金 瑩，陶先平，張 莉，張 潔，陶 燁

（南京大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，江蘇 南京 210023）

1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育面臨的現(xiàn)狀

1.1 計(jì)算機(jī)應(yīng)用的專業(yè)分布廣，但需求差異大

隨著計(jì)算科學(xué)本身在各領(lǐng)域應(yīng)用的快速擴(kuò)張和深入應(yīng)用，不同專業(yè)的人才培養(yǎng)都對(duì)其提出更高的要求，但專業(yè)需求差異較大。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑、藝術(shù)及部分文科院系將更多的設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用轉(zhuǎn)移至計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，因此對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)有著較高要求。法學(xué)、商學(xué)等專業(yè)則由于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的不斷完善及近年來(lái)大數(shù)據(jù)帶來(lái)的巨大優(yōu)勢(shì)，提出在計(jì)算機(jī)應(yīng)用分析方面的迫切需求。傳統(tǒng)的理工科專業(yè)為適應(yīng)智能制造、自動(dòng)控制、數(shù)值模擬和數(shù)學(xué)計(jì)算的產(chǎn)業(yè)和科研人才需求，在進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)軟件的應(yīng)用能力培養(yǎng)的同時(shí)，始終強(qiáng)調(diào)編程能力以及軟件工具的開(kāi)發(fā)和持續(xù)的改進(jìn)創(chuàng)新能力。

1.2 學(xué)生個(gè)體差異大

尊重個(gè)體差異，因材施教，滿足個(gè)性化人才培養(yǎng)是現(xiàn)代教育面臨的一大難題，然而實(shí)際情況是，由于多數(shù)高?；臼敲嫦蛉珖?guó)招生，環(huán)境、興趣和性格的差異導(dǎo)致學(xué)生個(gè)體從入學(xué)基礎(chǔ)到對(duì)知識(shí)的轉(zhuǎn)化程度、能力的提升程度、創(chuàng)造力的發(fā)揮程度，以及個(gè)人對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域不同方向的需求都各有不同，且可能有較大的差異。

2 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)存在的問(wèn)題

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的教學(xué)目標(biāo)大致分為工具培訓(xùn)類、人文引導(dǎo)類、程序設(shè)計(jì)類等，并未能有效對(duì)應(yīng)不同專業(yè)需求建立起系統(tǒng)而有針對(duì)性的課程體系，全面兼顧計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的通識(shí)特性和專業(yè)需求的差異問(wèn)題，特別是缺乏有效的頂層設(shè)計(jì)。具體而言，在教學(xué)過(guò)程中顯現(xiàn)的問(wèn)題如下。

2.1 局限于工具的使用

以具體軟件工具培訓(xùn)為目的的教學(xué)過(guò)于具體化，使得學(xué)生過(guò)于專注具體軟件的用法，而不能找出軟件使用的通用性，更無(wú)法探尋出軟件發(fā)展的規(guī)律。目前的軟件工具發(fā)展速度很快，常用的軟件工具面臨著不斷升級(jí)更新，學(xué)生無(wú)法適應(yīng)這種快速的軟件更新?lián)Q代；新的軟件也層出不窮，學(xué)生對(duì)于新工具往往會(huì)產(chǎn)生畏懼心理，使用時(shí)無(wú)從下手，不能有效地?cái)U(kuò)展和遷移所學(xué)的知識(shí)。教師也會(huì)陷入在上課時(shí)選擇何種版本軟件施教的尷尬境地。

2.2 盲從熱點(diǎn)

計(jì)算科學(xué)及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，使教育始終落后于發(fā)展，而一味地追求最新的技術(shù)和知識(shí)會(huì)使教師備課壓力過(guò)重，在不變的教學(xué)課時(shí)下很難完成原本基礎(chǔ)內(nèi)容和不斷增加的新內(nèi)容，也會(huì)給學(xué)生的學(xué)習(xí)造成壓力和困擾，使得學(xué)生對(duì)內(nèi)容消化不足，較難把握重點(diǎn)內(nèi)容。即便在課堂上學(xué)到了最新的內(nèi)容，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)仍然在飛速發(fā)展，學(xué)生今后應(yīng)用時(shí)需要面對(duì)更多、更新的內(nèi)容，沒(méi)有對(duì)技術(shù)背后本質(zhì)規(guī)律的認(rèn)知和發(fā)展的眼光，沒(méi)有包括自學(xué)能力、應(yīng)用能力、轉(zhuǎn)化遷移能力、計(jì)算思維能力等的支撐，仍然無(wú)法適應(yīng)時(shí)代的要求。

