薛慶　陳宇峰　張東生　趙三元

摘要：就如何面對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊的現(xiàn)狀，如何面向不同專業(yè)的學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)提供信息素養(yǎng)的熏陶、計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)的傳授和計(jì)算思維能力的培養(yǎng)等問(wèn)題，探討大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)分類教學(xué)的改革與實(shí)踐，提出計(jì)算機(jī)公共教學(xué)為專業(yè)提供支持，并以虛擬實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹機(jī)械類專業(yè)分類教學(xué)的內(nèi)容、方法和預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：大學(xué)計(jì)算機(jī)；分類教學(xué)；實(shí)驗(yàn)改革

0 引言

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)一直是大學(xué)本科一年級(jí)的必修課，是學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)的入門課程。不同專業(yè)的學(xué)生在大學(xué)4年內(nèi)的課程體系有很大不同，研究型大學(xué)以培養(yǎng)高水平復(fù)合型人才為目標(biāo)，注重學(xué)生綜合能力和素質(zhì)的提高。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程如何為專業(yè)課提供基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)技術(shù)，如何培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基本能力是當(dāng)前熱點(diǎn)問(wèn)題。文科類、理工類以及農(nóng)林、醫(yī)學(xué)等不同專業(yè)對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的需求不同，加之受到內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少的影響和限制，我們必須探索合理的改革目標(biāo)和路徑，嘗試分類教學(xué)，有針對(duì)性地在不同分類的需求上展示所需的計(jì)算機(jī)科學(xué)分支。

1 計(jì)算機(jī)公共教學(xué)需要分類指導(dǎo)

我們多年從事大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)，對(duì)不同專業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)知識(shí)和能力的需求有深入了解。如何改革教學(xué)內(nèi)容、如何面向不同類別的專業(yè)建立恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)體系，是我們深度思考的問(wèn)題，分類教學(xué)是一種有效的手段。

文中所說(shuō)的分類教學(xué)是指在統(tǒng)一教學(xué)指導(dǎo)的前提下，基于人才培養(yǎng)目標(biāo)，面向不同專業(yè)類別進(jìn)行的，不以學(xué)校來(lái)簡(jiǎn)單劃分。根據(jù)不同專業(yè)需求，設(shè)計(jì)不同的教學(xué)方案，包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)素材、教學(xué)過(guò)程和教學(xué)實(shí)驗(yàn)。如北京理工大學(xué)總體學(xué)科和專業(yè)的設(shè)置基于對(duì)各專業(yè)的課程體系、專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的縝密分析，通過(guò)對(duì)不同專業(yè)、不同年級(jí)的學(xué)生的訪談溝通，特別是學(xué)生進(jìn)入大三大四后對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的依賴，將大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)授課對(duì)象分為信息類、理工機(jī)械類、理工理科類、管理類、文科類和藝術(shù)類等。其中管理類需要數(shù)據(jù)庫(kù)方面的支持，而機(jī)械類對(duì)仿真相關(guān)方法和知識(shí)關(guān)注度更高。針對(duì)不同類別的專業(yè)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)某些內(nèi)容，這是面向應(yīng)用培養(yǎng)復(fù)合型人才的最高境界。又如河南大學(xué)每年上萬(wàn)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，目前教學(xué)分為社科、人文、理工、醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)、經(jīng)管教育等5類，都需要一套能夠服務(wù)于專業(yè)需求的教學(xué)計(jì)劃與之配套。所以分類教學(xué)是大學(xué)計(jì)算機(jī)公共教學(xué)的首要環(huán)節(jié)，不僅體現(xiàn)在課程講授上，也體現(xiàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)中，即為不同大類的學(xué)生訂制不同的實(shí)驗(yàn)。

2 計(jì)算機(jī)公共教學(xué)應(yīng)該為專業(yè)需求提供支持

作為重要的基礎(chǔ)課，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程應(yīng)該為各類專業(yè)學(xué)生今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和專業(yè)技能應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我們的原則是計(jì)算機(jī)公共教學(xué)應(yīng)該為專業(yè)需求提供支持，具體措施如下。

1）為不同專業(yè)的學(xué)生訂制不同的教學(xué)內(nèi)容。

我們將大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)分為4類，分別為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論、計(jì)算機(jī)科學(xué)與程序設(shè)計(jì)。每個(gè)分支都有獨(dú)立的教學(xué)小組、定制不同的教學(xué)大綱。

