| 标题 | 面向新工科的大学计算机基础课程体系及课程建设 |
| 范文 | 何钦铭 王浩 摘 要：新工科建设给大学计算机基础教学带来了新挑战与新机遇。新时期的大学计算机基础教学要围绕通识型课程、技术型课程以及交叉型课程组成有机关联的、具有层次的“宽、专、融”课程体系，并形成对四年专业培养的持续支撑；在课程建设方面，要加强计算机通识课程和交叉课程的建设，加强教学方法改革，注重学生计算思维能力和新技术应用能力的培养。 关键词：大学计算机基础教学；新工科；课程体系；课程建设；计算思维 随着大数据、云计算、人工智能、区块链等新技术的快速发展和广泛应用，以技术创新为驱动的产业变革和社会变革正席卷而来。以互联网产业化、工业智能化、工业一体化为代表第四次工业革命浪潮对工程教育提出了新的挑战。新工科建设亟须运用面向人工智能、大数据、云计算、物联网、区块链等新一代信息技术，探索基于现有工科专业改造升级的新方向、新领域。因此，新工科强化了对于所有学生开设计算机课程的必要性，强化了计算机课程教学目标的思想性和实用性，强化了对于计算机应用的理解和实践，强化了计算机课程跨学科创新能力培养要求。 大学计算机基础教学是面向全体大学生提供计算机知识、能力、素质方面教育的公共基础课程，其培养目标包括：认知与理解计算系统和方法，掌握应用计算机技术分析解决问题的方法，正确获取/评价与使用信息的素养，基于信息技术手段的交流与持续学习能力[1]。因此，大学计算机基础教学承担着面向非计算机类专业学生计算机知识、能力和素质的培养任务，在新工科建设中起着不可替代的重要作用。 然而，面对新时期对学生计算思维与信息融合集成创新能力提出的新要求，现有许多高校工科专业的计算机基础教学普遍存在：（1）教 学内容陈旧，较少引入以“云、物、移、大、智”为代表的新技术的丰富内容，使工科毕业生难以应用新技术进行创新；（2）缺乏交叉融合的教学内容研究和典型的交叉融合课程，使计算机基础教学对学生后继计算机应用和创新能力的支撑不够；（3）一些高校一味压缩计算机课 时，无法建立系统化的课程体系和实践体系以加强学生信息融合创新能力的培养。因此，目前许多高校的计算机基础教学在课程体系、教学方法、教学质量等方面，与新时代的新要求都有很大差距。 一、大学计算机基础教学课程体系的演变 随着计算机技术日新月异的变化和社会对复合型人才的需求，计算机基础教育从无到有、由点到面扩大，从少数理工专业率先实践，发展为所有高校的非计算机专业普遍开设相应课程。在早期（20世纪80年代），大学计算机基础教学没有自己专门的课程体系，计算机基础课程主要以程序设计类课程为主，如谭浩强教授的程序设计类教材是当时各专业学习计算机的主要教材。自1997年教育部关于加强计算机基础教学工作意见的指导性文件（155号文件）发布后，我国高校计算机基础教学课程体系才开始形成，并经历了“三个层次”课程体系到“1+X”课程体系的演变[2]。 1.“三个层次”课程体系 1997年，在我国计算机基础教学历史上具有里程碑意义的指导性文件——教育部高教司关于《加强工科非计算机专业计算机基础教学工作的几点意见》（简称155号文件）正式发布。文件明确了计算机基础教学在大学教育中的重要地位，提出了高校要将计算机课程纳入学校基础课的范畴进行建设。文件提出了工科非计算机专业的计算机基础教学应该达到的基本目标，并且提出了计算机基础教学三个层次的课程体系，即：计算机文化基础，计算机技术基础，计算机应用基础。 在这种分层教学课程体系的指导下，各校根据自己的情况选择层次结构并确定课程方案。经过数年的发展，形成了一种比较典型的课程体系方案，即“三个层次五门课”：第一层次的“计算机文化基础”课程；第二层次的“计算机软件技术基础”和“计算机硬件技术基础”课程；第三层次的“计算机信息管理基础”和“计算机辅助设计基础”课程。 