基于计算思维的计算机专业人才培养模式探索

刘　军

(渭南师范学院 网络安全与信息化学院，陕西 渭南 714099)



基于计算思维的计算机专业人才培养模式探索

刘军

(渭南师范学院 网络安全与信息化学院，陕西 渭南 714099)

摘要：在互联网+、大数据和云计算的时代背景下，要培养能适应社会发展新需求的应用型计算机人才，地方高校必须从知识框架、课程设置、实践教学、能力塑造等方面进行综合化改革。基于本科人才培养方案设计的视角，构建了一种以计算思维能力培养为导向的人才培养模式。其中，课程设置以培养学生对计算机的系统认知、有效利用计算机解决问题、终身学习信息技术、基于网络协同工作等四种能力为目标，以<能力目标∶知识表达∶教学范例>为范式；教学设计以问题求解、启发推理、系统设计、构建评价等四种能力为目标，以“课堂支撑、项目推动、导师引领、氛围熏陶”为路径。

关键词：地方本科院校；计算机类专业；人才培养模式；计算思维；培养方案

随着国家创新驱动战略的实施，在互联网+大背景下，社会各行业都急需大量的网络安全与信息化人才。在全国大型企业中，只有3.7%的企业信息化建设进入成熟阶段。仅在传统行业的结构调整和产品升级过程中，软件工程师、网络工程师的人才需求缺口就高达60万。同时，沿海发达地区和区域中心城市大力发展以信息产业为主体的高新技术，也为计算机类专业大学生提供了广大的就业市场。然而，自2002年以来，地方本科高校计算机类专业的初次就业率连年下滑，成为社会关注的热点。这种IT行业人才需求持续旺盛与地方本科高校计算机类专业就业不理想的现象值得深思。

究其原因，一方面，尽管全国有1 600余所高校开设了计算机类专业，在校生规模也位居各专业之首，但大多数地方本科院校计算机专业人才培养方案的通用化、课程体系的理论化、实践过程的仿真化、教学考核的分数化，导致学生缺乏自身特色与比较优势的“同质化”培养结果。表现为地方本科院校计算机类专业的毕业生普遍理论不扎实、实践不坚实、动手能力弱，缺乏创业、创新的竞争优势，学生在知识、素养、能力和品质方面都无法满足用人单位日益严格的要求。[1]另一方面，随着国家以信息化带动工业化升级战略的实施，以物联网、云计算、虚拟现实/增强现实、3D打印为代表的信息技术日益融入产品设计、模具制造、增材制造、物流配送、营销管理等实体经济运行过程。[2]这些新常态对计算机类专业的课程体系、内容设置、教学模式和实践环节都提出了大调整、大更新、大改革的紧迫要求。然而，由于大多数地方本科院校与产业、市场结合不够紧密，导致尽管学校都非常努力地进行很多改革和探索，但其计算机类人才培养方案的更新滞后，已经无法培养出在技术开发、产品服务上具有特长，适合区域经济社会发展需要的高素质应用型信息技术人才。要破解制约地方本科院校计算机类专业发展的“供给侧不足”的内在矛盾，就必须积极探索既满足经济社会发现新需求，又符合学生实际情况的计算机类专业人才培养创新模式。教育部高等学校计算机专业教学指导委员会提出“培养学习者计算机能力结构”的要求，C9联盟计算机基础教学发展战略联合声明提出的“在当今信息时代的网络环境中，围绕科学思维和科学方法进行计算机课程教学的改革与实践”的设想，为破解“供给侧与需求侧不匹配”这一制约地方本科院校计算机类专业发展内在矛盾提供了契机。