2.3 不能貼近專業(yè)的需求

各領(lǐng)域都需要使用計(jì)算機(jī)，但應(yīng)用的方向、側(cè)重、程度并不相同，一套教學(xué)方案應(yīng)對(duì)所有專業(yè)的學(xué)生顯然不符合現(xiàn)狀要求。從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的教師多數(shù)是計(jì)算機(jī)專業(yè)出身，對(duì)各專業(yè)的應(yīng)用理解并沒(méi)有專業(yè)課教師深入，且計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)通常面對(duì)的都是大一、大二的學(xué)生，他們對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的接觸也只是皮毛，因此貼近專業(yè)需求把握計(jì)算機(jī)在各領(lǐng)域應(yīng)用的共性，同時(shí)兼顧專業(yè)人才培養(yǎng)的傾向性，讓學(xué)生學(xué)有所得，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中就能充分意識(shí)到學(xué)習(xí)的必要性。

2.4 教學(xué)形式單一化

多數(shù)計(jì)算機(jī)理論課程仍然采用“教師講、學(xué)生聽(tīng)”的授課模式，實(shí)驗(yàn)課采用“學(xué)生上機(jī)操作、教師或助教現(xiàn)場(chǎng)答疑”的方式。隨著很多學(xué)校人才培養(yǎng)計(jì)劃的變動(dòng)，實(shí)驗(yàn)課被安排在課外完成，在沒(méi)有建立有效的交流和監(jiān)管機(jī)制的情況下，會(huì)導(dǎo)致教師無(wú)法對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行準(zhǔn)確把握，而在課堂授課時(shí)，加劇單方面灌輸?shù)谋粍?dòng)學(xué)習(xí)，往往教師在臺(tái)上唱“獨(dú)角戲”，學(xué)生的主觀能動(dòng)性無(wú)法被有效調(diào)動(dòng)，從而無(wú)法達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，但隨著慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等新教學(xué)形式的提出，相關(guān)教學(xué)平臺(tái)和手段的問(wèn)世及不斷完善，這一局面正在發(fā)生改變。

2.5 難以實(shí)現(xiàn)因材施教

由于各種差異的存在和個(gè)性化培養(yǎng)需求的客觀存在，如果不對(duì)課程內(nèi)容和形式進(jìn)行改進(jìn)，僅采用傳統(tǒng)的方式只能兼顧一般性要求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的定制，因材施教難以真正實(shí)現(xiàn)。部分院校由于師資力量不足，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程多采用大班授課的形式，導(dǎo)致因材施教更加難以施行。如果能將內(nèi)容與形式有效結(jié)合，利用先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)和手段，配以充足的資源，因材施教就不再成為困擾教師的難題。

3 解決問(wèn)題的方法

3.1 完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建教學(xué)體系

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程受眾廣，目前零基礎(chǔ)的學(xué)生已經(jīng)很少，但基礎(chǔ)的差異卻越來(lái)越大。多數(shù)學(xué)生已有的知識(shí)和技能往往是為了解決單個(gè)問(wèn)題而獲取，且多集中在應(yīng)用層面，如對(duì)硬件熟悉、對(duì)某些應(yīng)用軟件操作嫻熟、對(duì)網(wǎng)絡(luò)很感興趣，因此多以知識(shí)碎片和技能孤島的形式存在。通過(guò)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)的修訂，幫助學(xué)生有效地進(jìn)行知識(shí)補(bǔ)充、串聯(lián)、梳理和建構(gòu)，進(jìn)而形成體系，打好基礎(chǔ)，從而支撐未來(lái)更廣泛的應(yīng)用需求。