2.“1+X”课程体系 进入21世纪以来，社会信息化的急速发展，计算机技术与众多专业的融合已成为一种趋势，各专业对学生的计算机应用能力的要求日趋强烈且呈多样化特点。同时，中小学计算机教育开始步入正轨并逐步普及。在此背景下，专业的要求、个人的兴趣、就业的导向等多种因素促使学生学习计算机的热情不减，对计算机课程的期望值也在升高，尤其希望学校能开出不同档次、不同类型的计算机课程，以满足各自不同的需求。 2006年，教育部高等学校非计算机专业计算机课程教学指导分委员会提出在新形势下进一步加强高校计算机基础教学的意见，即《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见暨计算机基础课程教学基本要求》（简称“白皮书”）。白皮书提出了计算机基础教学“4个领域×3个层次”的教学内容知识体系总体架构，并在此基础上考虑各专业应用计算机的特点、差异和学时限制，提出了“1+X”的课程方案，即1门“大学计算机基础”（必修）加上几门重点课程（必修或选修）。“1+X”课程体系提出开设一门具有大学水準的基础性课程（故名“大学计算机基础”），使学生能在一个较高的层次上认识计算机和应用计算机。 2009年，教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会在2006年计算机基础教学白皮书的基础上，发布了《高等学校计算机基础教学发展战略研究报告暨计算机基础课程教学基本要求》（简称“基础要求”）。“基础要求”进一步针对“1+X”的课程设置方案提出了核心课程的基本要求，并针对不同的学科门类，给出了基于“1+X”体系的核心课程组成。 理工类：大学计算机基础、程序设计基础、微机原理与接口技术、数据库技术及应用、多媒体技术及应用、计算机网络技术及应用。 医药类：大学计算机基础、程序设计基础、数据库技术及应用、多媒体技术及其在医学中应用、医学成像及处理技术、医学信息分析与决策。 农林（水）类：大学计算机基础、程序设计基础、数据库技术及应用、计算机网络技术及应用、数字农（林）业技术基础、农（林）业信息技术应用。 与此同时，教育部高等学校文科计算机基础教学指导委员会在2008年出版了《高等学校文科类专业大学计算机教学基本要求》[3]，针对文科类专业计算机应用的特点，提出了“1+X+Y”的课程体系方案。“1”即计算机公共基础课程（大公共课程），“X”为面向不同文科专业类别的小公共课程（专业基础课），“Y”为具有计算机背景的专业课程。该基本要求还设计了计算机大公共课程和小公共课程的知识模块体系，供各校根据实际情况组成相应的课程。 随着计算机技术在经济与社会各个领域中的应用越来越深入、融合创新越来越强，以及基础教育中信息技术教育的推广，大学计算机基础教学培养计算机技术应用能力和计算思维能力的要求更加强烈。简单、统一的计算机基础课程体系已经无法应对不同类别专业和不同层次学校的需求。因此，一种柔性、可支撑分类分层次计算机基础教学的课程体系就成了必然要求。 二、“宽、专、融”的大学计算机基础课程体系 课程体系建设是构建在培养目标以及知识体系基础上的。大学计算机基础教学知识体系涉及以下3个知识领域[1]。 （1）系统平台与计算环境。涉及计算机硬件结构、操作系统、网络平台等方面的基础知识以及信息与社会方面的内容，其子领域有：信息与社会、计算机系统、计算机网络。 （2）算法基础与程序开发。涉及计算基本原理、程序设计语言、程序设计基本方法、算法基础以及软件开发方法等方面的内容，其子领域有：计算模型、算法与程序设计、软件开发。 （3）数据管理与信息处理。涉及应用计算机系统进行数据分析与信息处理的基本技术与方法，典型的有数据库技术、多媒体信息处理技术、智能技术等，其子领域有：数据组织与管理、多媒体信息处理、分析与决策。 