2）選擇合適的教師承擔(dān)不同類別的課程教學(xué)。

北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)課教學(xué)團(tuán)隊(duì)是國(guó)家級(jí)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)，由多學(xué)科多專業(yè)背景的教師組成，除計(jì)算機(jī)專業(yè)外，還有自動(dòng)控制類、機(jī)械制造類、信息工程類。這些教師除有很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力外，還有本專業(yè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)，他們深知如何將計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用深度融合到自己專業(yè)領(lǐng)域，他們也能夠深入淺出地面向?qū)W生講授課程內(nèi)容，尤其是他們能夠結(jié)合科研給學(xué)生豐富的應(yīng)用實(shí)例。

3）運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)配合課堂教學(xué)。

為解決學(xué)時(shí)少內(nèi)容多的矛盾，更重要的是體現(xiàn)不同內(nèi)容對(duì)專業(yè)的服務(wù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了18個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，見表1。實(shí)驗(yàn)配套相應(yīng)教材，由學(xué)生課后自主完成。

上述實(shí)驗(yàn)中，不同類別教學(xué)內(nèi)容可以有針對(duì)性地選擇其中的部分實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生練習(xí)和體驗(yàn)，具體實(shí)施如表2。

3 機(jī)械類大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程分類教學(xué)設(shè)計(jì)

筆者曾在美國(guó)幾所大學(xué)訪問(wèn)交流，深入了解過(guò)多所大學(xué)在工程學(xué)院的課程設(shè)置及課程內(nèi)容。很多大學(xué)在大學(xué)一年級(jí)的課程中都有編程課程Computer Science and Programming，還有些大學(xué)的工程學(xué)院從大一到大四，一門實(shí)踐類的課程貫穿始終。如美國(guó)史蒂文斯理工大學(xué)，在工程學(xué)院開設(shè)Engineering Design（1）至EngineeringDesign（8），連續(xù)8個(gè)學(xué)期都有，學(xué)生可以靈活選，內(nèi)容包括編程實(shí)現(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)器人的控制、用力學(xué)知識(shí)編程計(jì)算桁架的結(jié)構(gòu)性能、用Matlab進(jìn)行仿真分析等；工程學(xué)院的每個(gè)學(xué)生無(wú)論專業(yè)是機(jī)械工程、電子工程還是計(jì)算機(jī)工程，都必須修滿這個(gè)課的全部學(xué)分。這就是一個(gè)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)并且理論與實(shí)際很好結(jié)合的實(shí)例。

目前基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)等一些新思想、新做法層出不窮，以轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式為目的，強(qiáng)調(diào)主動(dòng)探究和創(chuàng)新實(shí)踐，著眼于給學(xué)生終身受用的知識(shí)和能力，回應(yīng)了時(shí)代對(duì)教育的需求。通過(guò)分析美國(guó)部分大學(xué)工程學(xué)院一年級(jí)計(jì)算機(jī)類課程的設(shè)置，以及北京理工大學(xué)機(jī)械大類學(xué)生后續(xù)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)知識(shí)和工具的應(yīng)用，我們?cè)诜诸惤虒W(xué)設(shè)計(jì)中對(duì)機(jī)械大類實(shí)施比較大的改革，具體思路是：

（1）將大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程與后續(xù)的程序設(shè)計(jì)課程打通，形成新的課程——計(jì)算機(jī)科學(xué)與程序設(shè)計(jì)。

（2）新課程的內(nèi)容體系以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為導(dǎo)向，以培養(yǎng)目標(biāo)為驅(qū)動(dòng)，以案例教學(xué)為線索，以服務(wù)專業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)。

（3）在高度濃縮課程理論教學(xué)的同時(shí)，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)，充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將演示與體驗(yàn)結(jié)合，將理論與實(shí)際結(jié)合，將基礎(chǔ)課內(nèi)容與專業(yè)課應(yīng)用結(jié)合。

（4）課程的進(jìn)行采用漸進(jìn)式案例，問(wèn)題復(fù)雜程度從簡(jiǎn)到難，練習(xí)內(nèi)容由淺入深，學(xué)生作業(yè)成果從小到大。

（5）注重全過(guò)程考核，將學(xué)生作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、考試和“成果”一并列入考核內(nèi)容。

數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)知識(shí)是課程內(nèi)容之一，介紹數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)知識(shí)和數(shù)據(jù)庫(kù)的基本思想。為幫助學(xué)生理解，我們從需求出發(fā)，以車間零備件庫(kù)存管理為例，緊密結(jié)合機(jī)械類學(xué)生的應(yīng)用，設(shè)計(jì)漸進(jìn)式的問(wèn)題（案例），見表3。學(xué)生由淺入深地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)并掌握程序設(shè)計(jì)的技能。

