王占全, 文欣秀, 楊澤平, 顧春華, 胡慶春

(1. 華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237；2. 上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

0 引 言

目前，我校制定了各種政策大力支持大學(xué)生參加各種創(chuàng)新活動(dòng)(如大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)、USRP、各種創(chuàng)新基地，講座，實(shí)踐課程，競賽課程等)，不僅鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，也提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，在實(shí)踐和反饋中經(jīng)過與指導(dǎo)教師、學(xué)生調(diào)研后，也發(fā)現(xiàn)一些問題：

(1) 創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)類型雖多，但之間缺乏聯(lián)動(dòng)。在本校計(jì)算機(jī)類的實(shí)踐活動(dòng)很多，如課程中進(jìn)行的各種課程設(shè)計(jì)實(shí)踐(如大作業(yè)實(shí)踐)；開設(shè)的17個(gè)實(shí)踐活動(dòng)講座；10種性化定制的實(shí)踐項(xiàng)目；藍(lán)橋杯訓(xùn)練班；計(jì)算機(jī)類大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)(國家級/市級/校級)；3個(gè)計(jì)算機(jī)相關(guān)競賽(上海市計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力大賽(市賽)，中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽(國賽)和藍(lán)橋杯競賽)等，這些活動(dòng)并沒有統(tǒng)一起來，都是各自選擇報(bào)名，教師各自管理自己的學(xué)生，之間交互少，因此數(shù)據(jù)信息無法充分共享，學(xué)生之間交流不便，不利于學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力綜合素質(zhì)的提高。

(2) 實(shí)踐活動(dòng)知識較多，但重疊性多且缺乏統(tǒng)一規(guī)劃。計(jì)算機(jī)類實(shí)踐的項(xiàng)目很多，這些項(xiàng)目在知識內(nèi)容上亦由相應(yīng)教師自己設(shè)置，由于單個(gè)實(shí)踐活動(dòng)項(xiàng)目有知識體系，但是活動(dòng)之間的實(shí)踐知識體系內(nèi)容缺乏，紐帶缺乏，就導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐知識缺乏完整的知識體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響學(xué)生的整體性計(jì)算機(jī)相關(guān)實(shí)踐知識培養(yǎng)。

(3) 各種創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)難以分級，因此難易程度有別，導(dǎo)致學(xué)生抵觸情緒。由于各種計(jì)算機(jī)類創(chuàng)新活動(dòng)數(shù)目眾多，對許多剛?cè)胄５囊荒昙壭律?，不清楚自己的?yōu)勢與潛力所在，盲目地報(bào)名參加一些創(chuàng)新活動(dòng)之后，發(fā)現(xiàn)自己的知識和能力有限，而自己的指導(dǎo)老師又因?yàn)闀r(shí)間有限無法提供系統(tǒng)的指導(dǎo)，自信心非常受打擊，進(jìn)而在大二和大三對各種創(chuàng)新活動(dòng)產(chǎn)生畏懼情緒，理所當(dāng)然就認(rèn)為這些實(shí)踐活動(dòng)沒有效果。

(4) 各類創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)缺乏良好的指導(dǎo)制度和過程監(jiān)控。在指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生各類實(shí)踐活動(dòng)中，根據(jù)過去5年數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐如果沒有統(tǒng)一的制度保證，很難取得好的成績，因此要形成好的指導(dǎo)制度；另外在實(shí)踐指導(dǎo)過程中，基于過程指導(dǎo)是非常重要的，如果僅憑報(bào)名階段和最后階段進(jìn)行指導(dǎo)，效果就很一般，因此研究組織實(shí)踐活動(dòng)的過程監(jiān)督考核，和指導(dǎo)學(xué)生作品中過程考核方法等。

最近3年，在“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新” “互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和各類計(jì)算機(jī)競賽活動(dòng)支持下，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)正處于一個(gè)非常好的環(huán)境，如何為大學(xué)生提供更好的環(huán)境和體系支撐，是需研究的一個(gè)重要內(nèi)容。因此，在我校多個(gè)計(jì)算機(jī)類創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中，如何改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)模式，思路如下：在系統(tǒng)授課的課堂上正確地引導(dǎo)學(xué)生，鼓勵(lì)他們將所學(xué)的知識點(diǎn)和自己的興趣點(diǎn)結(jié)合起來；在短學(xué)期講座中，講解計(jì)算思維初步概念等[1]，總體使用計(jì)算思維知識并細(xì)化貫穿到各個(gè)實(shí)踐模塊中，幫助他們運(yùn)用所學(xué)知識去分析與解決專業(yè)學(xué)習(xí)中的的實(shí)踐問題、提高專業(yè)應(yīng)用能力，最后進(jìn)行各種競賽和研究。下面結(jié)合我校計(jì)算機(jī)創(chuàng)新實(shí)踐情況介紹在以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力創(chuàng)新能力為核心的實(shí)踐教學(xué)觀念指導(dǎo)下的一些改革措施與體會(huì)。

