苑麗紅，孫爽滋

(長春理工大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022)

2017年以來，經(jīng)過“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”三步走，我國高等工程教育改革完成了以新工科建設(shè)為主題的綱領(lǐng)性設(shè)計并開始實施。“新工科”建設(shè)是一個龐大的系統(tǒng)工程，實現(xiàn)該目標(biāo)不僅需要“探索建立工科發(fā)展新范式”“構(gòu)建工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)”[1]等系統(tǒng)層面的規(guī)劃指導(dǎo)與體系設(shè)計，也需要具體課程的高質(zhì)量實施。

近年來，針對計算機通識課的新工科教育改革得到越來越多的重視，相關(guān)的研究方興未艾。如何欽銘、王浩提出了圍繞通識型課程、技術(shù)型課程、交叉型課程組成有機關(guān)聯(lián)的具有層次的“寬、專、融”[2]課程體系；姚琳、宋晏、石志國[3]論述了基于深度和廣度兩個層面提升新工科中計算機領(lǐng)域新技術(shù)的應(yīng)用，并以此構(gòu)建面向新工科的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程體系等；張瑾、傅向華、李曉紅等研究了新工科背景下計算機基礎(chǔ)課程或計算機基礎(chǔ)實踐課程的具體教學(xué)改革問題等[4-6]。

無論是課程體系的構(gòu)建還是課程內(nèi)容、教學(xué)方法的改革，成功的關(guān)鍵是理念先行。理念指導(dǎo)目標(biāo)，目標(biāo)與活動、任務(wù)配準，才能真正實現(xiàn)育人需求。作為一線教師，筆者在近年教學(xué)實踐中對標(biāo)新工科教育理念與內(nèi)涵，對新工科素養(yǎng)的培育問題進行了思考與實踐。

1 豐富課程模塊群，為新工科人才培育提供上游支撐

新工科建設(shè)推進以來，為契合“將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過程，更新教學(xué)內(nèi)容和課程體系，建成滿足行業(yè)發(fā)展需要的課程”[1]的新工科行動需求，課程組從不同專業(yè)培養(yǎng)需求出發(fā)，以新工科核心素養(yǎng)培養(yǎng)為驅(qū)動，在任課教師有限的前提下，通過擴展必修、增設(shè)選修的方式，在原有《計算機基礎(chǔ)與C程序設(shè)計》(理工科)、《大學(xué)計算機基礎(chǔ)》(文科)、《數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用》(文科)之外，增設(shè)了《C++程序設(shè)計》《Python程序設(shè)計》《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》《電子商務(wù)》等課程模塊，并在計算機基礎(chǔ)知識模塊中增加了大數(shù)據(jù)與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等內(nèi)容模塊，豐富了課程模塊群，革新了課程內(nèi)容，保證了課程的與時俱進，從頂層設(shè)計上為新工科人才培養(yǎng)提供了支撐。

2 引導(dǎo)“知行合一”，強化新工科人才培育根基

強化實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，延展實踐育人平臺，強化教學(xué)實驗是新工科建設(shè)的重要內(nèi)涵之一[7]。高校計算機通識課面向全校學(xué)生，受限于教室、硬件，往往實驗課時較少。以長春理工大學(xué)《計算機基礎(chǔ)與C程序設(shè)計》通識課為例，16學(xué)時的實驗無法達到訓(xùn)練要求。為避免“紙上談兵”，課程組采取如下舉措。

“給目標(biāo)，給方向”。對必修課，除實驗課獨立設(shè)課、獨立給分，期末獨立考核程序設(shè)計實踐能力外，在對應(yīng)理論課教學(xué)大綱中，明確把在編譯器下調(diào)試并設(shè)計程序的能力考核再度作為重要課程目標(biāo)。通過目標(biāo)驅(qū)動強化實踐地位。

“給平臺、給任務(wù)”?！肮び破涫?，必先利其器”。利用學(xué)堂云SPOC教學(xué)平臺與在線判題平臺，以清晰的任務(wù)驅(qū)動的形式強化實踐。通過學(xué)堂云平臺，布置程序調(diào)試的討論任務(wù)，督促學(xué)生發(fā)程序調(diào)試截圖并完成討論；通過PTA在線判題平臺布置編程作業(yè)，督促云實踐，解決實驗學(xué)時不足的痛點，提升學(xué)生編程實踐量。

“給機會、給時間”。通過翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計，理論課堂去粗取精，給學(xué)生留下一點時間，當(dāng)堂利用電腦手機編程App或PTA平臺完成“小粒度”程序驗證或設(shè)計。對于手機App編程，學(xué)生可通過雨課堂平臺的“投稿”功能發(fā)布截圖，觀摩討論；對于PTA平臺編程，教師利用授課電腦當(dāng)面登錄平臺查看，針對典型錯誤予以點評，未完成者可課后繼續(xù)。