一、基于计算思维能力的培养

1.计算思维的含义

表1　计算思维内涵的多维度解释

计算思维属于科学思维的范畴，与理论思维、实验思维并列为科学思维的三大支柱。卡内基·梅隆大学的周以真教授认为，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，以及人类行为理解的涵盖计算机科学学科的一系列思维活动。[3]一般认为，科学思维通过整理和改造感性阶段获得的材料，形成反映事物本质和规律的相关概念、推理和判断，是一个理性认识的过程。由此可见，计算思维的本质是抽象和自动化，其内涵不同维度的表述见表1。

在今天这个信息化程度日益复杂、动态、海量的社会组织形态里，作为解决科学、工程、管理问题的有效思维工具，计算思维已经成为现代人都必须具备的基本能力之一。从最近20年重大科技进步、产业升级和社会转型的基本面上分析，计算思维已经融入了人类智力活动的整体进程，并且日益发挥着其不可替代的重要作用。高等学校在计算机基础教学和专业人才培养过程中，必须把计算思维能力的培养置于基础位置，并有效地融入计算机本科人才培养方案的各个环节之中，融入计算机基础和专业课程的教学过程之中，才能使培养的毕业生具备信息社会新形态下的基本思维素养。

2.计算思维能力的培养

培养学生对计算机系统的系统认知能力、有效利用计算机解决问题的能力、终身学习信息技术的能力以及基于网络平台的协同工作能力，是教育部高等学校计算机专业教学指导委员会明确提出的大学计算机教学目标。[4]国家教学名师、西安交通大学冯博琴教授认为，计算思维就是学生内部图式的顺应、同化与平衡，其培养过程可理解为学生思维图式自我建构的过程。国家教学名师、西北大学耿国华教授指出，“信息”本质就是“人言自心悟之”，计算机课程的教学过程就是培养学生以计算思维为工具分析、构造、解决现实问题，进而实现知识传递、融合、转化与应用的过程。

从教学设计上看，培养学生基本的计算思维能力，应面向文、理、艺、工等不同学科专业的具体计算机应用需求，在知识、能力、素养等方面绘制相应的〈能力目标∶知识表达∶课程设置〉映射矩阵。具体而言，能力目标应涵盖问题求解、启发推理、系统设计和构建评价等要素；知识表达应包括计算思维相关的数学基础、逻辑思维和工程领域等内容；课程设置应侧重从抽象、语言、系统等不同层级构思、设计、实现和应用特定行业的软件系统。简而言之，计算思维能力的培养，就是要构造学生由特定领域知识支撑以及与专业知识融会贯通的计算思维意识集合，使其具备高级软件系统的抽象、表达、设计、测试和应用能力。[5-9]教学过程应基于计算思维和工程实践能力培养，紧扣课程应解决的理论与实际问题，采取计算思维指导下的范例式教学模式。首先，应该设计对应的〈能力目标∶知识表达∶教学范例〉映射矩阵(见表2)，引导学生从应用者的角度融合软件设计的工具与计算思维的方法，提高复杂系统的构思、设计、实现、测试和应用水平，进而学会运用计算思维工具去分析、构造和解决特定专业的实际问题。

表2　〈能力目标∶知识表达∶教学范例〉 映射矩阵

二、基于能力导向的人才培养模式

1.设计思路

人才培养模式是学校为学生构建的知识、能力、素质结构以及实现这种结构的方式。对计算机专业而言，能力培养是课程和实践教学的核心任务，教学改革的重心是课程建设与培养模式创新。传统的计算机本科人才培养模式强调知识体系构建和专业技能培养，对计算思维能力、工程实践能力的培养目标比较模糊，课程设置更注重涵盖学科基础知识和专业技能知识，很少涉及嵌入式企业实训课程，基于学段的实训环节也比较少见，导致培养目标、体系、内容、模式、手段与社会对毕业生信息技术的知识、能力和素养要求无法有效衔接。[10]因此，在计算机类人才培养方案修订过程中，必须强调以学生的计算思维和工程能力培养为导向，着重对现有课程的教学目标、授课内容、评价体系、教学模式和实践环节进行重新设计。以计算思维和工程实践能力培养为主线，着力培养学生在真实数据环境下的问题分析、数据处理和系统构造等能力。

