金 瑩，陶先平，張 莉，張 潔，陶 燁

（南京大學 計算機科學與技術系，江蘇 南京 210023）

1 計算機基礎教育面臨的現(xiàn)狀

1.1 計算機應用的專業(yè)分布廣，但需求差異大

隨著計算科學本身在各領域應用的快速擴張和深入應用，不同專業(yè)的人才培養(yǎng)都對其提出更高的要求，但專業(yè)需求差異較大。隨著計算機輔助設計技術的不斷發(fā)展，建筑、藝術及部分文科院系將更多的設計理念和應用轉(zhuǎn)移至計算機平臺上，因此對計算機設計有著較高要求。法學、商學等專業(yè)則由于數(shù)據(jù)庫技術的不斷完善及近年來大數(shù)據(jù)帶來的巨大優(yōu)勢，提出在計算機應用分析方面的迫切需求。傳統(tǒng)的理工科專業(yè)為適應智能制造、自動控制、數(shù)值模擬和數(shù)學計算的產(chǎn)業(yè)和科研人才需求，在進一步加強學生對相關軟件的應用能力培養(yǎng)的同時，始終強調(diào)編程能力以及軟件工具的開發(fā)和持續(xù)的改進創(chuàng)新能力。

1.2 學生個體差異大

尊重個體差異，因材施教，滿足個性化人才培養(yǎng)是現(xiàn)代教育面臨的一大難題，然而實際情況是，由于多數(shù)高校基本是面向全國招生，環(huán)境、興趣和性格的差異導致學生個體從入學基礎到對知識的轉(zhuǎn)化程度、能力的提升程度、創(chuàng)造力的發(fā)揮程度，以及個人對計算機領域不同方向的需求都各有不同，且可能有較大的差異。

2 計算機基礎教學存在的問題

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)高校計算機基礎教育的教學目標大致分為工具培訓類、人文引導類、程序設計類等，并未能有效對應不同專業(yè)需求建立起系統(tǒng)而有針對性的課程體系，全面兼顧計算機基礎教育的通識特性和專業(yè)需求的差異問題，特別是缺乏有效的頂層設計。具體而言，在教學過程中顯現(xiàn)的問題如下。

2.1 局限于工具的使用

以具體軟件工具培訓為目的的教學過于具體化，使得學生過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更新，學生無法適應這種快速的軟件更新?lián)Q代；新的軟件也層出不窮，學生對于新工具往往會產(chǎn)生畏懼心理，使用時無從下手，不能有效地擴展和遷移所學的知識。教師也會陷入在上課時選擇何種版本軟件施教的尷尬境地。

2.2 盲從熱點

計算科學及計算機軟硬件技術的迅猛發(fā)展，使教育始終落后于發(fā)展，而一味地追求最新的技術和知識會使教師備課壓力過重，在不變的教學課時下很難完成原本基礎內(nèi)容和不斷增加的新內(nèi)容，也會給學生的學習造成壓力和困擾，使得學生對內(nèi)容消化不足，較難把握重點內(nèi)容。即便在課堂上學到了最新的內(nèi)容，由于計算機技術仍然在飛速發(fā)展，學生今后應用時需要面對更多、更新的內(nèi)容，沒有對技術背后本質(zhì)規(guī)律的認知和發(fā)展的眼光，沒有包括自學能力、應用能力、轉(zhuǎn)化遷移能力、計算思維能力等的支撐，仍然無法適應時代的要求。

2.3 不能貼近專業(yè)的需求

各領域都需要使用計算機，但應用的方向、側(cè)重、程度并不相同，一套教學方案應對所有專業(yè)的學生顯然不符合現(xiàn)狀要求。從事計算機基礎教學的教師多數(shù)是計算機專業(yè)出身，對各專業(yè)的應用理解并沒有專業(yè)課教師深入，且計算機基礎教學通常面對的都是大一、大二的學生，他們對專業(yè)領域的接觸也只是皮毛，因此貼近專業(yè)需求把握計算機在各領域應用的共性，同時兼顧專業(yè)人才培養(yǎng)的傾向性，讓學生學有所得，在學習的過程中就能充分意識到學習的必要性。

2.4 教學形式單一化

多數(shù)計算機理論課程仍然采用“教師講、學生聽”的授課模式，實驗課采用“學生上機操作、教師或助教現(xiàn)場答疑”的方式。隨著很多學校人才培養(yǎng)計劃的變動，實驗課被安排在課外完成，在沒有建立有效的交流和監(jiān)管機制的情況下，會導致教師無法對學生學習情況進行準確把握，而在課堂授課時，加劇單方面灌輸?shù)谋粍訉W習，往往教師在臺上唱“獨角戲”，學生的主觀能動性無法被有效調(diào)動，從而無法達到教學目標，但隨著慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等新教學形式的提出，相關教學平臺和手段的問世及不斷完善，這一局面正在發(fā)生改變。

