包括：計算機系統(tǒng)、編程語言基礎(chǔ)：如Python編程語言的入門學(xué)習(xí)，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、基本算法、控制結(jié)構(gòu)等基本概念的掌握。通過認知性實驗，學(xué)生可以初步了解計算機科學(xué)和技術(shù)的基本知識和操作，為后續(xù)的實驗內(nèi)容打下基礎(chǔ)。

設(shè)計性實驗是計算機實踐內(nèi)容的中級層次，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力和解決問題的能力。實驗內(nèi)容應(yīng)注重算法設(shè)計、軟件設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計的訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題。可以包括：算法設(shè)計與實現(xiàn)，如排序算法、搜索算法等的設(shè)計和實現(xiàn)。軟件開發(fā)，如基于特定需求的簡單軟件的開發(fā)，包括需求分析、設(shè)計、編碼、測試等過程。小型系統(tǒng)設(shè)計與搭建，如構(gòu)建一個簡單的網(wǎng)站或數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。通過設(shè)計性實驗，學(xué)生可以進一步加深對計算機科學(xué)和技術(shù)的理解，提高解決實際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作能力。

創(chuàng)新性實驗是計算機實踐內(nèi)容的高級層次，主要目的是激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和探索能力。實驗內(nèi)容應(yīng)注重前沿技術(shù)的探索和研究性項目的開展。可以包括：前沿技術(shù)探索，如人工智能、大數(shù)據(jù)、圖像識別等前沿技術(shù)的研究和應(yīng)用。研究性項目如基于實際問題的科研項目或創(chuàng)新項目的開展，包括文獻綜述、方案設(shè)計、實驗實施、結(jié)果分析等環(huán)節(jié)。競賽與實踐活動，如參加計算機設(shè)計競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等活動，通過實踐鍛煉提升自己的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。通過創(chuàng)新性實驗，學(xué)生可以深入了解計算機科學(xué)和技術(shù)的前沿動態(tài)，培養(yǎng)獨立思考和解決問題的能力，為未來的科研和職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

2.4 分層式能力培養(yǎng)

通過分層次教學(xué)內(nèi)容，可以有效地培養(yǎng)不同層次的計算機應(yīng)用能力，以滿足學(xué)生的個性化需求和促進其全面發(fā)展，如圖3所示。

具備對計算系統(tǒng)的基本理解能力，能夠理解計算機、互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)運作的核心原理，形成對信息技術(shù)基礎(chǔ)框架的清晰認知。

具備問題抽象、分析與求解能力，能夠靈活地將復(fù)雜問題抽象化，進行深入分析，并通過編程實現(xiàn)問題的有效求解。同時，具備對解決方案進行評價、反饋和優(yōu)化的能力，以不斷提升問題解決的效果。

具備計算技術(shù)的交叉融合應(yīng)用，能夠熟練進行數(shù)據(jù)組織與管理、分析、可視化以及智能化應(yīng)用等操作。此外，還具備與現(xiàn)代工具合作研究的能力，能夠運用現(xiàn)代信息技術(shù)工具進行數(shù)據(jù)的分析評價，展現(xiàn)出強大的綜合應(yīng)用能力。

具備信息鑒別能力，能夠明辨是非，承擔(dān)社會責(zé)任，恪守信息倫理。在工程項目中，能夠與他人進行良好的網(wǎng)絡(luò)交流，展現(xiàn)持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。同時，注重個人素養(yǎng)的培養(yǎng)，具備可持續(xù)發(fā)展能力，無論是在個人還是團隊任務(wù)中，都能有效溝通，保持終身學(xué)習(xí)的態(tài)度。

3 教學(xué)模式改革

課程教學(xué)采用“MOOC+SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂”線上線下混合式教學(xué)模式。選擇中國大學(xué)MOOC上的國家級精品課程為資源，進一步建設(shè)符合自己學(xué)校237acdb91cf6faaf2ba73503b4212c89f40774bcc83a49a2532527f10767f871特色的SPOC資源，SPOC包括課程介紹、課程大綱、課程考核標準、教學(xué)進度、教學(xué)課件、教學(xué)的重難點、線上章節(jié)測試、課后討論題庫等教學(xué)必備資源。增設(shè)人工智能的課程內(nèi)容，錄制人工智能相關(guān)應(yīng)用案例教學(xué)視頻。這些資源的提供，讓學(xué)生能夠隨時隨地開展自主學(xué)習(xí)，更好地掌握和深化對人工智能領(lǐng)域的學(xué)習(xí)。

