新工科背景下基于OBE理念的計算機(jī)類課程建設(shè)探索

摘 要：新工科建設(shè)要求計算機(jī)類課程培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力的復(fù)合型人才。針對傳統(tǒng)課程教學(xué)存在的專業(yè)素養(yǎng)低、思維能力弱、格局視野小等問題，剖析新工科與OBE（成果導(dǎo)向教育）理念的耦合邏輯，提出新工科背景下基于OBE理念的計算機(jī)類課程建設(shè)思路。通過教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)模式改革、評價體系創(chuàng)新和教學(xué)隊伍提升推進(jìn)計算機(jī)類課程的教學(xué)改革，形成“目標(biāo)—教學(xué)—評價”閉環(huán)。

關(guān)鍵詞：新工科；OBE；計算機(jī)類；課程

隨著全球科技競爭邁入“智能+”時代，新工科建設(shè)已經(jīng)成為我國高等教育改革的戰(zhàn)略核心。教育部于2022年發(fā)布的《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》明確指出，應(yīng)“以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，推動學(xué)科深度交叉融合”，并要求計算機(jī)教育從傳統(tǒng)的“工具性學(xué)科”轉(zhuǎn)變?yōu)椤百x能型學(xué)科”[1]。以華為《全球產(chǎn)業(yè)展望2025》的數(shù)據(jù)為參考，未來三年內(nèi)，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等領(lǐng)域的人才缺口預(yù)計將超過500萬，特別是那些既掌握核心技術(shù)又具備跨領(lǐng)域?qū)嵺`能力的復(fù)合型人才尤為稀缺[2]。在這樣的背景下，計算機(jī)教育的范式重構(gòu)顯得尤為迫切。其中，計算機(jī)類課程的改革與創(chuàng)新，成了關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和重要途徑。

一、目前計算機(jī)教育存在的主要問題

與傳統(tǒng)工科相比，新工科更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，新工科人才應(yīng)該具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力[3]。然而，在當(dāng)前計算機(jī)類專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生在專業(yè)綜合素養(yǎng)的認(rèn)知層面存在不足，理論基礎(chǔ)顯得淺薄；在能力方面，應(yīng)用基礎(chǔ)知識不牢固，創(chuàng)新意識不強(qiáng)；在價值情感方面，課程思政和價值觀的引導(dǎo)不夠充分，自主學(xué)習(xí)的內(nèi)在動力不足。這些問題[4-7]綜合起來，主要體現(xiàn)在以下三個方面。

（一）專業(yè)素養(yǎng)低，理論與實(shí)踐雙重脫節(jié)

一是知識結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)碎片化現(xiàn)象。課程體系中存在偏重技術(shù)而輕視理論的傾向，例如，一些院校減少了離散數(shù)學(xué)、算法分析等理論課程的課時，這使得學(xué)生難以構(gòu)建起一個系統(tǒng)化的知識體系，進(jìn)而導(dǎo)致在開發(fā)底層系統(tǒng)時出現(xiàn)原理性錯誤。二是實(shí)踐教學(xué)與產(chǎn)業(yè)需求之間存在滯后現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多采用虛擬化案例，與真實(shí)工程場景脫節(jié)，導(dǎo)致畢業(yè)生需要經(jīng)歷較長的適應(yīng)期才能勝任實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)。三是評價機(jī)制存在失衡問題。課程的標(biāo)準(zhǔn)化考試占據(jù)較大比重，這導(dǎo)致學(xué)生陷入“刷題式學(xué)習(xí)”的困境。

（二）思維能力弱，創(chuàng)新鏈斷裂與失衡

一是缺乏批判性思維的培養(yǎng)。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，案例教學(xué)往往提供標(biāo)準(zhǔn)答案，而大多數(shù)課程設(shè)計僅要求學(xué)生復(fù)現(xiàn)經(jīng)典模型，這導(dǎo)致批判性思維訓(xùn)練的缺失。二是解決復(fù)雜問題的能力不足。在ACM-ICPC等國際學(xué)科競賽中，中國參賽隊伍在算法實(shí)現(xiàn)階段展現(xiàn)出的優(yōu)勢與需求分析階段展現(xiàn)出的不足形成鮮明對比，顯示出學(xué)生的技術(shù)能力與系統(tǒng)工程思維之間存在明顯的斷裂。三是跨學(xué)科整合障礙。在一些涉及多學(xué)科交叉的課程中，只有少數(shù)學(xué)生能夠?qū)⒂嬎銠C(jī)科學(xué)與其他學(xué)科領(lǐng)域的知識結(jié)合起來解決問題，這反映出課程之間存在顯著的“知識孤島”現(xiàn)象。