在上述知识体系中，“系统平台与计算环境”方面的内容主要以大学计算机入门课程、通识型课程等形式出现；“算法基础与程序开发”方面的课程作为支撑今后计算机应用的技术基础，主要以技术型课程形式出现；“数据管理与信息处理”作为面向不同专业计算机应用的基础，以技术型或者交叉型课程的形式出现。 因此，针对新工科人才培养的需求，结合面向的对象群体、教学目标和内容，我们可以将大学计算机基础教学课程大致分为以下三类。 （1）面向基本素养培养的通识型课程。这类课程没有明显的专业指向性，重点培养计算机基础教学中的基本知识、基本原理，包括计算机系统有关的基础知识、计算机基本应用技能、程序设计基本方法、信息技术与社会发展等。这些课程往往作为入门课程以及必修课程，典型的有：大学计算机基础、计算机科学导论等。 （2）作为计算机应用基础的技术型课程。这些课程有比较明显的专业类指向性，同时具有很大范围的专业覆盖性，重点根据计算机技术在专业领域中的应用特点，使学生掌握某一方面的计算机技术能力，为今后的专业应用打下基础。典型的课程有：程序设计基础、数据库技术与应用、多媒体技术与应用，以及新技术方面课程如人工智能、虚拟现实、大数据技术、区块链技术等。 （3）计算机技术与专业结合的基础性交叉型课程。这些课程将计算机技术与专业应用直接结合，从专业需求角度展现计算机应用的技术和方法，具有比较明显的专业特征。典型课程有：社会计算、数字设计与计算机仿真、信息产品设计基础、工业互联网、智能系统基础、机器人技术基础等。 目前，大多数大学计算机基础教学教师承担的课程主要集中在第（1）类课程和第（2）类的 部分课程，以及极少量的第（3）类课程。 我们认为，面向新工科的大学计算机基础课程体系应该是：（1）具有弹性和柔性，可适应不同层次学校和不同工科专业的大学计算机基础教学要求，便于实现分类分层次教学； （2）可以对专业四年教学形成全程支撑，“四年不断线”，而不仅仅是大学一、二年级的课程，这样才具有更强渗透性和更深入应用支撑。 因此，我们提出一种基于上述三种类型课程构建课程体系的思路，即“宽、专、融”的课程体系建设方案，在通识教育、技术基础、学科交叉等不同层面实现面向非计算机专业的计算机基础教学任务。“宽、专、融”课程体系不是刚性的、由固定课程构成的课程体系，而是由三类课程组成有机关联的、具有层次的课程体系。各高校可根据人才培养的定位和学生基础，设计各个类别具体的课程，以满足不同专业类别的需求，更好地实现交叉融合，支撑计算机基础教学课程在大学四年教学中的全程渗透。 下表说明了“宽、专、融”三类课程的不同定位，以及典型的课程。 三、以交叉融合和强化实践为特征的课程建设 课程建设是落实大学计算机基础课程体系和保证大学计算机基础教学质量的重要环节。课程建设主要是课程内容和实践内容建设，以及教学方法改革等。面向新工科的大学计算机基础教学课程内容建设方面，重点需要抓好以下三件事。一是研究通识型计算机课程的内容体系和教学方法，突出计算思维能力培养；二是建设一批反映新技术（如大数据、人工智能、物联网）和新产业需求的技术基础型课程，使新工科学生更好地了解和掌握计算机新技術；三是研究建设一批与专业更好融合的交叉型课程，强化信息融合创新能力和工程实践能力培养。 （1）以计算思维能力培养为核心，加强大学计算机基础通识型课程的建设。一般来说，大学计算机基础教学课程体系中，有一门通识型课程，作为大学计算机基础教学的入门课程，也是介绍计算机基本原理和方法的课程。该课程除加强计算思维能力培养外，还需要适度引入新技术及其影响方面的内容，加深学生对新技术、新业态、新模式的理解。这类课程可以以深度优先方式组织教学内容，比如集中于问题求解这条主线，缩小知识覆盖面，加强内容深度；或者以广度优先方式组织内容，给学生有关系统基础、问题求解基础等相对比较全面的介绍。 （2）以增强学生对新技术的理解和掌握为目标，建设一批技术基础课程。传统的计算机技术基础课程有：程序设计基础、数据库技术基础、网络技术基础、多媒体技术基础等。随着大数据、人工智能、物联网等新技术的涌现以及逐步推广运用，需要开设一批围绕新工科人才培养需求的新技术基础课程，如：人工智 能、大数据技术、虚拟现实、物联网技术等方面的课程。需要针对新工科建设的需求，在课程内容、教学案例、实践内容等方面进行专门设计，不能简单照搬计算机专业课程。 （3）重点建设若干交叉融合课程。以信息化和工业化深度融合为主要目标的“互联网+”是新一代信息技术的集中体现。根据信息技术的使能潜力和交叉融合的威力，需要探索开设一批面向工科专业的交叉型课程，如：智能系统基础、机器人基础、信息产品设计、工业互联网、数字设计与计算机仿真等。 课程建设还要重视实践内容建设和教学方法的改革。新工科专业建设的核心是培养交叉融合能力。面向非计算机专业的课程要避免成为计算机专业课程的知识浓缩，应该是通过提炼的案例以及项目实践，使学生能较快地理解相关技术的应用背景和内涵，并通过动手实践深入理解相应的思想方法，可以不必过分讲究知识的覆盖面。学生通过基于问题或者项目的动手实践，不仅可以进一步理解相应的课程内容，而且可以通过熟悉相关的工具和平台为今后更深入的专业应用打下基础。因此，选择合适的实践内容和良好的实践平台让非计算机专业的学生可以以较快的方式投入实践是很关键的。相应地，教师需要积极推进教学方法改革，树立以学生为中心的教学理念，充分发挥学生的学习积极性和主动性，积极探索问题引导的教学、研究性学习、翻转课堂、基于项目的学习、协同学习等合适的教学方法。 可以充分发挥产学合作的作用，推进实践内容建设和教学方法改革。比如，利用教育部产学合作协同育人项目，在数字化教学资源、实践案例、实验平台和经费上获得产业界的支持。另外，可以积极运用在线课程教学成果，推进慕课和SPOC的应用，实施翻转课堂，加强学生交流研讨，加强动手实践，加强自主学习的能力培养。 一种比较好的课程内容和实践内容建设方法是：打破传统课程内容组织方式，将原来可能属于不同课程的教学内容整合在一起。比如，将程序设计能力培养和新技术应用融合在一起，在北京理工大学开设的一些基于Python的慕课中可以见到类似的例子：Python与机器学习、Python与数据分析等。 四、结语 大学计算机基础课程体系建设和课程建设需要在教学实践中不断提炼和完善，同时逐步形成固化的成果，比如教材。根据上述课程体系和课程建设思路，我们已经组织了浙江大学、华中科技大学、西安交通大学、北京理工大学、合肥工業大学、同济大学、深圳大学、东北师范大学等一些高校的教师共同建设一批面向新工科的大学计算机基础课程系列教材，并计划在未来两年内陆续出版。 新工科的建设对高校计算机基础教学的发展既是机遇也是挑战。高校计算机基础教学质量的提升不仅有利于培养学生在信息社会中必要的计算思维能力，而且有利于提升学生的融合创新能力。高校应该充分认识到大学计算机基础教学的重要性，在课时分配、课程体系建设、教学资源和条件配置等方面给予大力支持。 参考文献： [1] 大学计算机课程教学指导委员会. 大学计算机基础教学基本要求[M]. 北京：高等教育出版社，2013. [2] 中国高校计算机基础研究会. 中国高等院校计算机基础教育课程体系2014[M]. 北京：清华大学出版社，2014. [3] 教育部高等学校文科计算机基础教学指导委员会. 高等学校文科类专业大学计算机教学基本要求[M]. 北京：高等教育出版社，2008. [致谢：本研究得到教育部新工科研究与实践项目（2018年）的支持] [责任编辑：余大品] |
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