2.5 難以實現(xiàn)因材施教

由于各種差異的存在和個性化培養(yǎng)需求的客觀存在，如果不對課程內(nèi)容和形式進行改進，僅采用傳統(tǒng)的方式只能兼顧一般性要求，無法實現(xiàn)個性化的定制，因材施教難以真正實現(xiàn)。部分院校由于師資力量不足，計算機基礎課程多采用大班授課的形式，導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，利用先進的技術平臺和手段，配以充足的資源，因材施教就不再成為困擾教師的難題。

3 解決問題的方法

3.1 完善知識結(jié)構(gòu)，構(gòu)建教學體系

計算機基礎課程受眾廣，目前零基礎的學生已經(jīng)很少，但基礎的差異卻越來越大。多數(shù)學生已有的知識和技能往往是為了解決單個問題而獲取，且多集中在應用層面，如對硬件熟悉、對某些應用軟件操作嫻熟、對網(wǎng)絡很感興趣，因此多以知識碎片和技能孤島的形式存在。通過計算機基礎課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)的修訂，幫助學生有效地進行知識補充、串聯(lián)、梳理和建構(gòu)，進而形成體系，打好基礎，從而支撐未來更廣泛的應用需求。

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

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

3.3 建設平臺資源，豐富教學形式

個體基于專業(yè)應用和興趣愛好的需求性差異很大，而傳統(tǒng)的教學形式使因材施教難以真正施行，可以通過引入MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂等先進的教學手段，選擇和制作大量的教學資源，并提供各種參考資料及進一步探求知識的方法，購買或開發(fā)教學平臺和考試練習系統(tǒng)，對于實驗教學則以項目設計為驅(qū)動，突出學生學習的主體地位。

3.4 舉辦各種活動，創(chuàng)造良好氛圍

除了課堂教學外，如果沒有及時有效的應用和對新技術的切實體驗，就很難鞏固學生對所學知識的掌握，特別是對于學生所處的相對集中化的教育階段。在多年的不斷學習中，有的學生會偏離最基本的學習目標，淪為學習“傀儡”，為學而學，單純應付考試，不知學有何用。因此，通過不定期的課外講座和一年一度的“計算機教育周”活動，為學生創(chuàng)造一個良好的學習、競爭、感受、交流氛圍，以每年信息技術領域的熱點為主題，開展系列活動，深化學生對知識的理解和對技術應用的程度。

4 具體解決方案

計算科學已經(jīng)和理論科學、實驗科學并列成為推進社會文明進步和科技發(fā)展的三大手段，與之對應的是三大科學思維：理論思維、實驗思維與計算思維，計算思維是人類科學思維活動固有的組成[1]。多年的教學經(jīng)驗和調(diào)查研究結(jié)果[2]表明，通過計算思維能力的培養(yǎng)可以從上層統(tǒng)一不同專業(yè)和受教育者個體的需求差異，成為大學計算機教育的終極目標。具體的做法是以計算機系統(tǒng)理論為內(nèi)容標準，以計算思維能力培養(yǎng)為核心凝練教學內(nèi)容，幫助學生有效地完善知識結(jié)構(gòu)、構(gòu)建知識體系，同時結(jié)合專業(yè)需求調(diào)整教學大綱中的內(nèi)容重點、建設教學案例、設計實踐內(nèi)容；既考慮到計算機基礎課程的通識課程定位，滿足通識教育的特點“超越學科界線、拓寬專業(yè)基礎、優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)”[3]，又能夠滿足不同專業(yè)的差異化需求。

圍繞計算思維能力培養(yǎng)，在課程體系架構(gòu)上，從通識教育課、新生研討課、計算機入門課、計算機技術應用課4個方面，建立完善的課程體系，如圖1所示。

圖1 課程體系

其中，計算思維導引是通識教育課程，面向全校新生講授高級算法設計思想和技術。在各專業(yè)平臺課程群中，為適應不同專業(yè)學科的人才培養(yǎng)開設相應的課程，包括為匡亞明院、電子學院、數(shù)學系等類計算機專業(yè)開設程序設計基礎課，為理工科專業(yè)開設C語言程序設計課，為醫(yī)學、建筑等專業(yè)開設VB程序設計課，為文科開設Python程序設計課等平臺課程，為全校非計算機專業(yè)開設大學計算機應用、大學計算機信息技術等平臺課程。在各專業(yè)選修課程群中，開設數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)分析、高級數(shù)據(jù)處理技術、信息安全、計算與思維、用Python玩轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)等面向文理科的高級應用技術課程。

教學內(nèi)容上，將學生已有的知識碎片和技能孤島進行有效地補充、串聯(lián)，梳理成知識體系，挖掘各種應用背后不變的思想和規(guī)律，在有效實現(xiàn)知識建構(gòu)的同時，潛移默化、自然而然地培養(yǎng)學生的計算思維能力，并通過與專業(yè)結(jié)合的案例驅(qū)動不斷經(jīng)由實踐和應用內(nèi)化為一種基本的思維習慣，以此讓身處在計算和數(shù)據(jù)時代的學生能將計算的思想、技術、方法和知識與專業(yè)研究、職業(yè)需求及創(chuàng)業(yè)夢想有機結(jié)合，以支撐其未來可能面對的各種發(fā)展變化和應用需求。因此，基礎課的大綱在計算思維微核心保持一致的基礎上與專業(yè)契合，在教學案例、課程實踐和應用設計上嵌入式區(qū)分，分層次教學。與專業(yè)結(jié)合的計算思維微核心結(jié)構(gòu)如2所示。