（三）格局視野小，教育生態(tài)封閉單一

一是知識體系存在顯著的割裂性缺陷。復(fù)合型課程（例如計算生物學(xué)、金融科技）的開設(shè)比例較低，而同質(zhì)化課程的比例較高，這導(dǎo)致學(xué)生難以有效地將計算機(jī)技術(shù)與其他學(xué)科知識進(jìn)行整合。二是專業(yè)倫理意識較為薄弱。大多數(shù)學(xué)校未開設(shè)“人工智能倫理”等相關(guān)課程，即便開設(shè)了此類課程，其授課內(nèi)容也多停留在理論層面，缺乏在設(shè)計實(shí)踐中對隱私保護(hù)、公平性等倫理維度的考量。三是行業(yè)認(rèn)知存在局限性。學(xué)生的職業(yè)目標(biāo)往往局限于傳統(tǒng)行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)大型企業(yè)，對于智能制造、智慧醫(yī)療等新興領(lǐng)域的認(rèn)知度不足。

針對以上問題，本課題梳理出計算機(jī)類課程改革需要解決的痛點(diǎn)問題和對應(yīng)的改革策略，如圖1所示。

二、新工科與OBE理念的耦合邏輯

新工科與OBE（Outcome-Based Education，成果導(dǎo)向教育）理念的耦合邏輯，本質(zhì)上是以未來產(chǎn)業(yè)需求為目標(biāo)的教育模式重構(gòu)，通過目標(biāo)驅(qū)動、能力倒推、動態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)工程人才培養(yǎng)的范式轉(zhuǎn)型。

（一）新工科對計算機(jī)教育的范式重構(gòu)

1. 知識結(jié)構(gòu)的重構(gòu)

傳統(tǒng)的計算機(jī)課程體系以編程語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)理論為核心，形成了“樹狀”的知識結(jié)構(gòu)。然而，新工科教育要求構(gòu)建一個“網(wǎng)狀”的能力體系，具體體現(xiàn)在以下三個方面：首先是縱向深化，即強(qiáng)化算法設(shè)計與優(yōu)化能力，要求掌握分布式計算框架（例如Spark）、深度學(xué)習(xí)加速技術(shù)（例如CUDA編程）等新興技術(shù)；其次是橫向拓展，即增加“AI+”系列交叉課程模塊，整合了多學(xué)科的知識；最后是動態(tài)更新，即建立課程內(nèi)容的動態(tài)調(diào)整機(jī)制，實(shí)時獲取產(chǎn)業(yè)案例，定期更新教學(xué)素材。

2. 培養(yǎng)模式的升級

新工科的推進(jìn)促使工程教育的培養(yǎng)場景從傳統(tǒng)的“封閉式實(shí)驗(yàn)室”向“開放式創(chuàng)新生態(tài)”轉(zhuǎn)變，這一過程本質(zhì)上是對工程教育時空場域的重構(gòu)。受限于固定設(shè)備與預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)手冊，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室使得大多數(shù)工程專業(yè)學(xué)生在首次接觸工業(yè)級開發(fā)環(huán)境時，需要在企業(yè)中接受二次培訓(xùn)。而開放式創(chuàng)新生態(tài)通過三個維度對培養(yǎng)體系進(jìn)行了重構(gòu)：首先，教學(xué)資源的整合，將企業(yè)級開發(fā)平臺、產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)中臺以及云端算力資源融入教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生能夠在虛實(shí)融合的環(huán)境中直接操作工業(yè)級數(shù)字孿生系統(tǒng)，并同步接觸最新的技術(shù)工具鏈；其次，培養(yǎng)主體的擴(kuò)展，構(gòu)建了一個由高校、科研院所、行業(yè)龍頭企業(yè)、初創(chuàng)企業(yè)、認(rèn)證機(jī)構(gòu)等組成的教育共同體，共同指導(dǎo)學(xué)生開展工程項(xiàng)目，形成“真問題—真技術(shù)—真應(yīng)用”的閉環(huán)，迫使學(xué)生直面技術(shù)可行性、成本控制、倫理合規(guī)等現(xiàn)實(shí)問題；最后，能力評價的升級，建立了一個基于數(shù)字足跡的動態(tài)評價體系，通過代碼倉庫貢獻(xiàn)度、開源社區(qū)影響力、技術(shù)方案迭代日志等過程性數(shù)據(jù)，多維度驗(yàn)證學(xué)生解決“定義模糊、邊界開放”的復(fù)雜工程問題的能力。這種轉(zhuǎn)變打破了人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新之間的時空壁壘，使學(xué)生在真實(shí)技術(shù)演進(jìn)周期中同步完成知識重構(gòu)、技能進(jìn)階與價值塑造，形成應(yīng)對技術(shù)不確定性的自適應(yīng)能力。

