面向新工科建設的大學生信息技術能力培養體系構建研究*

周 平 劉志斌 葉文珺 李永斌 畢忠勤

(上海電力大學計算機科學與技術學院,上海 200090)

0 引言

1997年,教育部印發《加強工科非計算機專業計算機基礎教學工作的幾點意見》,進一步明確了高等教育中計算機通識類課程教學的重要性,在規范和推進高校計算機基礎教學工作方面起到了重要作用。二十多年的教學實踐驗證了計算機通識課程已經成為非計算機專業高等教育不可或缺的組成部分,對于培養非計算機專業學生的計算機認知和解決復雜系統問題能力發揮了非常關鍵的作用。近些年來,大數據、云計算、人工智能、區塊鏈等新興技術在各行各業得到了廣泛應用,促使以技術創新為引擎的產業和社會變革迅猛襲來。為主動應對新一輪科技革命和產業變革,以及響應一系列國家戰略,教育部自2017年2月起積極推進新工科建設,已形成“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”,并陸續發布了開展新工科建設的相關文件,要求各高校在推進“新工科”建設方面做出努力[1-2]。新工科的出現強調了面向全體學生開設計算機課程的必要性,提高了計算機課程教學目標的思想深度和實踐性,加強了對計算機應用的理解,使理論與實踐的結合更加緊密,同時,也加強了跨學科創新能力的培養。

本文通過對新工科人才信息能力要求進行深度剖析,構建面向新工科人才3個方面能力需求的信息技術能力培養體系,對新工科專業人才的學科交叉型、復合型能力培養提供了較好的支撐,為適應工業4.0發展的人才需求奠定基礎。

1 新工科背景下計算機課程教學面臨的瓶頸

一是課時壓縮與素質增長需求的矛盾。目前,隨著各學科的快速發展,學生要掌握的知識內容越來越多,導致很多傳統工科專業在一定程度上壓縮計算機課程的課時。而與此同時,信息技術快速發展,計算機課程除了原來的知識外,還補充了人工智能、大數據等新興技術方面的內容,造成課時緊張,教學效果欠佳等情況。

二是專業差異與統一授課的矛盾。大多數高校非計算機專業教授計算機基礎課程采用統一授課的方式,未充分考慮不同專業對計算機技術知識點的要求,造成學生學習興趣不高,學習效果不佳。

三是學生差異與步調一致的矛盾。由于地域差異等原因,大學新生的計算機水平常常存在一定的差異。然而目前,授課過程中的“一刀切”式教學方法常常造成基礎較好的學生“吃不飽”,基礎較差的學生“消化不了”的現象,無法滿足不同層次學生多樣化的學習需求。

四是新工科高要求與課程體系的矛盾。新工科的一個重要方向就是將信息技術融合到其他工科學科中,實現傳統工科專業的內涵升級轉型。傳統的“計算機基礎+程序設計基礎”的課程體系已經無法達到新工科人才對信息技術方面的能力需求。

綜上,新工科在強化了計算機課程在人才培養過程中核心地位的同時,也對傳統計算機課程體系和教學模式提出了新的挑戰[3-4],需要重新構建全新的計算機通識課程體系。同時,在教學方法、培養模式等方面進行有益的探索,以求探索出滿足新工科人才需求的計算機通識課程教學改革思路。

2 面向新工科建設的大學生信息能力培養體系

非計算機專業新工科人才的信息能力培養必須以解決領域問題為最終目標,同時,還需要結合計算機學科本身的計算思維能力及專業系統能力?；诖?本文構建了面向3個方面能力培養的信息技術能力培養體系,如圖1所示。

圖1 面向新工科建設的大學生信息能力培養體系

該體系是一種進化式遞進層次,其對應著不同層次的問題求解思維和技術。新工科人才必須具備的能力如下:

①計算思維能力。計算思維是數學和工程思維的互補與融合,培養目標是希望學生具備像計算機科學家一樣思考問題的能力,將計算機技術與不同學科的理論、實踐相結合,并成功應用到自身專業領域的問題解決中,最終實現理論和技術的創新[5]。

②計算機專業系統能力。計算機專業系統能力是計算機學科學生必須具備的核心的、最基本的專業能力,其要求學生利用計算機系統層面的基本原理來構建以計算機技術為核心的應用系統,從而切實解決實際問題。

③領域問題求解能力。領域問題求解能力是指學生利用計算機技術解決其專業領域問題的能力。這一能力是檢驗新工科人才培養質量的關鍵,領域問題求解能力越強,學生的就業競爭力和職業發展潛力就越好。

在計算機專業系統能力培養方面,由于課時壓縮等原因,非計算機類專業的學生基本無法完成全部計算機類核心課程的學習。為解決這一問題,本文精心抽取了計算機學科體系中的部分核心課程,通過線上線下教學的方式,最大程度保證非計算機專業學生能在有限的時間內掌握計算機專業系統能力。在教學內容方面,以提升領域問題求解能力為核心,以程序設計基礎課程為著力點,把計算思維能力運用到領域問題求解能力中,從而為不同專業學生后續課程的學習提供支持。同時,以學科競賽、科創訓練等方式開展以程序設計及算法分析能力為代表的計算能力訓練和評測。針對領域問題求解能力培養,計算機教學團隊在教學過程中不僅要完成計算機知識的傳授,還要根據學生專業的差異,提供專業領域的問題供學生求解,以培養學生的領域問題求解能力。此外,還可利用案例驅動方式培養學生這方面的能力,組建跨學科教學團隊,搭建跨專業聯合創新實踐平臺,使計算思維能力有力支撐不同專業的教學。

3 面向新工科建設的大學生信息能力培養體系教學改革與實踐

3.1 面向計算思維能力培養的計算機通識課程改革與實踐

計算思維能力的培養主要通過開設計算機通識課程及形式多樣的信息技術前沿課程(如人工智能導論、數據科學導論、區塊鏈技術導引等)實現。在教學過程中,通過案例教學法、翻轉課堂等方式完成計算思維指南、重點關注問題的計算化表達和對初步問題求解能力的訓練。

在計算機通識課程體系中,知識是編程的基礎,技能是運用知識設計程序的能力,規范是在程序解決問題時需要遵循的內容思維是與現代信息技術相適應的思考方式和習慣。從這4個方面出發,建立程序設計教學的“知識—技能—規范—思維”四維培養體系,并以學生掌握這4個維度的內容作為教學目標(圖2)。從學生學習角度出發,如何讓學生對程序設計更有興趣,學習過程更有獲得感和成就感,學習后能自覺用于解決其他領域中的問題;從技術發展角度出發,軟件組件、Web服務、云計算、人工智能等新技術的出現更新了軟件開發的觀念,如何有效復用和共享成為重要的手段,編程也經歷從Coding到Programming,再到Construction的變化;從社會需求角度出發,對大部分大學畢業生的要求中,了解編程和會利用編程思維考慮問題比掌握編程更加重要。在四維培養體系的指導下,對C語言中的每個章節除了包含一些語法知識點,還整理了對應的技能要求、編程規范和思維訓練等內容。

