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        軟件文化課程教學(xué)法研究與實(shí)踐

        2019-08-10 03:46:17覃征王國龍
        中國大學(xué)教學(xué) 2019年6期

        覃征?王國龍

        摘 要:本文結(jié)合清華大學(xué)多年來在軟件工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子商務(wù)和工程文化領(lǐng)域的科研和教學(xué)探索,探討了軟件文化教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)。在課堂教學(xué)中引入項目導(dǎo)向式教學(xué)法,創(chuàng)新性地結(jié)合問題研究式教學(xué)法和主題式教學(xué)法創(chuàng)立了“融合式”教學(xué)法。

        關(guān)鍵詞:軟件文化;項目導(dǎo)向式;“融合式”;軟件工程;電子商務(wù);教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

        軟件文化課程是軟件工程學(xué)科在發(fā)展演進(jìn)過程中的重要拓展,是信息科學(xué)、軟件科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科中培養(yǎng)學(xué)生文化素質(zhì)的課程,從知識單元逐步過渡到知識體系,建成以人類計算方法為基礎(chǔ)、以軟件分類為導(dǎo)向、以創(chuàng)新案例為特征、以軟件創(chuàng)新為目標(biāo)、以軟件文化為傳承的軟件文化課程體系。

        清華大學(xué)率先在國內(nèi)開設(shè)“軟件文化概論”課程,該課程主要講述軟件文化的基本概念, 軟件系統(tǒng)的基本構(gòu)成,軟件的劃分標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計原則及應(yīng)用領(lǐng)域。課程注重培養(yǎng)學(xué)生掌握軟件 文化研究的科學(xué)方法,對案例的分析理解能力,使學(xué)生明確最新學(xué)科、交叉學(xué)科在軟件文化創(chuàng)新與發(fā)展過程中所起到的引領(lǐng)作用。軟件文化堪稱是軟件工程領(lǐng)域基礎(chǔ)教學(xué)的“靈魂”和“基石”,本課程自2013年在國內(nèi)首次開設(shè)以來,時刻關(guān)注國內(nèi)外計算機(jī)大類文化素質(zhì)課程的建設(shè)情況,結(jié)合交叉學(xué)科的國際發(fā)展前沿,在建設(shè)課程體系的基礎(chǔ)上不斷完善教學(xué)方 法,變“輸入式”為“融合式”,綜合運(yùn)用多種教學(xué)手段,形成了“軟件文化概論”課程教學(xué)方法。該課程在 2016 年得到“清華大學(xué)本科生教育教學(xué)改革項目”的支持,2017年被選入清華大學(xué)“新生研討課”,在國內(nèi)高校起到了示范引領(lǐng)作用。

        一、國內(nèi)外計算機(jī)大類文化素質(zhì)課程調(diào)研

        在課程建設(shè)初期,國內(nèi)軟件文化課程建設(shè)尚處空白,課程組對國內(nèi)外計算機(jī)大類文化素 質(zhì)課程進(jìn)行調(diào)研。部分歐美高等學(xué)校開設(shè)了計算機(jī)相關(guān)文化課程。例如,加利福尼亞大學(xué)伯克利分校從2015年秋季起每學(xué)期開設(shè)“The Beauty and Joy of Computing”課程,該課程主題為計算之美,主要內(nèi)容包括計算歷史、社會意義、重要理論和未來發(fā)展,以此展示計算應(yīng)用如何改變世界以及計算如何推進(jìn)其他領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)和進(jìn)步;劍橋大學(xué)開設(shè)Foundations of Computer Science,旨在使學(xué)生能夠理解基本的編程規(guī)則,理解基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計。亞洲的高校有很多課程涉及軟件和計算機(jī)的發(fā)展歷程,以及培養(yǎng)軟件從業(yè)人員除了程序開發(fā)以外應(yīng)具備的其他能力。以韓國首爾大學(xué)為例,在軟件工程課程之外,開設(shè)了軟件應(yīng)用課程、IT 創(chuàng)業(yè)課程、IT 領(lǐng)導(dǎo)力研討、計算機(jī)主題研究課程。這些課程介紹了軟件開發(fā)基礎(chǔ),在傳統(tǒng)計算模式的基礎(chǔ)上,集成了其他不同領(lǐng)域的知識,形成了新的模式,使學(xué)生掌握新計算模式下的軟件設(shè)計思維,并形成新的設(shè)計文化。