3.2 抓住計(jì)算本質(zhì)，結(jié)合專業(yè)需求，打造教學(xué)內(nèi)容

信息技術(shù)的飛躍式發(fā)展使計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容疲于跟進(jìn)，內(nèi)容不斷膨脹，而課時(shí)有限，矛盾凸顯。教師應(yīng)抓住計(jì)算的本質(zhì)和規(guī)律，以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心，凝練出“微內(nèi)核”結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)不同專業(yè)制訂教學(xué)大綱，配套契合的教學(xué)案例，安排合理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使其具有較好的兼容性、適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，以尋求解決這一問(wèn)題的根本途徑。

3.3 建設(shè)平臺(tái)資源，豐富教學(xué)形式

個(gè)體基于專業(yè)應(yīng)用和興趣愛(ài)好的需求性差異很大，而傳統(tǒng)的教學(xué)形式使因材施教難以真正施行，可以通過(guò)引入MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等先進(jìn)的教學(xué)手段，選擇和制作大量的教學(xué)資源，并提供各種參考資料及進(jìn)一步探求知識(shí)的方法，購(gòu)買或開(kāi)發(fā)教學(xué)平臺(tái)和考試練習(xí)系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)則以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)，突出學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位。

3.4 舉辦各種活動(dòng)，創(chuàng)造良好氛圍

除了課堂教學(xué)外，如果沒(méi)有及時(shí)有效的應(yīng)用和對(duì)新技術(shù)的切實(shí)體驗(yàn)，就很難鞏固學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握，特別是對(duì)于學(xué)生所處的相對(duì)集中化的教育階段。在多年的不斷學(xué)習(xí)中，有的學(xué)生會(huì)偏離最基本的學(xué)習(xí)目標(biāo)，淪為學(xué)習(xí)“傀儡”，為學(xué)而學(xué)，單純應(yīng)付考試，不知學(xué)有何用。因此，通過(guò)不定期的課外講座和一年一度的“計(jì)算機(jī)教育周”活動(dòng)，為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)良好的學(xué)習(xí)、競(jìng)爭(zhēng)、感受、交流氛圍，以每年信息技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)為主題，開(kāi)展系列活動(dòng)，深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和對(duì)技術(shù)應(yīng)用的程度。

4 具體解決方案

計(jì)算科學(xué)已經(jīng)和理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)并列成為推進(jìn)社會(huì)文明進(jìn)步和科技發(fā)展的三大手段，與之對(duì)應(yīng)的是三大科學(xué)思維：理論思維、實(shí)驗(yàn)思維與計(jì)算思維，計(jì)算思維是人類科學(xué)思維活動(dòng)固有的組成[1]。多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和調(diào)查研究結(jié)果[2]表明，通過(guò)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)可以從上層統(tǒng)一不同專業(yè)和受教育者個(gè)體的需求差異，成為大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的終極目標(biāo)。具體的做法是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)理論為內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心凝練教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生有效地完善知識(shí)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建知識(shí)體系，同時(shí)結(jié)合專業(yè)需求調(diào)整教學(xué)大綱中的內(nèi)容重點(diǎn)、建設(shè)教學(xué)案例、設(shè)計(jì)實(shí)踐內(nèi)容；既考慮到計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的通識(shí)課程定位，滿足通識(shí)教育的特點(diǎn)“超越學(xué)科界線、拓寬專業(yè)基礎(chǔ)、優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)”[3]，又能夠滿足不同專業(yè)的差異化需求。

圍繞計(jì)算思維能力培養(yǎng)，在課程體系架構(gòu)上，從通識(shí)教育課、新生研討課、計(jì)算機(jī)入門(mén)課、計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用課4個(gè)方面，建立完善的課程體系，如圖1所示。

圖1 課程體系

其中，計(jì)算思維導(dǎo)引是通識(shí)教育課程，面向全校新生講授高級(jí)算法設(shè)計(jì)思想和技術(shù)。在各專業(yè)平臺(tái)課程群中，為適應(yīng)不同專業(yè)學(xué)科的人才培養(yǎng)開(kāi)設(shè)相應(yīng)的課程，包括為匡亞明院、電子學(xué)院、數(shù)學(xué)系等類計(jì)算機(jī)專業(yè)開(kāi)設(shè)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課，為理工科專業(yè)開(kāi)設(shè)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課，為醫(yī)學(xué)、建筑等專業(yè)開(kāi)設(shè)VB程序設(shè)計(jì)課，為文科開(kāi)設(shè)Python程序設(shè)計(jì)課等平臺(tái)課程，為全校非計(jì)算機(jī)專業(yè)開(kāi)設(shè)大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用、大學(xué)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等平臺(tái)課程。在各專業(yè)選修課程群中，開(kāi)設(shè)數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)分析、高級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、信息安全、計(jì)算與思維、用Python玩轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)等面向文理科的高級(jí)應(yīng)用技術(shù)課程。