1 多層實(shí)踐活動(dòng)聯(lián)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)體系

經(jīng)過多年計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的探索與實(shí)踐，以及同行經(jīng)驗(yàn)逐步形成了適合我校計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)的分層次實(shí)踐體系與內(nèi)容[2-4]。根據(jù)本校實(shí)際情況和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，針對原有創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中的內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，強(qiáng)化計(jì)算思維力度(分為計(jì)算思維初步，編程思維，數(shù)據(jù)思維和工程系統(tǒng)思維)，并細(xì)化計(jì)算思維與多層創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)相結(jié)合，建設(shè)了創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)聯(lián)動(dòng)的計(jì)算思維導(dǎo)向圖。分為3個(gè)層次，計(jì)算思維概念講解層；編程思維和數(shù)據(jù)思維訓(xùn)練層；系統(tǒng)思維提高層等，如圖1所示。在此基礎(chǔ)上，對實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容中計(jì)算思維的融入，實(shí)踐活動(dòng)的聯(lián)動(dòng)，多元評價(jià)和制度形成等問題進(jìn)行了研究。

圖1 多層計(jì)算機(jī)類實(shí)踐活動(dòng)中計(jì)算思維切入導(dǎo)向圖

2 計(jì)算思維為切入點(diǎn)的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)研究

計(jì)算思維作為三大科學(xué)思維方式之一，正在改變著大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的教學(xué)模式。其受到了國內(nèi)外計(jì)算機(jī)界的廣泛關(guān)注。培養(yǎng)計(jì)算思維能力是當(dāng)前國內(nèi)外大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的重要組成部分[5-11]，也是我們指導(dǎo)各類創(chuàng)新實(shí)踐作品的重要組成部分。因此在計(jì)算思維驅(qū)動(dòng)下，理順和優(yōu)化各個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的內(nèi)容，并根據(jù)創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容(強(qiáng)調(diào)實(shí)踐，系統(tǒng)和作品完成等)和同行經(jīng)驗(yàn)對計(jì)算思維進(jìn)行細(xì)化為計(jì)算思維概念，編程思維，數(shù)據(jù)思維和工程系統(tǒng)思維，從課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)探討了培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算科學(xué)思維的結(jié)合點(diǎn)和教學(xué)方法?？傮w研究把計(jì)算科學(xué)思維引入到多層創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)中，并在教學(xué)和實(shí)踐理念上以其為主。在實(shí)踐中初步分為3個(gè)層次，計(jì)算思維概念講解層；編程思維和數(shù)據(jù)思維訓(xùn)練層；系統(tǒng)思維提高層。

2.1 計(jì)算思維概念講解層

在該層使得學(xué)生學(xué)到計(jì)算機(jī)知識時(shí)，要理解計(jì)算思維的概念和日常中一些常用方法(如遞歸、抽象等)[12]，具體例子為：在講座和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，為了能夠在實(shí)踐活動(dòng)體系初期就開始培養(yǎng)計(jì)算思維，在該層次，課題組選擇和設(shè)計(jì)了一組算法介紹案例。對于相關(guān)案例的選擇，必須充分體現(xiàn)出以培養(yǎng)計(jì)算思維為核心的特點(diǎn)，案例不需要過多，但一定要講授得詳細(xì)。例如“遞歸”問題，教師們都知道是一個(gè)理解計(jì)算機(jī)編程思想的好例子，但是如果只是泛泛地介紹過程和結(jié)論，并不能很好地幫助學(xué)生理解。我校開展的教學(xué)實(shí)踐中，對“遞歸”問題使用了日常生活中案例式教學(xué)，首先通過生活案例來說明該問題，讓學(xué)生對“遞歸”進(jìn)行嘗試性的解決，然后再對該方法進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹，讓學(xué)生樹立了計(jì)算機(jī)絕大多數(shù)問題可以遞歸解決，幫助學(xué)生形成對于“遞歸”的第一印象。