        國內(nèi)部分高校已經(jīng)開設(shè)了計算機(jī)文化基礎(chǔ)課程。清華大學(xué)開設(shè)的計算機(jī)文化基礎(chǔ)課程, 共計32學(xué)時,主要介紹計算機(jī)基本組成和工作原理、操作系統(tǒng)相關(guān)概念和基本方法、常用工 具軟件、多媒體技術(shù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)、網(wǎng)頁制作;北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)等兄弟高校也開設(shè)了計算機(jī)文化基礎(chǔ)等相關(guān)課程。與此同時,在世界范圍內(nèi),軟件工程作為獨(dú)立的學(xué)科,已產(chǎn)生廣泛的影響力,關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)、社會變革、未來創(chuàng)新等諸多方面,已形成以軟件應(yīng)用為特征的新文化。但是在國內(nèi)外,尚未有人進(jìn)行軟件文化的深入研究。

        為此,清華大學(xué)立足軟件發(fā)展,建設(shè) “軟件文化概論”課程,目的是推動軟件科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。課程旨在使學(xué)生掌握軟件文化的基本概念、通用軟件系統(tǒng)的基本構(gòu)成、世界軟件分類標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外信息化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)典案例和核心推動力;能夠從軟件文化的視角了解人類的計算歷史、計算機(jī)的發(fā)展歷程、信息學(xué)科的發(fā)展歷程和軟件創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)發(fā)展的里程碑,軟件在各領(lǐng)域中的應(yīng)用和未來發(fā)展趨勢;掌握全球軟件的劃分標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計原則及 應(yīng)用領(lǐng)域。掌握軟件文化研究的科學(xué)方法,培養(yǎng)對經(jīng)典案例的探究分析能力,建立起軟件科學(xué)的科學(xué)發(fā)展觀。課程主要內(nèi)容包括三部分:人類計算及計算機(jī)的歷史、世界軟件分類標(biāo)準(zhǔn)、信息產(chǎn)業(yè)與智能軟件應(yīng)用。課程的設(shè)置符合教育部推進(jìn)“新工科”建設(shè)的需求,以軟件文化為軸,將創(chuàng)新前沿與計算機(jī)、控制、數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科交叉融合。

        二、結(jié)合問題研究式教學(xué)法與主題式教學(xué)法

        “軟件文化概論”課程,面向清華大學(xué)全校低年級本科生。由于學(xué)生對計算機(jī)的掌握程 度不同,即使在同年級軟件工程專業(yè)本科生之間,不同人的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)程度也有很大差異,因此盡快使學(xué)生擺脫中學(xué)時“灌輸式”教學(xué)法,適應(yīng)大學(xué)的教學(xué)節(jié)奏是課程能否取得實(shí)效的重要因素。

        為了充分利用各種不同類型的數(shù)字資源,調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性,課程組采用問題 研究式教學(xué)法和主題式教學(xué)法相結(jié)合的“融合式”教學(xué)法規(guī)劃每節(jié)課的授課內(nèi)容及教學(xué)形式。問題研究式教學(xué)法和主題式教學(xué)法在國內(nèi)外著名大學(xué)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,課程組以軟件文化為紐帶,將二者融合起來,形成了獨(dú)特的教學(xué)方式。以問題引領(lǐng)教學(xué),教師結(jié)合學(xué)科前沿提出問題,根據(jù)問題以主題報告的形式論述相關(guān)命題,同時以問題引領(lǐng)學(xué)習(xí),學(xué)生通過研究教師提出的問題,抓住主題建立研究思路,對于課程的學(xué)習(xí)有更深刻的理解。