4 分類教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革實(shí)例——仿真計(jì)算與Madab虛擬實(shí)驗(yàn)

在工科專業(yè)中，特別是機(jī)械大類，學(xué)生在專業(yè)課學(xué)習(xí)過(guò)程中經(jīng)常用到仿真。仿真計(jì)算利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)研究已存在或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。北京理工大學(xué)是以理工為主的研究型大學(xué)，從基礎(chǔ)課就培養(yǎng)學(xué)生的研究素養(yǎng)。我們?cè)谔摂M實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，特別設(shè)置了針對(duì)理工類的演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)既有功能的體現(xiàn)，又有算法的設(shè)計(jì)。學(xué)生可以比較早地了解今后從事研究所用的知識(shí)和工具，從而激發(fā)學(xué)生求知的愿望。

實(shí)驗(yàn)17涉及連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真、模型參數(shù)優(yōu)化、離散系統(tǒng)建模與仿真等知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生通過(guò)虛擬交互性實(shí)驗(yàn)了解系統(tǒng)建模與仿真的基本概念及模型優(yōu)化與驗(yàn)證思想，理解離散系統(tǒng)仿真原理。學(xué)生最后對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和思考，將實(shí)驗(yàn)涉及的相關(guān)內(nèi)容拓展和系統(tǒng)化，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)17中的水箱系統(tǒng)仿真計(jì)算與模型優(yōu)化，如圖1所示，學(xué)生首先觀察虛擬水箱系統(tǒng)，通過(guò)控制閥門可以向水箱注水。單擊屏幕上的“開始”，仿真程序?qū)崿F(xiàn)虛擬水箱注水的過(guò)程，并獲得水面變化的記錄。然后，學(xué)生根據(jù)計(jì)算公式填入對(duì)水箱橫截面積和流量的參數(shù)估計(jì)，根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的輸入流量，仿真計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)的水位變化記錄。學(xué)生可以多次輸入?yún)?shù)，觀察不同的仿真結(jié)果，分析結(jié)果的誤差，修正水箱參數(shù)，重新執(zhí)行，直到誤差小于1為止，這時(shí)，將以上水箱橫截面、流量及水位參數(shù)和誤差記錄下來(lái)。

此外，還可以讓學(xué)生完成蟻群算法的分析和應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生首先了解蟻群算法，在界面選擇“覓食模擬問(wèn)題”，根據(jù)軟件提示，選定螞蟻種群數(shù)量，用鼠標(biāo)拖動(dòng)折線繪制2條覓食路徑，單擊“覓食”，經(jīng)過(guò)給定的時(shí)間后，獲得最優(yōu)路徑，將螞蟻覓食過(guò)程記錄相應(yīng)的表中。學(xué)生可以進(jìn)一步改變螞蟻種群數(shù)量以及路徑數(shù)量，重復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)。如果學(xué)生選擇“路徑優(yōu)化問(wèn)題”，如圖2所示，可以在地圖上任意選擇10個(gè)點(diǎn)作為城市坐標(biāo)，通過(guò)蟻群算法計(jì)算最優(yōu)路徑，實(shí)現(xiàn)所有城市的遍歷，還可以獲得優(yōu)化后的路徑及其長(zhǎng)度。

這樣的實(shí)驗(yàn)有力展示了計(jì)算的魅力，啟發(fā)和培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維，引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生對(duì)底層計(jì)算方法深入探究的興趣，對(duì)學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)和專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用起到非常好的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)廣受關(guān)注，改革的思路各不相同，也不乏有建設(shè)性的理念和措施。筆者對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的分類教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)，特別是在理工機(jī)械類的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了較大力度的改革。近年來(lái)在不同的教學(xué)班嘗試實(shí)施，收到較好效果。

這些改革的實(shí)施將全面培養(yǎng)本科生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)思維，有效提升本科生的學(xué)術(shù)意識(shí)，使他們?cè)诤罄m(xù)課程和今后工作中，能夠自學(xué)和自主應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的知識(shí)，編程解決實(shí)際問(wèn)題，成為具有自主學(xué)習(xí)能力、研究性學(xué)習(xí)能力、終生學(xué)習(xí)能力，能夠適應(yīng)環(huán)境和任務(wù)變化的復(fù)合型人才。

（編輯：彭遠(yuǎn)紅）