以計算思維為微內(nèi)核凝練的教學內(nèi)容，改變了關于計算機“狹義工具論”的觀點，使課程更好地定位于通識基礎，輔以各種教學手段，具有很好的兼容性、適應性和可擴展性；擺脫淺層技能培訓、疲于表面更新的窘境，通過MOOC、微課提供豐富的教學資源，結(jié)合線上線下知識來源的多樣性，彌補學生的差異，增強課程的可擴展性。翻轉(zhuǎn)課堂充分發(fā)揮學生的主體地位，將教學內(nèi)容通過具體的應用場景進行表達，加強學習的深度；加強實踐環(huán)節(jié)，使知識水平、能力、思想認知都得以提高，采用團隊形式完成具有一定難度和規(guī)模的課程設計，并挖掘優(yōu)秀作品參加各級競賽，增加學生學習提升的機會，且通過團隊合作和團隊競爭，培養(yǎng)學生的大局意識、協(xié)作精神和服務奉獻精神；通過教育周活動拓展課堂內(nèi)容，圍繞每年的熱點展開，通過講座、競賽、項目體驗等各種活動了解最前沿的科技、社會對計算機應用人才的需求、畢業(yè)后如何運用計算機知識和技能在職場打拼、怎樣更好地學習計算機等。

圖2 與專業(yè)結(jié)合的計算思維微核心結(jié)構(gòu)

此外，在厚基礎、重實踐的同時，通過舉辦計算機教育周活動將計算機基礎課程的內(nèi)容從教室延伸至校園，將計算機應用人才的培養(yǎng)從大學引向社會。教育周一般以當年的計算機熱點為主題，通過學術界、企業(yè)界的各種報告，數(shù)據(jù)處理、信息安全、程序設計等各項賽事以及前沿科技的體驗活動對課堂延伸，擴展思維，啟發(fā)創(chuàng)新，在校園內(nèi)掀起計算的熱潮，營造從基礎學習到發(fā)展創(chuàng)新的氛圍。

5 教學效果

本教學方案從2010年開始調(diào)研論證，經(jīng)過嘗試和完善，從2013年開始在南京大學正式全面實施，學生對以計算思維為導向的教學體系、內(nèi)容及翻轉(zhuǎn)課堂、教育周、MOOC等形式都非常認同。

教師和課程獲得了較好的評價，如“教學內(nèi)容非常好，把抽象的計算機基礎用貼近生活實際的例子講得生動可感；課件設計特別好，詳略得當，且內(nèi)容豐富；注重對計算機思維與能力的培養(yǎng)”“上C語言的課不僅僅是為了拿到必修的學分，更是為了領略編程、算法的樂趣”……近5年來，團隊教師的上課平均分為4.87分（總分5分）。在課程體系中對實踐教學非常重視，組織學生以團隊方式結(jié)合專業(yè)興趣選擇項目，并進行實戰(zhàn)開發(fā)，要求每位學生至少完成200行的代碼，使得學生既得到鍛煉，又完成具有實際應用價值的作品，在成就感的驅(qū)動和教師的指導下不斷改進完善自己的作品。采用以賽促教的形式，通過答辯評選和推送優(yōu)秀作品參加中國大學生計算機設計大賽，近5年來獲得一等獎2項、二等獎7項、三等獎10項。學生在競賽中不僅學到了更多的知識和技能，還培養(yǎng)了團隊協(xié)作互助的精神。此外，建立了較為完善的教學助理（TA）機制，通過助教選拔、工作職責的制度化，與教師教學的深度配合，學生與課程、學生與學生、高年級學生與低年級學生、教師與學生之間形成了完整的教學多節(jié)點互通模式，借助于學習平臺、社交平臺等實現(xiàn)課內(nèi)與課外、線上與線下的互聯(lián)與互通，借由計算機教育周中數(shù)十場報告、競賽、體驗等活動擴展課堂、啟發(fā)創(chuàng)新，全方位保證實踐教學效果的提升。

6 結(jié) 語

以計算思維能力培養(yǎng)統(tǒng)一專業(yè)需求的差異，建立完善的信息技術課程體系；課程內(nèi)容圍繞計算思維微內(nèi)核，與專業(yè)結(jié)合制訂大綱、設計案例、實踐應用；課程形式多樣化，MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂、課內(nèi)外實踐訓練相結(jié)合，對課程內(nèi)容和形式進行有效設計，實踐內(nèi)容與學科競賽相結(jié)合，舉辦集講座、競賽、新技術體驗等于一體的教育周活動等，全方位、多角度地為學生提供計算機基礎教學。實踐證明，本套教改方案適應于當下人才培養(yǎng)的需求，有助于培養(yǎng)學生以計算思維為基礎、與專業(yè)相結(jié)合的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力。