教學(xué)內(nèi)容上，將學(xué)生已有的知識(shí)碎片和技能孤島進(jìn)行有效地補(bǔ)充、串聯(lián)，梳理成知識(shí)體系，挖掘各種應(yīng)用背后不變的思想和規(guī)律，在有效實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)的同時(shí)，潛移默化、自然而然地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，并通過(guò)與專業(yè)結(jié)合的案例驅(qū)動(dòng)不斷經(jīng)由實(shí)踐和應(yīng)用內(nèi)化為一種基本的思維習(xí)慣，以此讓身處在計(jì)算和數(shù)據(jù)時(shí)代的學(xué)生能將計(jì)算的思想、技術(shù)、方法和知識(shí)與專業(yè)研究、職業(yè)需求及創(chuàng)業(yè)夢(mèng)想有機(jī)結(jié)合，以支撐其未來(lái)可能面對(duì)的各種發(fā)展變化和應(yīng)用需求。因此，基礎(chǔ)課的大綱在計(jì)算思維微核心保持一致的基礎(chǔ)上與專業(yè)契合，在教學(xué)案例、課程實(shí)踐和應(yīng)用設(shè)計(jì)上嵌入式區(qū)分，分層次教學(xué)。與專業(yè)結(jié)合的計(jì)算思維微核心結(jié)構(gòu)如2所示。

以計(jì)算思維為微內(nèi)核凝練的教學(xué)內(nèi)容，改變了關(guān)于計(jì)算機(jī)“狹義工具論”的觀點(diǎn)，使課程更好地定位于通識(shí)基礎(chǔ)，輔以各種教學(xué)手段，具有很好的兼容性、適應(yīng)性和可擴(kuò)展性；擺脫淺層技能培訓(xùn)、疲于表面更新的窘境，通過(guò)MOOC、微課提供豐富的教學(xué)資源，結(jié)合線上線下知識(shí)來(lái)源的多樣性，彌補(bǔ)學(xué)生的差異，增強(qiáng)課程的可擴(kuò)展性。翻轉(zhuǎn)課堂充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，將教學(xué)內(nèi)容通過(guò)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行表達(dá)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)的深度；加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，使知識(shí)水平、能力、思想認(rèn)知都得以提高，采用團(tuán)隊(duì)形式完成具有一定難度和規(guī)模的課程設(shè)計(jì)，并挖掘優(yōu)秀作品參加各級(jí)競(jìng)賽，增加學(xué)生學(xué)習(xí)提升的機(jī)會(huì)，且通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作和團(tuán)隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)，培養(yǎng)學(xué)生的大局意識(shí)、協(xié)作精神和服務(wù)奉獻(xiàn)精神；通過(guò)教育周活動(dòng)拓展課堂內(nèi)容，圍繞每年的熱點(diǎn)展開(kāi)，通過(guò)講座、競(jìng)賽、項(xiàng)目體驗(yàn)等各種活動(dòng)了解最前沿的科技、社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用人才的需求、畢業(yè)后如何運(yùn)用計(jì)算機(jī)知識(shí)和技能在職場(chǎng)打拼、怎樣更好地學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)等。

圖2 與專業(yè)結(jié)合的計(jì)算思維微核心結(jié)構(gòu)

此外，在厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐的同時(shí)，通過(guò)舉辦計(jì)算機(jī)教育周活動(dòng)將計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容從教室延伸至校園，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用人才的培養(yǎng)從大學(xué)引向社會(huì)。教育周一般以當(dāng)年的計(jì)算機(jī)熱點(diǎn)為主題，通過(guò)學(xué)術(shù)界、企業(yè)界的各種報(bào)告，數(shù)據(jù)處理、信息安全、程序設(shè)計(jì)等各項(xiàng)賽事以及前沿科技的體驗(yàn)活動(dòng)對(duì)課堂延伸，擴(kuò)展思維，啟發(fā)創(chuàng)新，在校園內(nèi)掀起計(jì)算的熱潮，營(yíng)造從基礎(chǔ)學(xué)習(xí)到發(fā)展創(chuàng)新的氛圍。