地方本科院校应基于创业、创新高层次应用型人才培养的目标定位，确定计算机类专业人才培养要坚持面向计算机学科前沿，立足服务区域经济社会发展需要，实施以计算思维和工程实践能力培养为导向、“通识教育+学科基础+专业能力+计算思维”的人才培养模式改革，培养在软件设计开发和信息安全等IT服务领域具有特长的应用型计算机工程技术人才，总体思路见图1。

图1　以能力培养为导向的计算机类人才培养模式改革

2．体系框架

从计算思维与工程实践能力培养的角度，我们设计了“通识教育+学科基础+专业能力+计算思维”的计算机卓越人才培养模式，见图2。

其主要内容包括：(1)从计算思维能力培养的角度，拓宽数学、逻辑、工程及管理等相关知识，设计结合各专业培养目标的“基础+方向”培养方案，实施计算机大类培养模式，引导学生跨专业、跨学科参加高水平、高层次学科竞赛。(2)按照“学科基础+专业教育+专业技能+实践能力”的体系，依据计算机学科及不同专业特色，设计强调工程实践和思维训练的课程体系，实施能力导向的计算机专业教学。(3)按照IT行业基本合格的入职者标准，构建“验证实验+综合实验+课程设计+专业见习+专业实训+专业实习+仿真毕业设计”的实践教学体系，实施企业课程嵌入、一线工程师进课堂、教师学生进企业的“校企合作”实践教学过程。

图2　计算机类卓越人才培养体系框架

三、基于〈能力∶课程〉矩阵的课程体系

1．〈能力∶课程〉映射矩阵

在计算机类本科人才培养方案修订的过程中，我们在专业团队充分讨论、调研、论证的基础之上，依据校外专家、行业专家和一线工程师的建议，每一个专业都绘制详细到三级指标的〈能力∶课程〉关系映射矩阵(以计算机科学技术专业为例，见表3)，并以此作为人才培养方案中课程类别、重要程度、课时/学分比例、开设学期、考核方式的主要依据。

表3　人才培养目标的〈能力∶课程 〉实现矩阵

该矩阵的设计视角包括：(1)基于知识的有效传递。为课程教学内容设定分类细化的目标集合，绘制学科知识内在关联的知识图谱，以此为主线设计课程设置的前后衔接关系，确保学科知识的全覆盖传授。(2)基于技能的有效培养。为实践课程内容设定与IT行业标准基本一致的指标体系，构建基于工程实践项目的仿真范例库，指导学生掌握信息技术的基本技能。(3)基于素养的有效训练。为不同专业学生设定特定的计算思维方法训练库，引导学生学习运用计算思维将专业知识与计算机工具相融合，掌握以“构造”为特征的问题求解方法。

2．课程体系设计

以培养一流IT现场工程师为人才培养目标的地方应用型本科院校，其计算机类专业的本科人才培养方案，应以计算思维素养和项目工程能力培养为目标，以“通识教育+专业教育”为理念，以学科基础课程为核心，以专业教育课程为特色，以大比重实践课程为手段，构建突出学生对计算机的系统认知、有效利用计算机解决问题、终身学习信息技术、基于网络协同工作等计算思维能力培养的课程体系。具体来讲，就是对计算机公共课，区分文、理、艺等不同类型设计课程；对学科基础课，从通识教育、大类培养的角度，统一进行学科基础课程的设计；对课程设计、实验实训、见习实习、毕业论文(设计)等实践环节，在体例一致的前提下，区分不同专业，有针对性地设计实践教学的相关内容。

四、基于能力培养的实践教学体系

1．目标体系

教学设计上的能力培养就是面向计算机类专业应用需求，培养学生基本的计算思维和工程实践能力，培养目标包括学科知识结构、专业实践能力、计算思维素养和创新创业精神等方面，其体系框架见图3。