        二者結(jié)合的過程中,問題的設(shè)計必須依托軟件文化教學(xué)大綱,緊扣交叉學(xué)科前沿,讓學(xué) 生有自己的思維空間,這樣才能讓學(xué)生有拓展自己思維的動力。同時,問題的深度和廣度要 和課程主題的設(shè)計相匹配。主題報告的講授需要對問題起到引領(lǐng)作用,讓學(xué)生在聽課的時候 產(chǎn)生共鳴,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

        目前,課程組以軟件形成和發(fā)展的過程為主線,將“軟件文化概論”劃分為人類計算發(fā) 展的歷史、計算機(jī)發(fā)展的歷程、軟件發(fā)展的歷程、軟件分類、軟件應(yīng)用領(lǐng)域、軟件未來發(fā)展趨勢等主題展開論述。例如,在講授人類計算的歷史時,課程組從工業(yè)背景、學(xué)術(shù)背景、應(yīng)用背景、經(jīng)濟(jì)環(huán)境等角度全面分析了早期計算工具發(fā)展的社會大環(huán)境。每一部分不是簡單分析歷史,而是通過梳理早期計算工具的演化歷程,針對經(jīng)典案例,采用歷史對比的方法形成東西方文化差異性研究,拓寬本科生認(rèn)識問題的能力。通過中美原子彈制作過程中使用的計算工具的差異,引出“計算機(jī)發(fā)展的歷程和軟件發(fā)展的歷程”這一主題。在講授計算機(jī)發(fā)展的歷程和軟件發(fā)展的歷程時,課程組提出了“目前在計算機(jī)領(lǐng)域,是什么引領(lǐng)了這個時代,會給我們帶來什么思考”這一問題。在主題報告中,利用視頻、圖片等形式,課程組通過對不同節(jié)點(diǎn)的梳理引導(dǎo)學(xué)生探究問題:(1)時間節(jié)點(diǎn),代表這個時代的特征是如何推動技術(shù)發(fā)展的。(2)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn),馮 · 諾依曼結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展。(3)運(yùn)算速度節(jié)點(diǎn),從電子管計算機(jī)到超級計算機(jī)的運(yùn)算速度幾何速度增長。(4)應(yīng)用領(lǐng)域節(jié)點(diǎn),是由哪一領(lǐng)域推動,與其他領(lǐng)域怎么樣相輔相成。在分析節(jié)點(diǎn)的過程中,既從事件的視角分析,又從人物的視角分析,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會在科研過程中建立自己的文化生態(tài)環(huán)境。

        軟件分類是軟件文化的重要基礎(chǔ)知識,是根據(jù)國內(nèi)外眾多分類標(biāo)準(zhǔn)而形成的硬性知識。 相比計算機(jī)和軟件的發(fā)展歷程、軟件未來發(fā)展趨勢等主題,看似枯燥,缺乏探究的空間,而 課程組在主題講授過程中,扣住“橫看成嶺側(cè)成峰”的探究問題,引導(dǎo)學(xué)生分別從計算機(jī)硬件、 操作系統(tǒng)、編程語言、編程工具、軟件應(yīng)用等五個視角進(jìn)行比較。這樣以比較的方式,讓學(xué)生感受分類的過程,并在分類過程中不拘泥現(xiàn)有知識框架,通過分析論證的方式驗(yàn)證已有的分類標(biāo)準(zhǔn)。既對已經(jīng)講授過的計算機(jī)和軟件發(fā)展的歷程進(jìn)行了回顧,又對即將講授的軟件應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了展望。通過這種教學(xué)方法成功地將這一段看似簡單枯燥的內(nèi)容變成承上啟下的關(guān)鍵主題。