5 教學(xué)效果

本教學(xué)方案從2010年開(kāi)始調(diào)研論證，經(jīng)過(guò)嘗試和完善，從2013年開(kāi)始在南京大學(xué)正式全面實(shí)施，學(xué)生對(duì)以計(jì)算思維為導(dǎo)向的教學(xué)體系、內(nèi)容及翻轉(zhuǎn)課堂、教育周、MOOC等形式都非常認(rèn)同。

教師和課程獲得了較好的評(píng)價(jià)，如“教學(xué)內(nèi)容非常好，把抽象的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)用貼近生活實(shí)際的例子講得生動(dòng)可感；課件設(shè)計(jì)特別好，詳略得當(dāng)，且內(nèi)容豐富；注重對(duì)計(jì)算機(jī)思維與能力的培養(yǎng)”“上C語(yǔ)言的課不僅僅是為了拿到必修的學(xué)分，更是為了領(lǐng)略編程、算法的樂(lè)趣”……近5年來(lái)，團(tuán)隊(duì)教師的上課平均分為4.87分（總分5分）。在課程體系中對(duì)實(shí)踐教學(xué)非常重視，組織學(xué)生以團(tuán)隊(duì)方式結(jié)合專業(yè)興趣選擇項(xiàng)目，并進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)開(kāi)發(fā)，要求每位學(xué)生至少完成200行的代碼，使得學(xué)生既得到鍛煉，又完成具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的作品，在成就感的驅(qū)動(dòng)和教師的指導(dǎo)下不斷改進(jìn)完善自己的作品。采用以賽促教的形式，通過(guò)答辯評(píng)選和推送優(yōu)秀作品參加中國(guó)大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽，近5年來(lái)獲得一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)7項(xiàng)、三等獎(jiǎng)10項(xiàng)。學(xué)生在競(jìng)賽中不僅學(xué)到了更多的知識(shí)和技能，還培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作互助的精神。此外，建立了較為完善的教學(xué)助理（TA）機(jī)制，通過(guò)助教選拔、工作職責(zé)的制度化，與教師教學(xué)的深度配合，學(xué)生與課程、學(xué)生與學(xué)生、高年級(jí)學(xué)生與低年級(jí)學(xué)生、教師與學(xué)生之間形成了完整的教學(xué)多節(jié)點(diǎn)互通模式，借助于學(xué)習(xí)平臺(tái)、社交平臺(tái)等實(shí)現(xiàn)課內(nèi)與課外、線上與線下的互聯(lián)與互通，借由計(jì)算機(jī)教育周中數(shù)十場(chǎng)報(bào)告、競(jìng)賽、體驗(yàn)等活動(dòng)擴(kuò)展課堂、啟發(fā)創(chuàng)新，全方位保證實(shí)踐教學(xué)效果的提升。

6 結(jié) 語(yǔ)

以計(jì)算思維能力培養(yǎng)統(tǒng)一專業(yè)需求的差異，建立完善的信息技術(shù)課程體系；課程內(nèi)容圍繞計(jì)算思維微內(nèi)核，與專業(yè)結(jié)合制訂大綱、設(shè)計(jì)案例、實(shí)踐應(yīng)用；課程形式多樣化，MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂、課內(nèi)外實(shí)踐訓(xùn)練相結(jié)合，對(duì)課程內(nèi)容和形式進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，實(shí)踐內(nèi)容與學(xué)科競(jìng)賽相結(jié)合，舉辦集講座、競(jìng)賽、新技術(shù)體驗(yàn)等于一體的教育周活動(dòng)等，全方位、多角度地為學(xué)生提供計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)。實(shí)踐證明，本套教改方案適應(yīng)于當(dāng)下人才培養(yǎng)的需求，有助于培養(yǎng)學(xué)生以計(jì)算思維為基礎(chǔ)、與專業(yè)相結(jié)合的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力。