图3　基于能力培养的实践教学体系框架

在学科知识结构方面，掌握本专业所需的计算机理论基础以及数学、逻辑、工程和管理等方面的基础知识，能通过计算机软件资格和水平考试(程序员级)；在专业实践能力方面，能够运用“构造”方法求解抽象级、语言级、系统级的问题，并能初步构思、设计、实现和应用软件系统；[11-12]在计算思维素养方面，具备数学、逻辑和工程思维，能够自觉地将科学思维与专业知识融合提炼，形成明晰的计算思维意识集合；在创业创新精神方面，具备管理、商务、市场意识，能够依托大学生创新创业训练计划项目、大学生实体创业项目，实现构造或模拟5～10人规模的技术型公司。

2．环节设计

教学实施的能力培养就是依据<能力∶课程>实现矩阵，细化各专业不同学段应具备的专业能力指标体系，设计相应的课程实验、课程设计、技能实训、项目仿真、创新实践和创业训练等实践教学环节，见表4。

表4　基于专业能力培养的实践教学环节

(1)分类别、分学段、递进式的专业实验环节。改变实验教学原有的“演示—验证”模式，分类别、分学段、递进式地设计专业实验课程。专业能力类实验：目标设定一般来自后续课程，分为验证性实验和设计性实验，侧重培养学生基本的语言和工具应用能力,以通用语言的软件编程、测试能力为重点。综合设计类实验：目标设定一般来自工程项目仿真,每个专业方向都开设不少于7门的综合设计课程群，侧重培养学生的综合分析、独立设计和深度开发能力，以实现学科基础课程和专业教育课程融会贯通为重点。

(2)学生分组、双师指导、项目实战的专业实训环节。改变传统的以语言/工具掌握为目标、教师单一指导、学生独立完成的专业能力实训模式。通过将学生按IT企业架构中不同角色进行分组，引入IT企业一线工程师共同指导，建立专业技能实训的项目范例库，以真实项目驱动、双师共同指导、学生分组协作的模式实施专业综合能力实训。[13]

(3)兴趣驱动、专项培训、全员参与的学科竞赛环节。高水平学科竞赛是培养学生综合运用所学知识，尝试基于计算思维方式独立分析、解决问题能力的有效途径。通过专家讲座、主题宣讲等方式，使学生明确学科竞赛的规程；通过专项培训、经验交流等方式，激发学生参与学科竞赛的兴趣，营造全员参与的氛围。通识教育阶段，鼓励学生参加数学建模、高等数学等数学类竞赛，以培养抽象的逻辑思维能力；学科基础阶段，要求学生参加软件资格与水平考试的信息技术员考试，以培养初步的计算思维能力；专业教育阶段，要求学生参加软件设计、程序设计、网络攻防、信息安全等高难度学科竞赛，以培养扎实的学科知识综合应用能力。

(4)项目为基、学研结合、职业能力的毕业实习环节。学生在修完本科学历教育所必需的通识教育课程、学科基础课程和专业教育课程后，在专业基本能力测试达标的前提下方可进入毕业实习环节。通过创建校企联合实验室和工程技术中心，引入IT企业以项目研发为目标的嵌入式课程群，以学生参与真实信息系统研发的方式组织毕业实习环节，培养毕业生从事IT职业所必需的素养、品质、技能和能力。[14-15]

3.创新创业能力培养

以“课堂支撑、项目推动、导师引领、氛围熏陶”为实现路径，通过拓展本科人才培养方案中的实践教学内容，设置与创新、创业能力培养有关的思维训练、科技训练、项目管理、企业管理等选修课程，实行科技活动、专题报告、社会实践等综合教育课程的创新学分管理，促使学生认真学习专业知识、积极开展科技创新，培养自身的科学素养和创新精神。一方面,要求教师在科研项目中吸收学生参加，使学生及时掌握学科发展动态、了解学科前沿，达到教学相长的目的；另一方面，设立大学生创业创新训练计划项目、大学生实体创业项目等专门课题，引导、鼓励和支持学生自主开展初步的科学研究，从而锻炼培养其发现问题、提出问题、构造方案和解决问题的计算思维基本能力。

