新工科背景下非计算机专业计算机基础课程教学改革研究

［摘 要］新工科建设对大学计算机基础课程教学提出了新的要求。课题组针对非计算机专业计算机基础课程教学现状和问题，为适应交叉性、系统性、实践性和前沿性的新工科专业特色建设需要，对非计算机专业计算机基础课程的培养目标、课程设置、教学方法、实验环节、评价体系进行了全方位多举措的综合改革，以提高学生的计算机应用能力和计算思维素养，满足宽口径、高素质、创新型、复合型高级工程技术人才培养的目标要求。

［关键词］新工科；非计算机专业；计算机基础课程；教学改革

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）12-0109-04

世界范围内新一轮的科技革命和产业变革以及席卷全球的新经济的蓬勃发展对工程教育提出了新的挑战，新工科建设的提出正是对这一挑战做出的积极回应[1]。为响应教育部关于新工科建设系列文件精神，主动服务国家创新驱动发展和智能制造等重大战略实施，结合信息科学与工程学院专业特点，东北大学（以下简称“我校”）在原有自动化、测控技术与仪器等传统工科专业基础上，增设了工业智能专业，作为人工智能与自动化深度融合的新工科专业，瞄准人工智能、智能制造、工业信息化、知识自动化等领域，培养具有人工智能、自动化与计算机综合专业背景，能够在工业智能及相关领域从事科学研究、技术开发、工程实践与技术管理等方面工作的高级工程技术人才。新工科强化了对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，强化了对计算机应用的理解和实践，强化了计算机类课程跨学科创新能力培养的要求[2]。面对新工科培养具有国际化视野和创新实践能力的高素质人才的要求，探索非计算机专业计算机基础课程教学的改革和效果提升具有重要意义。

一、非计算机专业计算机基础课程教学现状与问题

计算机基础课程为非计算机专业学生提供计算机知识、能力与素质方面的教育，旨在使学生掌握计算机、网络及其他相关信息技术的基本知识，培养学生利用计算机分析问题、解决问题的意识与能力，提高学生的计算机素质，为将来利用计算机知识与技术解决专业实际问题打下基础[3]。经过多年的课程建设与发展，我校已形成了一套完整的计算机基础课程教学体系，对传统工科专业人才培养发挥了重要作用。但随着近年来新兴技术的不断涌现、培养目标的提升、生源情况的变化、教学环境和手段的变革，我校教师在实际教学过程中遇到了很多问题，主要表现为以下三点。

（一）课程设置有待优化，内容需要提升

一方面，计算机基础课程用较多学时教授办公自动化软件以及互联网操作，这些技能大部分学生在大学入学前就已经掌握，没有接触过的学生也完全可以通过课外自学逐步熟悉掌握；另一方面，教学内容对云计算、物联网、移动应用、大数据、人工智能、虚拟现实等新技术应用方面的涵盖显得不足。

（二）学生基础参差不齐，教学需要差异化

本科生由于地域、城乡、家庭等原因，其计算机应用初始水平及接受能力参差不齐，尤其是高考录取制度由院校优先改为专业优先后，此类表现更为明显。如何在培养目标不变的情况下合理组织教学以满足不同层次学生的培养要求是需要关注的问题。

（三）教学方法和手段落后，实验环节需要加强

过分注重课堂讲授，对自主学习以及实验环节重视不够。目前，无论学生自有单机设备还是校园网络环境等硬件条件，已经具备随时访问网络资源的能力，教师应该借助信息化平台和网络教学资源建设，丰富教学方法和手段。

二、新工科背景下非计算机专业计算机基础课程教学改革策略

我校新增设的工业智能专业，是由传统自动化学科与人工智能深度融合转型升级的新生学科，强调具有人工智能、自动化与计算机综合专业背景，学生具备计算机基础知识、计算机技术应用能力和计算思维素养尤其重要。针对现行非计算机专业计算机基础课程的教学现状与问题，结合新工科专业特点，我校准备在课程培养目标制定、课程体系建设以及实际教学实践中进行改革，以满足产业发展需求、面向未来发展的高素质创新人才培养的需要。

（一）目标定位明确

2006年，美国卡内基梅隆大学周以真教授在计算机权威期刊Communications of the ACM上提出计算思维（Computational Thinking）的定义，即计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[4]。也可以说，计算思维是基于信息的获取和分析计算，以算法求解、系统构建、自然与人类行为理解为主要特征，实现认知世界和解决问题的思想与方法[5]。这个概念的提出引起了大家对大学计算机基础教育从强调计算机应用能力培养向以计算思维培养转型的深入思考。目前，以计算思维培养为导向的大学计算机课程教育目标已成为广泛共识。

