实战化导向的《大学计算机基础》教学内容优化

2019-09-06李祁杨玫王丽娜

现代计算机 2019年22期

李祁，杨玫，王丽娜

（海军航空大学航空基础学院，烟台246001）

0 引言

为适应信息化战争需求，打赢未来战争，军队院校培养具备一定信息素养和计算思维能力的现代化军事人才刻不容缓。计算机不仅是信息的载体，更是军人安身立命需要掌握的重要技能，而军校计算机课程教学应立足于信息化发展趋势和军队人才培养需求，以信息的获取、处理、应用和评价作为重点，实现教学与实战的有效结合，最终实现学员终身学习和计算思维能力的构建。

军校非计算机专业开设的《大学计算机基础》是本科通识教育公共工具模块的必修课，也是新生学员入学后第一门计算机基础课程，对新入伍学员不仅有着重要的导向性作用，更是培养实战化素养与能力的重要基础。本文从课程教学特点出发，精析大纲及教材，结合军校学员特点，以实战化为导向，多维度重构优化教学内容，做足“教学内容三结合”，即教学内容的前瞻性和实战化需求相结合、教学内容的理论性和教学设计的趣味性相结合、教学内容的普适性和教学方法的科学性相结合。

1 课程新大纲的分析与解读

2017 年中央军委训练管理部为提高人才培养质量，统一军队院校教育训练基本标准，制定军队院校教学大纲，对科学文化课程做了明确的目标要求。其中对《大学计算机基础》课程的定位是使学生体验和初步实践计算的魅力，为学员打开一扇门，看到另一种解决问题的方法，使其具备一定的运用计算求解问题的能力兼顾计算机基础知识和思维素养的培养。新大纲制定总体思路：

（1）思维训练为主，技能训练为辅

（2）突出军事应用特色

（3）兼顾理工文学科需求

（4）平衡大纲指导作用与各院校专业需求差异

课程大纲设计以树立“厚基础、重算法、强能力”为教学理念，强化创造性思维过程的培养，采用灵活多样的教学手段，并改革考试方式，突出能力考核。

而针对本课程理念是以计算思维为牵引、突出军事应用特色、面向不同专业要求分类指导，其目标：

（1）认知与理解计算系统和计算方法

（2）正确获取、评价和使用信息的素养

（3）培养军事信息系统应用能力

（4）基于信息技术手段的交流与持续学习能力

新教学大纲更加关注如何发挥计算能力从而解决问题，不过多强调太专业的计算机科学知识，选择Python 作为实践语言，将原有模块知识点既作为教学内容又作为研究对象，通过这种问题求解的学习和实践，培养学员在理解计算机基础知识同时，能主动在各自专业学习中利用计算思维的方法和技能进行问题求解[1]。

2 重构优化教学基本框架

以素养与能力导向的课程教学为核心，以计算机基础知识为载体，将教学内容、教学模式、支撑手段以及学习评价四个要素相结合，即是重构优化教学的基本结构框架。

图1 教学内容重构与其他教学要素关系

教学内容重构以主题式、任务驱动式为牵引，推动教学过程，激发学员探索欲望，使学员增强自我效能感；教学模式重构主要结合不同教学内容分时适度地采取混合式教学、SPOC、BOPPPS 模型等教学模式，模式的自由度降低了学员之间的差异，更利于教员因材施教；支撑手段重构，采用共建共享思路，利用同体系专业课程共享的实战素材，构建丰富的教学资源库，使“战争”进课堂，提升学员荣誉感和使命感；学习评价重构采用的基本原则是统筹兼顾，突出重点，以此促进学员对学习的过程的积极反思和总结，推进学员自我评价良性发展。

3 教学内容的重构与优化

军校《大学计算机基础》围绕“计算”，贯穿“思维”。将自然、社会、军事问题等通过计算求解，而这里的计算是指计算科学的统称，涉及具体问题如何计算？计算和这些问题如何融合？从人到计算机的求解经过一个复杂的过程，人-计算是数学问题，而计算如何自动化，将复杂问题用计算机简单化，就是计算机科学的问题。

图2《大学计算机基础》课程教学内容结构

根据教直委《大学计算机基础课程基本要求》对教学内容提出的典型方案：基本型、问题求解型、系统性[2]，其中基本型建议采用宽度优先的教学设计原则，这部分涉及的知识内容多，可在原有内容基础上删减组织，并在案例和方法上有所突破；问题求解型基于深度优先教学设计原则，突出培养基于算法和程序设计的问题求解基本方法和能力，针对不同的学时需求又可分成：“问题简约型”和“问题求解扩展型”；系统型则基于宽度和深度兼顾的教学设计原则，从计算思维培养角度组织和表述教学内容，在计算系统理解和问题求解方法上同时体现广度和深度的要求，一般课时学时要求较多。

以此方案为基础，结合军校特点，这里将重构的教学内容分为两大模块：计算机基础知识与应用（基本型）和Python 程序设计（问题求解型）。前者是问题求解的基础，主要以信息的表示与处理为核心，围绕信息的表示（包含数值、字符、声音、图像）、信息处理的工具——计算机系统以及应用（计算机网络、数据库技术）展开。