2.2 編程思維和數(shù)據(jù)思維訓(xùn)練層

在講解編程思維和數(shù)據(jù)思維時(shí)要從計(jì)算機(jī)觀點(diǎn)出發(fā)講解冗余，抽象，折中等。在該層次，分為選拔機(jī)制和計(jì)算思維融入講解部分。該層主要以實(shí)踐課程為主，是學(xué)生計(jì)算思維能力提高很重要的層次。因此從選拔和培養(yǎng)過程中就設(shè)置了計(jì)算思維的融入，具體選拔機(jī)制如圖2所示。

圖2 實(shí)踐競賽機(jī)制以及選拔機(jī)制

在講解中要啟發(fā)式教學(xué)，主要是學(xué)生經(jīng)過前期準(zhǔn)備已經(jīng)進(jìn)入了各種實(shí)踐和大作業(yè)實(shí)踐中，能夠使用計(jì)算機(jī)思維的知識來解決問題，再如遞歸，計(jì)算機(jī)編程部分絕大問題可以用遞歸解決，比如循環(huán)，輸入輸出，階乘等。再如折中問題的討論，通過講解冒泡排序，選擇排序和簡單選擇排序讓學(xué)生判斷好壞，和在時(shí)間和內(nèi)存選取中進(jìn)行折中的問題思考等。

2.3 系統(tǒng)思維層

系統(tǒng)思維是一種整體思維，把認(rèn)識對象作為系統(tǒng)來看待，要求從系統(tǒng)和要素、要素和要素、系統(tǒng)和環(huán)境的相互聯(lián)系、相互作用中分析問題、解決問題。而針對提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力而言，針對各種作品或其中問題，培養(yǎng)學(xué)生要從整體上把控，建立適應(yīng)社會(huì)的需求，從中抽象出系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能等，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解。并考慮各個(gè)模塊的關(guān)系，最終進(jìn)行作品的形成和各種測試，最后要理解系統(tǒng)的應(yīng)用對社會(huì)造成影響等意識。在各類競賽和科研平臺中，強(qiáng)調(diào)該方法的運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力和工程能力。

3 多層實(shí)踐活動(dòng)中實(shí)踐內(nèi)容建設(shè)和素質(zhì)培養(yǎng)

針對本校實(shí)際情況(如化工、機(jī)械和信息特色顯著等)和同行經(jīng)驗(yàn)[12-15]，在各個(gè)實(shí)踐內(nèi)容方面，在計(jì)算思維引導(dǎo)下，設(shè)置了一些與上述專業(yè)有關(guān)的案例和實(shí)踐內(nèi)容等。開設(shè)的實(shí)踐內(nèi)容如圖3所示。

設(shè)置了如下步驟：學(xué)生從入學(xué)之初，在課堂中和各種講座中獲取計(jì)算機(jī)知識以及融合專業(yè)的知識，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)課程實(shí)驗(yàn)和各種實(shí)踐。教師使用混合式學(xué)習(xí)方法等講解計(jì)算思維概念，并講解設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)大作業(yè)方法和展示往屆作品，通過以上活動(dòng)等喚醒學(xué)生創(chuàng)新意識；在計(jì)算思維概念深入講解下學(xué)生在課內(nèi)進(jìn)行例子框架作業(yè)、大作業(yè)實(shí)踐和課外參加各種實(shí)踐等，以及參加各種定制化的實(shí)踐項(xiàng)目等，以此進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)算思維編程訓(xùn)練。和初步的創(chuàng)新能力培養(yǎng)；最后學(xué)生做出作品和參加各種競賽活動(dòng)，其中指導(dǎo)學(xué)生參加全國大學(xué)生智能互聯(lián)大賽等，以此進(jìn)行系統(tǒng)思維和工程思維訓(xùn)練，進(jìn)入計(jì)算機(jī)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)等進(jìn)行創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)。