3 注重計算思維與工匠精神培養(yǎng)，契合新工科人才培育高階需求

在新工科人才的培養(yǎng)中，實踐是根基，學(xué)科思維與工匠精神培養(yǎng)是核心。設(shè)計典型案例，挖掘問題背后的思維特質(zhì)，精準訓(xùn)練計算思維。如圖1為計算機基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)部分的案例舉例。程序設(shè)計部分以short int短整數(shù)類型求解如65534+1等訓(xùn)練“溢出、預(yù)防、容錯”的計算與工程思維，通過“逆序輸出正整數(shù)的各位數(shù)字”等訓(xùn)練遞歸思維，通過“調(diào)用排序函數(shù)實現(xiàn)文件存放的數(shù)據(jù)排序”等訓(xùn)練分解、分層的構(gòu)造思維，通過“多字符串排序的二維數(shù)組與指針數(shù)組解法”培養(yǎng)對存儲速度、存儲容量的權(quán)衡，通過“學(xué)生數(shù)據(jù)表的插入與刪除的數(shù)組實現(xiàn)與鏈表實現(xiàn)”訓(xùn)練對程序執(zhí)行時間與空間的權(quán)衡等，不一而足。

“工匠精神”的培育不是空中樓閣?？炭嚆@研、嚴謹細致、精益求精、協(xié)作意識、管理思維等這些工程人才需要的內(nèi)在素質(zhì)培養(yǎng)自然融合在計算思維培養(yǎng)的過程中。

實際上，PTA平臺程序案例的多測試點設(shè)計在培養(yǎng)軟件工程的嚴謹“測試”這一學(xué)科思維習(xí)慣的同時，也完全是對學(xué)生鉆研精神的一種培養(yǎng)。另外，也可以通過項目驅(qū)動，基于項目對比、錯案調(diào)試、項目遞進的訓(xùn)練以及布置小組作業(yè)實現(xiàn)項目合作等方法，培育工匠精神。

項目對比：一個百分制轉(zhuǎn)換成等級分的全if編寫與典型的if-else-if編寫都是對的，為什么推崇典型階梯式if-else-if結(jié)構(gòu)？輾轉(zhuǎn)相除法求解最大公約數(shù)、利用break求解素數(shù)，方法到底比其他解法“經(jīng)典”在哪里？通過程序?qū)Ρ?，?xùn)練學(xué)生學(xué)科必備的批判思維，讓學(xué)生在對比中體悟到“做對，更要做好”的精益求精的工匠思維。

錯案調(diào)試：初學(xué)循環(huán)之時，一個因while()后多寫了分號、或循環(huán)體少了{}而造成的死循環(huán)bug的趣味案例，以及其他精準對準易錯點的程序調(diào)試，必然能讓學(xué)生對程序執(zhí)行流程有深刻的理解，并在反復(fù)出錯與嘆息中深刻體悟到一絲不茍、嚴謹細致的工匠精神。

項目遞進：以特定項目為主線、貫穿多個教學(xué)過程。例如“雞兔同籠”(輸入雞兔的總頭數(shù)h、腳數(shù)f后，求雞數(shù)x、兔數(shù)y)問題的求解，可以貫穿到順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、單重循環(huán)、雙重循環(huán)的遞進式學(xué)習(xí)中。順序結(jié)構(gòu)求解是依靠人工解方程得到x和y的表達式，知識目標(biāo)是賦值表達式，高階目標(biāo)是初步區(qū)分數(shù)學(xué)思維、計算思維；分支結(jié)構(gòu)求解則加入簡單的數(shù)據(jù)合法性的判斷，知識目標(biāo)加入了分支結(jié)構(gòu)，高階目標(biāo)是算法設(shè)計得完善與健壯；單循環(huán)求解則窮舉所有可能的雞數(shù)x，求出每一個x對應(yīng)的兔數(shù)y=h-x，判斷x、y之和是否等于腳數(shù)，高階目標(biāo)是“執(zhí)行自動化”的計算思維；而雙循環(huán)求解則通過外循環(huán)窮舉x、內(nèi)循環(huán)窮舉y求解。通過逐步深化計算思維，并引導(dǎo)對算法正確性與健壯性的認識，對工程思維和工匠精神的培養(yǎng)大有裨益。

此外，日?？刹贾眯〗M編程作業(yè)，讓學(xué)生深入體驗采用抽象和分解的方法來控制龐雜的任務(wù)這一典型計算思維，培育工程人員必備的管理思維、協(xié)作意識。