图3 计算机基础知识与应用模块

Python 语言因为其免费、易学、功能强大，在网络编程、图形用户界面编程、科学计算、机器学习、人工智能等领域都有着广泛应用，选择其作为本门课程的实践语言是为了将它作为求解问题的工具，但一门程序设计语言并未作为一门单独课程开设，而是在仅有48学时的大基课程中，且仅占6～10 学时学习，无论是从学习一门编程语言角度，还是辅助教学的工具角度，让学员熟练掌握并应用是远远不够的，何况对于大一年级刚入校的新生学员，很多都未曾接触过编程语言，因此，教学内容的提炼和教学方法的选取显得尤为重要，Python 程序设计这个模块要保证课堂设计有针对性，课下练习有典型性。对教员提出了更高的要求。

将Python 程序设计模块按照语言学习的特点分成五个主题：

简要介绍Python 语言基础知识，包括基本元素、常用数据结构、基本控制语句。通过舰载机维修记录统计的军事案例理解“自顶向下，逐步求精”的结构化程序设计方法。

（2）Python 程序设计方法

在面向过程程序设计基础上，利用函数实现程序模块化、语句层次上封装，进而引出面向对象程序设计方法，通过手雷投掷参数案例加深对面向对象编程思想的理解。

（3）基于计算机的问题求解

围绕计算思维的核心概念即逻辑思维与算法思维展开研究，将常用的一些算法思想如分治、归纳、抽象、建模等通过典型的军事案例讲解展示。

（4）科学计算

利用Python 科学计算模块Numpy、Scipy、Pandas、Matplotlib 等求解飞行训练数据汇总统计、导弹飞行轨迹问题等军事案例，体验第三方库科学计算模块的强大。

图4 Python程序设计模块及军事案例

（5）其他应用

四旋翼飞行系统作为一种欠输入系统，其在四个输入力的作用下可以产生垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向运动这六种输出状态[16]。其飞行动作皆可通过控制电机转速来实现，本文着重介绍垂直运动、俯仰运动、偏航运动。

以计算机应用为主，使用Python 完成对具体军事案例问题的程序编写与实现，如舰载机参数加密问题、利用网络爬虫进行军事舆情分析、网络攻防等。

4 教学内容重构与优化案例

以下是按照深度学习路线（DELC）教学理论框架[3]展示已优化的面向对象编程基础部分（含军事案例）。

（1）设计标准与目标

面向对象编程是Python 的一个核心特性，在Python 中，几乎所有的事物都是对象，通过学习Python 面向对象编程，理解对象的本质，从而更好地使用Python对象。

教学标准：根据“手雷投掷技术参数分析”问题，共设3 级标准。能分析出模型为0 级；根据模型能实现Python 的函数功能为1 级；能定义出相应的类和对象为2 级；实现程序的完整功能，并调试成功则为3 级。

教学目标：

①能正确地定义类

②能够灵活运用对象的属性和方法解决问题

③能正确写出对象的继承

教学手段：原理描述与Python 实践相结合

（2）预测评估

课前雨课堂布置预习作业，通过查看完成情况，了解学员预习情况和先验知识结构，指导课堂教学内容的删减。

（3）营造环境

以“虚实结合、人文互动”为原则营造课堂情境，使学生融入其中实时参与，用手雷投掷作为军事案例将学员引入情境。

图5 问题情境引入

（4）预备并激活先期知识与获取新知识

预备工作并激活先期知识的目的是要激活大脑中现有的神经网络结构以用于更强的联结，因此获取新知之前帮助学生用10%的时间搜集背景知识，激活先期经验知识，然后再一步步探求原委[4]。主要采取的教学方法是互动式教学，发送题目互动题目，交流研讨式。

图6 雨课堂交互式提问

再用80%的时间教授新知；最后10%的时间则用

于联系新旧知识点会起到更好的效果。

（5）深度加工

深度加工目标是多维知识整合，而以问题为线索的知识建构能有效地加深对问题的理解，通常问题来自于所学内容中的难点重点，即把学习设置到真实复杂的问题情境中[5]。学生能否进行“深度加工”，教师的引导至关重要。

在这个军事案例中，学员已经通过分析构建手雷飞行轨迹相关问题的模型，达到0 级标准，完成了Python 的函数功能，达到1 级标准，接下请学员自行创建类及该类的数据成员和成员方法，需要强调以下几点：类名的定义、构造函数的写法、self 是类的对象。比较并区分类的对象和对象。

（6）学习评价

深度学习评价是以设计的标准和目标为依据，运用调查、测验、统计分析等方法，来对深度学习过程及结果做出价值判断，并对深度学习目标进行反思和修订的活动[6]。学员已经通过手雷投掷参数分析案例由浅层到深度学习的过程，经历了逻辑的解释、慎重的讨论、批判的思考，体验式的实践，基本能够利用面向对象的方法解决一个具体问题。最后通过用面向对象的方法改写之前的程序案例的作业，完成该理论知识的完整评价。