翻轉(zhuǎn)線下實體課堂的教學(xué)方式包括師講生聽、以練代講、生講生評、研討辯論。以學(xué)生為中心，分析不同專業(yè)學(xué)生特點，在進行線上線下混合式教學(xué)設(shè)計前，需要充分了解學(xué)生學(xué)習(xí)能力、專業(yè)需求、學(xué)科交叉等方面，根據(jù)不同專業(yè)特點與線上線下的教學(xué)資源相結(jié)合，按照所選課題進行分組調(diào)研、分組討論，研討內(nèi)容最終以課程論文的形式上交，由教師和同學(xué)共同給出評分。

加強實踐教學(xué)，結(jié)合人工智能行業(yè)，進行校企產(chǎn)學(xué)研合作，邀請企業(yè)專家和工程師參與課程建設(shè)、課程目標的制定、先進的知識理念和實踐環(huán)節(jié)的建設(shè)等。把企業(yè)的人工智能課程資源融入大學(xué)教學(xué)課堂，為學(xué)生提供更多的實踐機會和資源，充分體現(xiàn)課程高階性、實踐性和開放性，提升學(xué)生綜合能力。在掌握計算思維和人工智能思維的基本方法與工具的過程中，深化學(xué)生對專業(yè)知識的理解與運用，主動思考并借助人工智能技術(shù)，實現(xiàn)所學(xué)專業(yè)的創(chuàng)新升級，推動所學(xué)專業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展。

實現(xiàn)豐富多元化的過程性考核方式，包括課堂討論、小組作業(yè)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)來考查學(xué)生的線上學(xué)習(xí)時長、線上測試成績，學(xué)習(xí)論壇的活躍度，教師實時掌握和判斷不同學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)態(tài)度以及學(xué)習(xí)效果，不斷調(diào)整教學(xué)進度，制訂合理的輔導(dǎo)答疑方案。

4 教學(xué)質(zhì)量評價及改革成效

為了持續(xù)提升教學(xué)質(zhì)量與效果，引入教學(xué)評價機制，客觀評估學(xué)生的學(xué)習(xí)成效以及教師的教學(xué)水平，并提供及時的反饋，靈活調(diào)整教學(xué)計劃和內(nèi)容，不斷優(yōu)化教學(xué)流程，從而確保教學(xué)工作的持續(xù)改進與發(fā)展。常熟理工學(xué)院于2021年11月，將本課程認定為校級一流課程。課程于2022年9月在愛課程平臺實施，至2023年12月已有近4 500名學(xué)生選課。SPOC 個性化學(xué)習(xí)平臺，滿足了學(xué)生任務(wù)型自主學(xué)習(xí)模式的教學(xué)資源，課程得到學(xué)校和學(xué)生一致好評。學(xué)生們普遍對老師的專業(yè)素養(yǎng)和教學(xué)能力給予了高度評價，翻轉(zhuǎn)課堂管理和課堂氛圍營造表示了贊賞，學(xué)生們對教學(xué)改革也表示了認可和支持。教學(xué)改革使得課程內(nèi)容更加貼近實際，教學(xué)方式更加靈活多樣，能夠更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。近三年，教學(xué)團隊出版教材1本，主持和參與省級教改項目6項，發(fā)表省級教研論文9篇，指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競賽獲得國家級三等獎2項，省級獲獎20余項。2023年獲蘇州市人工智能學(xué)會教學(xué)成果一等獎，2023年榮獲第二屆全國高校計算機課程思政教學(xué)案例設(shè)計大賽三等獎。

5 結(jié)束語

以計算思維能力培養(yǎng)為核心，循序漸進地引導(dǎo)學(xué)生從“計算思維”向“人工智能”思維深化。通過課程內(nèi)容體系和教學(xué)方法的改革，將人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)融入對計算系統(tǒng)的理解。根據(jù)專業(yè)差異化需求，強調(diào)“多學(xué)科”與“計算思維”的緊密結(jié)合，實現(xiàn)目標導(dǎo)向的新時代“專業(yè)+計算”的賦能教育，推動學(xué)生的計算思維與各專業(yè)思維的交叉融合。這樣的教學(xué)改革為學(xué)生今后設(shè)計、構(gòu)造和應(yīng)用各種計算系統(tǒng)解決學(xué)科問題奠定堅實的思維基礎(chǔ)。同時，結(jié)合所在高校的特點，設(shè)計具有針對性的課程內(nèi)容體系，以滿足不同專業(yè)、不同層次學(xué)生的需求，實現(xiàn)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的個性化與差異化發(fā)展。