3. 評價維度的革新

新工科教育理念強(qiáng)調(diào)對評價體系的根本性革新，旨在打破傳統(tǒng)教育中以分?jǐn)?shù)為唯一標(biāo)準(zhǔn)的評價模式，構(gòu)建一個適應(yīng)于培養(yǎng)復(fù)雜工程創(chuàng)新能力的多元化評價體系。傳統(tǒng)評價體系主要關(guān)注對離散知識點(diǎn)的考核和標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)報告的撰寫，這導(dǎo)致學(xué)生往往局限于“技術(shù)模仿者”的角色，難以滿足產(chǎn)業(yè)界對跨學(xué)科整合、系統(tǒng)設(shè)計以及倫理決策等復(fù)合能力的需求。新工科教育通過以下三個方面的范式重構(gòu)來革新評價維度：首先，以能力為導(dǎo)向取代單純的知識本位，將“解決復(fù)雜問題”“多目標(biāo)權(quán)衡”等高級能力指標(biāo)融入評價體系，全面考查學(xué)生從需求分析到原型驗(yàn)證的全過程思維；其次，過程性數(shù)據(jù)補(bǔ)充結(jié)果性分?jǐn)?shù)，利用代碼提交頻次、協(xié)作溝通記錄、迭代改進(jìn)軌跡等數(shù)字足跡，構(gòu)建動態(tài)能力畫像，以揭示隱性工程素養(yǎng)的成長軌跡；最后，動態(tài)反饋機(jī)制突破靜態(tài)評價，根據(jù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖的變化實(shí)時更新評價標(biāo)準(zhǔn)，將新興領(lǐng)域的技術(shù)合規(guī)性要求轉(zhuǎn)化為課程項(xiàng)目的必要評估要素。這種革新使得評價體系從“測量工具”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝藢?dǎo)航儀”，為新工科培養(yǎng)能夠“定義未來問題”的變革者提供了核心支撐。

（二）OBE理念的迭代升級

自20世紀(jì)80年代被提出以來，OBE理念經(jīng)歷了三次重要的演變，其發(fā)展路徑與教育技術(shù)的進(jìn)步緊密相連。2021年，在IEEE教育工程會議上提出的“OBE 3.0”概念，標(biāo)志著該理念正式邁入智能化時代。

OBE 3.0體現(xiàn)了成果導(dǎo)向教育的高級形態(tài)，其核心特點(diǎn)在于動態(tài)性、智能化及生態(tài)化，致力于打造一個能夠應(yīng)對技術(shù)快速演進(jìn)的人才培養(yǎng)體系，主要包括：（1）動態(tài)目標(biāo)生成。借助產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)實(shí)時解析技術(shù)趨勢，動態(tài)調(diào)整能力指標(biāo)矩陣，確保教育目標(biāo)與產(chǎn)業(yè)需求保持同步更新。（2）虛實(shí)融合評價。利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，追蹤學(xué)習(xí)行為以生成動態(tài)能力畫像，并結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)確保能力證據(jù)鏈的可信性。（3）復(fù)雜系統(tǒng)思維。采用系統(tǒng)動力學(xué)建模技術(shù)，模擬技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、倫理等多方面因素的相互作用，培養(yǎng)學(xué)生在面對復(fù)雜約束時的決策能力。（4）人機(jī)協(xié)同學(xué)習(xí)。將生成式AI嵌入作為智能學(xué)習(xí)伙伴，通過自然語言交互識別能力差距，提供個性化學(xué)習(xí)路徑，并協(xié)助教育者動態(tài)調(diào)整課程內(nèi)容。