        講解軟件應(yīng)用領(lǐng)域和軟件未來發(fā)展趨勢時,通過大量案例分析的形式展示了軟件發(fā)展對人們思維方式的影響(如自動化工具、系統(tǒng)分析工具、時間管理工具),軟件發(fā)展對人們生活方式的影響(如共享單車、移動支付),軟件發(fā)展對未來創(chuàng)新的引領(lǐng)(如航空航天、國防軍事、智慧醫(yī)療、科學(xué)探索)。在主題設(shè)計過程中,把軟件文化作為多學(xué)科聯(lián)系的紐帶,以“云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能”等新技術(shù)前沿為基礎(chǔ),鼓勵學(xué)生從信息科學(xué)、生命科學(xué)、人文科學(xué)多角度探究軟件應(yīng)用反映出來的開發(fā)者、用戶群體的文化特征,使學(xué)生能夠在此基礎(chǔ)上理解時代的文化特征對社會變革的推動作用。

        這種開創(chuàng)性的教學(xué)方式對教師的理論深度和廣度有更高的要求,同時要求教師對科技前 沿發(fā)展有深刻的思考。沒有深厚的理論功底和廣闊的知識儲備,在分析問題的時候就容易捉 襟見肘,陷入固化的思維模式,不僅難以和學(xué)生深入交流,更無法促進(jìn)學(xué)生主觀能動性的發(fā) 揮,調(diào)動學(xué)生思考的熱情。近幾年來,結(jié)合“軟件文化概論”課程反饋,課程組先后編著了《軟件文化基礎(chǔ)》《Software Culture》等多部著作并在國內(nèi)外著名出版社出版,為課程教學(xué)打下了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。對前沿科技發(fā)展沒有敏銳的嗅覺會使得課堂變成歷史的回顧,不能夠跟上軟件發(fā)展的腳步,會造成學(xué)生實(shí)際接觸的內(nèi)容和課程內(nèi)容脫節(jié)。當(dāng)然,學(xué)生也無法再像以前一樣,安于課本知識的學(xué)習(xí),問題的導(dǎo)向使得他們必須升華課本知識,從主題報告中汲取營養(yǎng),學(xué)會分析問題、解決問題,提升自己的研究能力。

        三、采用項目導(dǎo)向式教學(xué)法

        課本上的知識都是固定的,更新的速度很難跟上發(fā)展的速度。學(xué)生有能力自學(xué)課本知識, 但是如何把課本知識與工程實(shí)踐相結(jié)合,才是關(guān)鍵所在。雖然“融合式”教學(xué)法已經(jīng)可以讓 學(xué)生學(xué)會解決問題,但是不把學(xué)習(xí)場景放到項目中就無法營造真實(shí)的科研氛圍,也很難培養(yǎng) 學(xué)生在科研過程中的組織、交流和表現(xiàn)能力。作為軟件工程領(lǐng)域基礎(chǔ)課程,“軟件文化概論” 課程更需要逐步培養(yǎng)學(xué)生的自主探索能力和科學(xué)研究能力。因此教師應(yīng)將自己的研究成果和 工程項目融入教學(xué)環(huán)節(jié),以研究課題與學(xué)生交流,使得課程高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

        課程組教師參與完成了多個國家“973”課題、“863”項目、國家自然科學(xué)基金項目、博士點(diǎn)基金項目。項目具有很強(qiáng)的理論性和專業(yè)性,對于學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)具有前瞻性的 指導(dǎo)意義。但是復(fù)雜的工程項目會讓學(xué)生望而卻步,無從下手,甚至難以理解。這就要求教師具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和項目背景,可以將大型工程項目根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)和需求進(jìn)行合理拆分。拆分后的項目“目標(biāo)精細(xì)化,任務(wù)具體化,內(nèi)容重點(diǎn)化”,可以和課堂教學(xué)中引入的問題相呼應(yīng)。