五、结语

随着国家创新驱动战略的实施，在互联网+大背景下，计算机类专业人才培养面临社会需求旺盛与毕业生知识、能力和素养无法匹配的现实矛盾，给地方本科院校提出了进行计算机类人才培养模式改革的现实课题。过去10年，以陈国良院士为代表的一批科学界和教育界的专家对计算机通识教育的知识普及、能力培养、计算思维渗透已提出较成熟的顶层设计理念。教育部高等学校计算机专业教学指导委员会已形成多版本的《大学计算机教学要求》，计算机基础教学已逐步进入贯穿“计算思维”的课程内容体系建设阶段。2010年开始，国内一些院校(C9联盟)已率先开始相关改革，积累了丰富的实践经验。因此，在应用型本科院校进行以计算思维和工程能力培养为导向的计算机人才培养模式综合改革的时机已基本成熟。

在实施教育部大学计算机课程改革项目“基于计算思维的文科类专业计算机基础系列课程教学改革研究与实践”的过程中，本课题组基于建构主义教学模式理论，按照项目的分工和任务安排，组织实施了以计算思维能力培养为目标的美术类专业人才培养改革。从统计数据来看，在评测的学业考试成绩、项目文档编写、小组汇报讲演、设计与构思能力、计算思维能力、团队交流与学习、教学与学科融合、创新创业意识等指标中，实验组学生的平均得分均高于对照组；在构思能力、计算思维能力、学习兴趣、团队交流和学科融合等指标上明显优于对照组。这些都表明基于计算思维的范例式教学模式有效提升了学生的思维能力与专业技能。

实践表明，从提高地方本科院校计算机类专业毕业生职业竞争力的角度，基于本科人才培养方案设计的视角，构建以计算思维能力培养为导向的人才培养体系，从知识框架、课程设置、实践教学、能力塑造等方面进行综合化改革，是基于卓越工程师培养理念培养适应国家和区域经济社会发展新需要的计算机类创新、创业应用型人才的现实路径。

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【责任编辑曹静】

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：1009-5128(2016)14-0009-08

收稿日期：2015-12-09

基金项目：教育部大学计算机课程改革项目：基于计算思维能力培养的美术类专业程序设计课程建设(高教司〔2015〕51号函1-6-5)；渭南师范学院教育教学改革研究项目：基于计算思维的计算机通识教育课程的综合改革与实践(JG201525)

作者简介：刘军(1973—)，男，陕西大荔人，渭南师范学院网络安全与信息化学院教授，西北大学博士研究生，主要从事人工智能与模式识别、智能信息处理和高等教育研究。

Exploration on the Talents Training Model of Computer Majors Based on Computational Thinking

LIU Jun

(School of Network Security and Informatization, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

Abstract:In the era of the Internet plus, big data and cloud computing background, to train the computer talents who can meet the current needs of the social development, local universities must carry out comprehensive reforms in the aspects of the knowledge framework, curriculum, practice teaching, ability training, etc.. From the perspective of undergraduate talent training program design, a training model is constructed to improve students’ ability of computational thinking. In the model, the course design, based on the paradigm of ability goal-knowledge expression-teaching paradigm, aims at training students’ abilities of computer system cognition, effective use of computer to solve problems, lifelong learning of information technology, and collaborative work on the Internet; the teaching design, based on the path of “classroom support, project promotion, advisor guidance and the atmosphere influence”, aims at training abilities of problem solving, heuristic reasoning, system design, and construction evaluation.

Key words:local universities; computer majors; talent training model; computational thinking; training program

【高等教育研究】