计算机专业和非计算机专业的计算思维培养的侧重点并不相同：对于计算机专业学生，更多的是从基础设施层面引导他们理解计算思维，设计和开发用于处理信息的各种平台和工具软件；而对于非计算机专业学生，更多的是从应用层面引导他们了解和领会如何从信息运动的角度来分析问题，从信息处理的角度来解决问题，学会从信息和计算的观点探究解决本领域应用问题的思路与方法[6]。

因此，非计算机专业计算机基础课程的培养目标是：引导学生熟悉计算机基础环境和平台，掌握计算机基本应用技能和本专业常用工具类计算机软件的功能及使用方法；帮助学生理解计算机基本原理和学生掌握解决问题的基本方法，理解软件工程思想以及掌握相关计算机应用技术，具备独立或通过与计算机专业人员协同运用计算机应用技术解决本专业领域问题的能力；培养学生具备自主将数据收集、数据分析、数据表征、问题分解、抽象、算法和程序、自动化、模拟和并行化等计算思维思想[7]融入本专业领域问题研究及未来创新创业发展的能力。

（二）课程体系优化

参照教育部高等学校非计算机专业计算机课程教学指导委员会对大学计算机基础课程的教学要求，我校非计算机专业的工科专业按照通识类、学科基础类、专业方向类三个层次构建计算机课程体系。本文论述的计算机基础课程主要是指通识类和学科基础类课程。以传统工科自动化专业为例，其计算机课程设置如表1所示。我校立足“新一代人工智能”国家科技重点发展战略，面向我国科技产业主战场在工业智能领域的发展趋势，瞄准我国工业自动化向智能化转型升级的发展需求，增设了人工智能与自动化深度融合的新工科专业——工业智能专业。以工业智能专业为例，其计算机课程设置如表2所示。

我校按照增加课程难度、拓展课程深度、强化应用技能、提高思维素养的原则，细分专业研究方向，分层次建立课程群，优化课程体系及内容。主要表现如下：

1.优化课程设置体系。本科生通过入学前或入学后一段时间的学习，已经具备计算机应用基本技能，因此我们在通识类课程中取消了以办公自动化软件为授课内容的计算机应用基础课程，增加了大数据与“互联网+”等反映计算机应用趋势的新课程，优化了学科基础类中的计算机语言类课程设置，包括应用于系统管理任务的处理和Web编程的主流语言Python。计算机编程语言的学习与强化有助于计算机应用能力的提高，为专业课程应用计算机技术解决研究领域问题提供可能。

2.丰富课程教学内容。我们对课程教学内容进行了更新、充实和丰富。以计算机软件技术基础课程为例，之前课程内容主要包括数据结构基础、算法设计基础、程序设计基础、数据库技术基础、软件工程基础等传统计算机基础知识，根据新工科的专业要求，我们在原有课程教学内容上增加了物联网、云计算、大数据、区块链等新兴计算机技术基础知识。

3.提高实验学时占比。增加实验学时，强调实验实践在计算机基础知识学习中的重要性，使学生能够在“学中做、做中学”，培养学生动手能力，提高其计算机应用技能。

（三）教学方法提升

成熟的信息化网络平台和丰富的线上教学资源已成为大学课程教育的重要手段。借助中国大学MOOC、大学生自学网、网易公开课、B站视频、微信公众号等现代化辅助教学手段，引导学生进行课前预习、课后复习以及加深课程教学难点的理解，培养学生自主学习意识和习惯，增强学生自主学习能力，有效拓展授课内容，满足不同层次学生的学习需求。这样做也把教师从重复的知识点讲授中解脱出来，以便把更多的精力放在与学生交流互动、对学生进行个性化指导以及进行课程教研教改工作中。

教师采用理论知识讲解和经典案例分析相结合的方式教学，通过具有导向性和实效性的案例分析讲解，帮助学生理解理论知识点，并从应用层面理解运用计算机技术解决实际问题的思路和方法，从而培养其从信息属性的角度创造性地理解和解决本领域问题的能力。

教师改变传统课堂的教学模式，树立以学生为中心的教学理念，通过问题引导、项目驱动，设立课程学习主题，根据学生情况建立小组协同学习。师生在课堂上就设定主题进行研究讨论；教师可采用翻转课堂，通过引导、启发、探究、释疑使学生更好地理解掌握课程内容，并能够进行延展性应用，从而提高学生计算机思维素养，让学生成为课堂学习的主动者。