4 實(shí)踐活動(dòng)中基于過程的多元評價(jià)體系研究

根據(jù)前述對于計(jì)算思維的理解和計(jì)算思維驅(qū)動(dòng)的“目標(biāo)-內(nèi)容”二維模型(簡稱CT-CDT模型)，并根據(jù)我校學(xué)科情況，使用小組指導(dǎo)，大作業(yè)實(shí)踐模式等，在實(shí)踐指導(dǎo)中強(qiáng)調(diào)激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，擬采用內(nèi)省式教學(xué)(Reflection)方法策略，即學(xué)生自評(Self Assessment)，并結(jié)合采用小組互評的方法(Peer Assessment)，組合成多元評價(jià)體系。所評價(jià)的學(xué)習(xí)內(nèi)容(CD-CDT)是每一個(gè)實(shí)踐模塊的學(xué)習(xí)中，針對本模塊和計(jì)算思維概念相關(guān)的最重要的知識點(diǎn)，評價(jià)學(xué)生自我設(shè)計(jì)的案例。計(jì)算機(jī)類實(shí)踐活動(dòng)是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程群，并且有一定的難度(由于大環(huán)境課時(shí)壓縮等)，如果中間節(jié)點(diǎn)不控制，僅憑最終檢查實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐內(nèi)容，就會(huì)出現(xiàn)很多問題。因此中間環(huán)節(jié)進(jìn)行考核是非常重要的，根據(jù)實(shí)踐課程實(shí)際情況，提出了基于過程實(shí)踐活動(dòng)中多元評價(jià)方法，如圖4所示。

5 創(chuàng)新實(shí)踐成效顯著

近4年通過該體系建立，我校學(xué)生的理論實(shí)踐水平有了很大提高，特別是計(jì)算思維能力，學(xué)生學(xué)習(xí)使用從計(jì)算機(jī)的角度去分析問題，解決問題，這些提高直接有力地反映到實(shí)踐創(chuàng)新模塊中，取得了很好的成績，并且自計(jì)算思維為切入點(diǎn)的實(shí)踐活動(dòng)聯(lián)動(dòng)模式實(shí)施后，其成績?nèi)〉昧孙@著進(jìn)步，近年來，參與人數(shù)連續(xù)增加，平均每年遞增22.45%。說明學(xué)生更加感興趣參加各類比賽了；獲得市級以上競賽獎(jiǎng)項(xiàng)數(shù)目，連續(xù)3年遞增，其年平均遞增55.17%，獲得國家級獎(jiǎng)項(xiàng)也是遞增的，連續(xù)2年平均遞增45.63%，說明經(jīng)過教學(xué)改進(jìn)，其過程監(jiān)控，計(jì)算思維能力培養(yǎng)導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力提高是非常顯著的，并且有兩組已經(jīng)取得了創(chuàng)業(yè)的成功，具體成績見表1。通過隨機(jī)抽樣，收集了177份參加過本部門創(chuàng)新平臺的學(xué)生的資料，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示出國或港澳地區(qū)學(xué)習(xí)32人，比率為18.1%；繼續(xù)深造讀碩士學(xué)位以上的達(dá)161人，比率為91.1%，并且其他專業(yè)學(xué)生深造計(jì)算機(jī)專業(yè)的比率76.3%。在該計(jì)算思維切入創(chuàng)新實(shí)踐聯(lián)動(dòng)平臺下，學(xué)生對計(jì)算思維的理解更加深入，絕大部分學(xué)生能夠使用該思維能力，并運(yùn)用到后期各類計(jì)算機(jī)的實(shí)踐和課程中。

圖3 實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容設(shè)計(jì)和素質(zhì)能力培養(yǎng)研究

圖4 多層實(shí)踐活動(dòng)中多元評價(jià)的策略和方法

在該項(xiàng)目的實(shí)施下，也取得了一些上海市級教學(xué)成果獎(jiǎng)的獎(jiǎng)勵(lì)。以該論文研究內(nèi)容為部分基礎(chǔ)，獲得了上海市教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

表1 創(chuàng)新實(shí)踐成績一纜表

2015～2016，2016～2017四次獲得大賽優(yōu)秀組織獎(jiǎng)。*8月參加國賽，人數(shù)可能變化，所以約400人

6 結(jié) 語

在目前形勢下，計(jì)算機(jī)類創(chuàng)新實(shí)踐基地的聯(lián)動(dòng)實(shí)踐改革是一個(gè)值得深入探討和參與的課題，為此提出以計(jì)算思維為切入點(diǎn)的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)聯(lián)動(dòng)研究。 實(shí)踐表明，新體系取得了較好的成績，學(xué)生通過聯(lián)動(dòng)的計(jì)算機(jī)類創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)，學(xué)會(huì)使用計(jì)算科學(xué)思維思想去思考在現(xiàn)實(shí)世界中如何用計(jì)算機(jī)工具去解決問題，從而更好地培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力，進(jìn)而提高了學(xué)生創(chuàng)新能力。但是每一種體系模式都有兩面性，能否帶來良好的效果在實(shí)施過程中還需根據(jù)本校的實(shí)際情況量體裁衣，因地制宜，才能達(dá)到好的效果。