        同樣因?yàn)槭谡n群體層次差異大,拆分后的多個項目需形成難度梯度,適應(yīng)不同層次水平 的學(xué)生選擇。比如在軟件應(yīng)用領(lǐng)域的講授時,課程組對自己研發(fā)的推薦系統(tǒng)平臺進(jìn)行了深入 分析,將平臺拆分成了“數(shù)據(jù)分析子項目”“數(shù)據(jù)建模子項目”“推薦算法子項目”“金融分析子項目”“文化研究子項目”。其中,較為基礎(chǔ)的“數(shù)據(jù)分析子項目”面向剛剛?cè)腴T的計算機(jī)大類學(xué)生;“數(shù)據(jù)建模子項目”和“推薦算法子項目”面向?qū)W有余力、有一定計算機(jī)編程基礎(chǔ)的計算機(jī)大類學(xué)生;“金融分析子項目”面向經(jīng)濟(jì)類和管理類的學(xué)生;“文化研究子項目”針對人文社科類學(xué)生設(shè)計。不同層次,不同背景的學(xué)生都能從應(yīng)用的角度結(jié)合軟件文化主題進(jìn)行研究。不同小組之間不同學(xué)科的同學(xué)也可以通過交流碰撞出思維的火花,獲得多樣化能力的提升。

        在軟件未來發(fā)展趨勢研究中,課程組分析了自己的預(yù)研項目“智能交通”的研究內(nèi)容和 研究重點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生采集分析交通數(shù)據(jù)。參與課程的同學(xué)實(shí)地到學(xué)校附近的交通路口采集車 流量數(shù)據(jù),記錄紅綠燈時間,通過提前自學(xué)圖論的知識,規(guī)劃交通信號燈。

        除此之外,對于學(xué)生根據(jù)個人興趣選擇的項目,教師和助教都會進(jìn)行幫助和指導(dǎo)。部分 本科生選擇通過自主研發(fā)一個游戲來體會軟件文化的內(nèi)涵,感受研發(fā)團(tuán)隊的文化對軟件發(fā)展 帶來的影響,以及對用戶群體的影響。有的團(tuán)隊通過游戲開發(fā)實(shí)現(xiàn)了自己對于英雄的夢想以 及對愛情的思考;有的團(tuán)隊通過游戲開發(fā)對未來人工智能進(jìn)行暢想并闡述了自己的價值觀; 有的團(tuán)隊通過開發(fā)了第一人稱射擊游戲,實(shí)現(xiàn)了從游戲玩家到游戲開發(fā)者的轉(zhuǎn)變。

        四、未來展望

        “軟件文化概論”課程已經(jīng)開設(shè)了6年,課題組嘗試了從不同的視角闡述這門課的教學(xué)思路,取得了一些成績,很多學(xué)生也通過這門課程的學(xué)習(xí)具備了科學(xué)研究能力。立足于國內(nèi)的教學(xué)實(shí)踐,課程組已建立了軟件文化課程教學(xué)體系。依托該教學(xué)體系,課程組已將軟件文化基礎(chǔ)知識、發(fā)展歷程、重要研究成果的里程碑融會貫通,以教材和著作形式先后由高等教育出版社出版《軟件文化基礎(chǔ)》;Springer出版社出版英文版Fundamentals of Software Culture,是國際上首部軟件文化英文著作,全球發(fā)行,產(chǎn)生了廣泛的影響。

        目前,“軟件文化概論”課程已經(jīng)作為軟件工程和計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的文化核心課程之一,同時也作為電子商務(wù)專業(yè)文化基礎(chǔ)課程之一,在清華大學(xué)教學(xué)中使用并在全國高等院校中推廣。該課程將在世界新興起的“工程文化教育”領(lǐng)域和教育部建設(shè)的“金課”領(lǐng)域產(chǎn)生重要的影響,從未來發(fā)展上看,該門課程也具有現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

        [責(zé)任編輯:周 楊]

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