OBE 3.0通過與教育體系和技術(shù)生態(tài)的深度整合，促進(jìn)了人才培養(yǎng)模式從“被動適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求”向“主動塑造未來發(fā)展”的根本轉(zhuǎn)變，進(jìn)而推動了教育、技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。從這一視角審視，它與新工科理念不謀而合。

（三）OBE與新工科的協(xié)同效應(yīng)

1. 目標(biāo)協(xié)同

新工科提出的“解決復(fù)雜工程問題能力”需拆解為跨學(xué)科、可觀測的指標(biāo)（如系統(tǒng)思維、倫理權(quán)衡），而OBE通過反向設(shè)計將抽象能力轉(zhuǎn)化為可量化成果（如原型驗(yàn)證數(shù)據(jù)、多目標(biāo)優(yōu)化方案），構(gòu)建“產(chǎn)業(yè)需求—能力矩陣—課程模塊”的映射鏈條，實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)與產(chǎn)業(yè)動態(tài)需求的精準(zhǔn)對接。

2. 過程協(xié)同

OBE的PDCA（Plan-Do-Check-Act，計劃—執(zhí)行—檢查—改進(jìn)）循環(huán)支撐新工科對技術(shù)變革的敏捷響應(yīng)。通過動態(tài)采集產(chǎn)業(yè)技術(shù)信號（如AI算法演進(jìn)、新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)），觸發(fā)課程內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)工具的快速更新，確保教學(xué)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)代際同步。同時，校企協(xié)同的持續(xù)反饋機(jī)制推動教學(xué)從“預(yù)設(shè)流程”向“自適應(yīng)迭代”轉(zhuǎn)型。

3. 評價協(xié)同

新工科跨學(xué)科屬性倒逼OBE突破傳統(tǒng)量化評分模式，構(gòu)建多維度評價體系，橫向整合技術(shù)實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)可行性、合規(guī)審查等多元標(biāo)準(zhǔn)；縱向融合過程性數(shù)據(jù)（代碼迭代軌跡、協(xié)作日志）與成果證據(jù)（專利轉(zhuǎn)化率）；外部引入開源社區(qū)影響力、企業(yè)實(shí)效評估等產(chǎn)業(yè)標(biāo)尺，使評價結(jié)果直指人才市場適配性。

二者的協(xié)同驅(qū)動工程教育從“滯后性知識供給”轉(zhuǎn)向“前瞻性能力孵化”，OBE為新工科提供方法論框架，而新工科則推動OBE向復(fù)雜系統(tǒng)教育進(jìn)階，共同塑造適應(yīng)技術(shù)不確定性的未來工程人才。

三、新工科背景下基于OBE理念的計算機(jī)類課程建設(shè)思路

在此基礎(chǔ)上，本文提出如圖2所示的課程建設(shè)基本思路，具體措施可以概括為以下四個主要方面。

（一）教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

一是運(yùn)用OBE理念，反向重構(gòu)課程內(nèi)容，構(gòu)建“解決復(fù)雜工程問題能力要求指標(biāo)點(diǎn)—課程目標(biāo)”的支撐矩陣，最終對應(yīng)體現(xiàn)到課堂教學(xué)的項(xiàng)目/案例內(nèi)容設(shè)計上，構(gòu)筑解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的有效達(dá)成路徑。

二是把思政元素有機(jī)融入課程教學(xué)過程，將典型優(yōu)秀案例作為思政元素融入課堂，潤物細(xì)無聲地將“工匠精神”傳授給學(xué)生，讓其內(nèi)化于心、外化于行，徹底從思想上摒棄學(xué)習(xí)惰性，讓課堂“營養(yǎng)豐富，味道又好”。

三是將本專業(yè)所在學(xué)科相關(guān)的特色科學(xué)研究進(jìn)課堂、進(jìn)教材，既使得分析案例更具體，學(xué)生也更容易理解，又讓學(xué)生對本學(xué)科相關(guān)的研究和領(lǐng)域有所了解，有利于將來從事專業(yè)相關(guān)的工作或開展科學(xué)研究。

四是以學(xué)科競賽為抓手，將課程內(nèi)容通過實(shí)踐方式在學(xué)科競賽過程中具體化，將涉及的課程知識具體化，提高學(xué)生實(shí)際分析問題、解決問題的能力。