4 融合專業(yè)與個人需求，踐行新工科人才培育的“以人為本”

計算機通識課面向全校學(xué)生。實踐教學(xué)中應(yīng)以人為本，一方面，實踐題目劃分為基礎(chǔ)題目、拓展題目、ACM瞭望等，兼顧課程大綱的統(tǒng)一性和學(xué)生個體的差異性。從目標(biāo)出發(fā)，綜合學(xué)情，設(shè)計難度遞進式分層題目(圖2)并利用極域電子教室軟件配合題目的分組分發(fā)，在實踐教學(xué)中依據(jù)學(xué)情適當(dāng)差異化教學(xué)。另一方面，融合專業(yè)需求，設(shè)計融入專業(yè)的教學(xué)案例(表1僅為部分示例)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注計算機學(xué)科與本專業(yè)的交叉融合，提升學(xué)習(xí)興趣。

表1 融合專業(yè)需求的題目設(shè)計(部分)

圖2 實踐題目的分層設(shè)計

5 挖掘通識課的育人價值，把握新工科人才培育思政方向

新工科建設(shè)目標(biāo)歸根結(jié)底是為我國走向社會主義現(xiàn)代化強國服務(wù)。立德樹人是新工科的重要內(nèi)涵之一[7]?？萍寂c人文的交織、價值取向的引領(lǐng)是通識課義不容辭的責(zé)任[8]。

教師應(yīng)理念先行，把家國情懷同課程知識與能力目標(biāo)靈活融合。2022年疫情期間，連續(xù)的網(wǎng)課考驗師生心態(tài)，課程組在部分班級設(shè)計了針對疫情與計算機的話題討論、疫情與數(shù)組應(yīng)用的開放性編程。鼓勵學(xué)生“每逢大事有靜氣”，與其“疫蹶不振”，不如“我為疫情編程序”。討論環(huán)節(jié)中，同學(xué)們對“政府組織下的、互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的防控體系”展現(xiàn)了深度認知，體驗到“基于大數(shù)據(jù)的流調(diào)有助于精準防控”、期待“人工智能與機器人技術(shù)的進步縮減工作人員的勞動強度”，表示“不應(yīng)成為電子產(chǎn)品的奴隸，而應(yīng)學(xué)習(xí)計算機技術(shù)為社會做貢獻”。在開放性編程環(huán)節(jié)中，學(xué)生編制的原創(chuàng)程序更是令人驚喜：疫情對話小程序、小區(qū)測溫問題、四人寢室的病毒動態(tài)清零模擬、體溫記錄查閱小程序等，百家爭鳴，閃耀著深度思考的火花，真正踐行了“事上磨煉”。

6 注重開放式或半開放式編程布置，提升工科課程的“兩性一度”

疫情期間的開放性編程只是課程開放性編程布置的一個縮影。實際完全可根據(jù)學(xué)情在部分章節(jié)、部分班級靈活實施，實踐對比表明效果明顯。例如，在結(jié)構(gòu)體一章布置“電子時鐘”的編程，多數(shù)班級直接指定了時鐘的顯示格式，此時程序效果千篇一律，而個別班級采用半開放布置，則設(shè)計成果在“北京時間二十四小時計時法”之外，還出現(xiàn)了“十二時辰計時法”“國際時間計時法”；期末前的開放題目“編程展示“從點歌菜單設(shè)計、食堂點餐模擬，到記單詞小程序、石頭剪刀布和撲克牌小游戲、小型學(xué)生信息管理到高考志愿填報小模擬、融合專業(yè)的應(yīng)用光學(xué)目鏡光線自動追擊程序等，很多同學(xué)展現(xiàn)了解決復(fù)雜問題的綜合設(shè)計能力和創(chuàng)新思考能力(圖3為部分示例截圖)，整體設(shè)計成果體現(xiàn)了高度的探究性和個性化。

圖3 開放性程序設(shè)計成果示例(部分)

7 結(jié)束語

文章針對如何在計算機通識課中培育本科生相關(guān)核心素養(yǎng)，從六個維度進行了研究，所探討的思路和方法綜合關(guān)注了學(xué)生知識、情感、態(tài)度、價值觀、學(xué)科思維與實踐能力的培養(yǎng)，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)獲得感、課程挑戰(zhàn)度。踐行新工科教育理念需要長期實踐，后續(xù)還需要在教學(xué)方法、教學(xué)模式、教學(xué)考核的諸多環(huán)節(jié)持續(xù)改進，才能使課程教學(xué)不斷貼近新工科理念與內(nèi)涵。