（四）实验环节强化

技术开发和工程实践能力是新工科专业人才培养的重要方面。为增强学生的动手实践能力，在增加计算机基础课程实验学时的前提下采用以下手段强化实验实践环节。

1.搭建计算机基础课程实验网络云平台。计算机基础课程实验多是工具类或开发类软件应用，可基于计算机及其网络环境，安装部署相应软件。现在几乎每个学生都有笔记本电脑，可以方便接入校园网。搭建计算机基础实验网络云平台，建立常用软件资源库和仿真软件平台，可以方便学生进行实验环境的部署，在课前课后不受时空限制，根据自身需要开展计算机基础课程实验。

2.完善课程内实验内容。计算机课程实验分基础实验和提升实验两部分。基础实验采用具有代表性的典型范例教学，通过对范例的理解、分析帮助学生了解计算机编程方法和技巧，掌握同类程序规律并能够举一反三，培养学生的基本应用技能和形成科学的编程思维。提升实验采用课程设计模式，以任务驱动方式进行。先根据学生情况建立若干个实验小组，然后由教师指定或者由学生自主提出实验目标任务，组内成员据此在协作完成任务的过程中针对任务目标、技术路线、设计方案等进行过程控制，以保证实验任务能够按时完成；最后由组内成员进行成果展示并回答教师和组外学生提出的问题，同时通过组内自评、组间互评和教师评价相结合的方式完成实验成绩评定。这两个阶段的实验有助于学生掌握基础、强化能力、提升思维。

3.丰富课外实践活动。通过生产认识实习或假期社会实践活动，让学生了解社会需求及相关领域现状；通过组织知名学者讲座，拓宽学生学科视野，增强学生科研兴趣；通过带领学生参加计算机相关科技竞赛和申请创新创业立项，鼓励有兴趣和精力的学生进行能力提升。丰富的课外实践活动是对课堂教学内容的有效补充和拓展延伸，有助于培养学生的构造思维能力、逻辑分析能力、问题求解能力和对新技术的认知能力。

（五）评价体系合理

大学生面临学业发展和就业压力，普遍关心课程成绩和绩点排名。建立科学合理、公正公平、多元化、过程化的课程考核评定标准，不仅能够真实反映教学成果，也有助于调动学生的学习积极性，同时也可以起到导向作用，从而保障教学改革措施落实，提升拔尖型人才创新能力，促进素质教育。

在课程分数评定过程中要降低结课考试比重，适当增加线上学习和实验环节评分比例。实验成绩分为基础实验和提升实验两部分成绩。基础实验部分侧重于考查结果实现，而提升部分实验因实验任务差异化而应根据实验的难易程度合理分配评分权重。

考核评价应关注学生的自主性、独立性；关注学生解决问题和分析问题的方式方法；关注学生创新型设计的方案和结果论证；引入主观增分项和减分项，包括团队协作、论文规范度等[8]，避免不顾及难度差异造成评分失误而损伤学生的创新进取精神。

应鼓励和引导学生开展各类创新学习。对参加社会实践、学术讲座以及参与科技竞赛等的学生给予学分支持，所得学分可作为选修课学分。这样可以鼓励学生自主学习，提高学生参与科技竞赛的积极性，助力科技创新型人才的培养。

三、结语

新工科背景下非计算机专业计算机基础课程教学改革是大学创新型人才培养的重要问题。虽然我校在培养目标、课程设置、教学方法、实验环节、评价体系进行了全方位多举措的综合改革，但由于新工科专业设立时间较短，没有经历完整的培养周期，尚无法对教学改革成果给予完整准确的评价，需要在之后的教学实践过程中不断修正、完善和提升，以满足学校新工科专业培养目标和国家创新型人才战略发展的要求。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 林键.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017 （2）：26-35.

[2] 何钦铭，王浩.面向新工科的大学计算机基础课程体系及课程建设[J].中国大学教学，2019（1）：39-43.

[3] 教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会.大学计算机基础课程教学基本要求[M]. 北京：高等教育出版社，2016.

[4] Wing， Jeannette. Computational thinking [J].Communication of the ACM， 2006（3）：33-35.

[5] “计算机教育20 人论坛”报告编写组. 计算机教育与可持续竞争力[M]. 北京：高等教育出版社，2019.

[6] 狄长艳，周庆国，李廉.新工科背景下对于计算思维的再认识[J].中国大学教学， 2019（Z1）：47-53.

[7] 刘敏娜，张倩苇.国外计算思维教育研究进展[J].开放教育研究， 2018（1）：41-53.

[8] 杨华，肖平，潘峰.新工科背景下创新型人才实践教学探索与改革[J].实验室科学， 2018（6）：84-86.

［责任编辑：钟 岚］