五是結(jié)合科技服務(wù)和行業(yè)應(yīng)用，形成實(shí)踐教學(xué)案例，將課程內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)融合，緊貼行業(yè)工程應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展前沿，推進(jìn)案例式教學(xué)，將生產(chǎn)實(shí)踐案例融入課堂。

（二）教學(xué)模式改革

一是借助現(xiàn)代化教學(xué)工具和教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)課堂的現(xiàn)代化和智能化，實(shí)時掌握學(xué)生動態(tài)并進(jìn)行學(xué)情分析后制定教學(xué)方案，同時打造微課視頻課教學(xué)素材群，實(shí)現(xiàn)課程資源貢獻(xiàn)，發(fā)揮第二課堂功能。

二是以基于學(xué)科優(yōu)勢和生產(chǎn)實(shí)踐的教學(xué)案例為素材開展案例式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)知識的具體化，讓學(xué)生從跨學(xué)科的角度解決復(fù)雜問題，培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力和跨學(xué)科應(yīng)用能力。

三是通過學(xué)科競賽項(xiàng)目開展項(xiàng)目式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)課程知識的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化，提升學(xué)生的興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和積極性。使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)會主動參與，發(fā)現(xiàn)問題解決問題，學(xué)會自主思考，而不是被動地接受和記憶知識。

（三）評價體系創(chuàng)新

一是對課堂教學(xué)的評價。通過采用問卷調(diào)查、課堂反饋、個別面談等方式，學(xué)生可以表達(dá)對課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教材和作業(yè)的看法和建議。通過教師教學(xué)記錄、組內(nèi)評價、成果評估等方式，全面了解教師的教學(xué)理念、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)方法的有效性，評估教師的教學(xué)能力和教學(xué)效果。

二是對學(xué)生成績的評估。在課程考試中，引入更多的開放性問題，鼓勵學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題；過程考核強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的參與、努力、進(jìn)步，關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)態(tài)度、思考能力、自主學(xué)習(xí)能力等方面的表現(xiàn)。通過學(xué)習(xí)筆記、實(shí)驗(yàn)報告、學(xué)習(xí)日志等形式，記錄學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的思考、發(fā)現(xiàn)、問題解決過程，借此評估他們的學(xué)習(xí)情況。

（四）教學(xué)隊伍提升

一是通過合作共建共享型協(xié)同育人實(shí)踐平臺、加強(qiáng)“雙師型”教師隊伍建設(shè)、校企雙向兼職等途徑，構(gòu)建政府、高校、行業(yè)、企業(yè)等人才培養(yǎng)利益相關(guān)者廣泛組成的課程教學(xué)師資，促進(jìn)人才培養(yǎng)資源的聚合與共享，實(shí)現(xiàn)多元主體密切配合、協(xié)同育人。

二是教學(xué)團(tuán)隊與學(xué)科隊伍交叉，以“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合形式組建教學(xué)團(tuán)隊，團(tuán)隊職稱結(jié)構(gòu)和年齡結(jié)構(gòu)呈梯隊式，老中青三結(jié)合形式實(shí)現(xiàn)傳幫帶的作用，并充分考慮教師成長需求，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊資源合理共享。對團(tuán)隊教師教學(xué)水平的提高，則通過以團(tuán)隊的形式參加教學(xué)競賽、指導(dǎo)學(xué)科競賽、參加教學(xué)會議和培訓(xùn)等方式實(shí)現(xiàn)。

四、小結(jié)

為培養(yǎng)具備堅定的理想信念、扎實(shí)的專業(yè)知識、活躍的創(chuàng)新思維、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和開闊的專業(yè)視野的新時代工程技術(shù)人才。本文從國家戰(zhàn)略和高校工程教育變革出發(fā)，基于OBE理念，對新工科背景下計算機(jī)類課程建設(shè)中存在的問題進(jìn)行成因分析并探索紓解路徑，通過教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)模式改革、評價體系創(chuàng)新和教學(xué)隊伍提升推進(jìn)該類課程的教學(xué)改革，從而保證教學(xué)目標(biāo)與培養(yǎng)要求的對齊，確保課程內(nèi)容與實(shí)際需求的對接，提高學(xué)生在新工科背景下計算機(jī)類課程中的學(xué)習(xí)效果和綜合能力，也為其他工科專業(yè)的課程教學(xué)改革提供新思路。

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