圖2 教學改革思路

為了實現四維培養體系,建設了豐富的線上線下、紙質電子立體式教學資源,根據內容制定有針對性的教學設計,運用問題驅動、案例驅動、重在應用等教學思想,充分利用MOOC、SPOC、翻轉課堂等新興教學技術和手段,給經典的程序設計課程注入新的活力,在教學過程中能吸引學生積極參與,有效地提升學生的編程思維和能力。為了確保教學效果,錄制了課程微視頻,設計了每一個章節的教案和PPT,選取貼合現代大學生的有趣案例,建立了網上學習系統和題庫,實現了常用公共庫文件。此外,還在多年實踐積累的基礎上,聯合出版了新形態立體教材《程序設計方法與技術——C語言》,學生可通過二維碼實時觀看微視頻、源代碼等教學資源。在考核環節,利用在線學習及考試系統,強化過程化測試,及時督促學生完成日常學習和階段考試。章節自測、期末考試、考試平臺中所有的程序設計都是在真實的編譯環境下完成。在線考試系統中涵蓋了大量的考試題庫資源,由考試系統自動組卷。通過修訂考核標準,減少了死記硬背的客觀題型,增加了有利于提高能力的主觀題,大幅提高了程序設計題的占比,強化了對編程調試和解題方法的考核,在日常學習中加強對學生程序設計能力的培養。

3.2 面向計算機系統專業能力培養的微專業建設與實踐

微專業建設是各高校立足于學科綜合優勢,主動對接新業態、新產業、新技術對人才的能力需求,推進布局未來戰略領域人才培養的具體舉措,可以提升人才培養的跨學科性、交叉性等方面的能力。微專業能有效彌補目前大學專業劃分過細、口徑過窄、培養周期過長的問題,可進一步提高專業培養與職業發展匹配度。結合新工科建設3個方面的能力要求,開設了計算機科學與技術微專業,為傳統工科專業的學生提供5～6門計算機學科核心課程。第一階段選取的核心課程如表1所示。

表1 微專業計算機學科核心課程

與此同時,為了培養學生計算機專業系統能力及領域問題求解能力,有限的課堂線下教學時間已經無法滿足要求。教學方式上,結合國家精品開放課程、自建在線課程等資源,采用線上線下相結合等方式開展教學。一般情況下,線上理論學習、線下實踐輔導是一種比較合適的教學模式,在課程學習過程中,要求學生利用任課老師指定的在線學習平臺完成相關理論課程的學習,任課教師則根據學生的學習進度發布實踐教學任務,并加以線下輔導,達到鞏固理論學習內容和培養問題求解能力的效果。以上海電力大學為例,計算機科學與技術微專業自2020年9月開設以來,全校報名達326人,已有53名同學完成了所有課程的學習,并獲得計算機科學與技術專業微專業學位證書。

3.3 面向領域問題求解能力培養的科研項目再開發實踐教學探索

新工科強調學科思維融合,計算機專業的教師由于學科特點很難實現學科思維融合,這就要求任課老師在教學過程中使用的教學案例必須與學生所在專業的老師進行充分溝通,挖掘具有專業特色的教學案例。例如,可以聯合專業教師對其從事的科研項目進行實踐教學再開發,并應用于學生的實踐和科創活動指導中,這樣可以更好地滿足教學需要,達到學科交叉的人才培養目的。最佳的學科交叉不是學科之間的簡單串聯或疊加,而是課程內容的深度融合,應結合現代電力企業信息化建設的人才需求,將教學意識充分滲透到科研項目中,根據人才培養和教學規律的要求,對科研項目進行分解和教學化再開發。例如,上海電力大學將教師主持的獲獎項目“市級供電公司生產管理系統”等4個電力信息系統進行分解和教學化再開發,并將分解后的項目內容滲透到多門主干課中,使教學更加貼近電力信息技術前沿。部分科研項目教學再開發成果如表2所示。

表2 上海電力大學部分科研項目教學再開發成果

4 結束語

本文在對新工科建設的大學生信息能力要求進行分析的基礎上,構建了包含計算思維能力、計算機專業系統能力、領域問題求解能力的符合新工科建設的大學生信息能力培養體系,并結合上海電力大學在面向三方面能力培養的計算機通識課程改革、微專業建設及科研項目教學再開發的實踐教學探索等方面的經驗,詳細介紹了新工科建設的大學生信息能力素養培養的相關改革思路和實踐成果,以期有效提升新工科人才培養質量。