智能时代计算机基础“金课”建设实践与思考

吴 茜，吴泽志

(安徽医科大学 人文医学学院，合肥 230032)

2013年，德国首次提出工业4.0时代，意味着以人工智能和大数据为核心的第四次科技革命和产业变革浪潮奔腾而至，也就是智能新时代的到来。智能时代是一个新时代，更需要复合型创新型人才[1]，这就需要再认识、再定位、再强化高等教育，加快高校课程改革。在智能时代的背景下，建立一流课程，设置一流专业，培育一流人才，全面振兴本科高等教育已在国家层面顶层设计。

课程是高等院校人才培养的关键要素，2018年教育部部长陈宝生在新时代全国高等院校本科教育工作会议上首次提出高校课程“金课”概念。随后，教育部印发《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》[2]，第一次将“金课”写入教育部文件，要求高等院校全面梳理各个专业课程的教学内容，淘汰“水课”、建设“金课”，切实提高课程教学质量。教育部吴岩司长在中国大学教学论坛上指出 “金课”的“两性一度”标准[3]。所谓“金课”，即一流课程。此后，涌现出一大批国家级、省级在线精品课程，在线“金课”突破了时空限制，提高了教育资源的均衡性。

计算机基础作为非计算机专业本科生的必修课程，在智能时代应充分发挥出其培养学生计算思维和计算机应用能力的作用，培养学生利用互联网、计算机、大数据、云计算、人工智能等智能时代先进技术解决问题的能力，将现代技术与专业深度融合，利用先进技术解决专业领域问题，是现实多学科交叉融合、培养新时代复合型人才的重要课程[4]。但是现如今计算机基础课程内容陈旧、形式单一，缺乏高阶性、挑战度，无法满足智能时代对计算机应用能力的需求。因此，面向智能时代的计算机基础“金课”建设是值得不断探索与深入思考的问题，也是课程教学研究的重点、难点。

在教学改革与实践过程中，教学组对计算机基础“金课”建设作出了总结与思考：在教学目标上要具有高阶性，教学内容具有前沿性，教学方式具有互动性，教学效果具有个性化，课程整体要有挑战性。具体来讲，计算机基础“金课”旨在培养计算思维能力、深度学习能力和创新能力，在原有计算机基础知识基础上，增加大数据分析、深度学习概述等前沿知识，从线下、线上线下混合、实践三个层次使学生由浅入深地主动探究计算机基础课程内容，促进学习者从低层次的浅层学习上升到高层次的深度学习。

1 淘汰大学计算机基础“水课”

随着互联网、计算机、大数据、云计算、人工智能等先进科学技术手段的迅速发展与广泛应用，新工科、新医科对计算机应用能力的水平要求越来越高,对计算机现代化技术的依赖性与需求日益增强。大学计算机基础是非计算机专业本科生入校后接触到的第一门计算机通识课程，其重要性已突显。在课程建设中既要保持教学内容的经典性同时要更新前沿知识，使课程具有挑战度。纵观大学计算机基础课程20余年来发展历程，从1997年以普及计算机文化知识为目标的三层次计算机文化基础，到2004年以培养计算机应用能力为目标的大学计算机基础，再到2010年以计算思维为导向的大学计算机课程设置，大学计算机基础已经历了3次重大课程改革。当前以大数据、互联网、人工智能为代表的科技革命和产业变革浪潮奔腾而至，已进入智能时代，高等教育必将进入“多样化、个性化、学习化、现代化”为特征的新阶段[4]，大学计算机基础课程也应适应时代发展与变化。传统“三中心”教学以教材、教师、教室为中心，采用“教师讲、学生听”的单一课堂教学方式具有以下缺陷：一是灌输式教育，教师单向传递、灌输知识，学生在课堂中的思维方向、思考内容仿佛有一条无形的绳索牵引、制约着，使得学生的主动学习思索能力、个性化展现都受到抑制，不能很好地调动学生的积极性、主动性、创造性。二是传统教学缺乏老师与学生、学生与学生之间的互动、交流，课堂氛围一般较为沉闷、无趣，师生间缺乏了解与沟通。三是教师重科研轻教学的态度直接影响教学效果，经过座谈与交流发现，一部分同学认为没有“水课”，只有“水老师”。教学内容陈旧，不具前沿性、挑战度和吸引力，教师在教学内容更新上花费的时间和精力过少。四是理论与实践相结合的教学方式看似合理，但实践方式过于单一化、陈旧化，实践内容简单、无趣，学生缺乏创新能力的训练与培养以及主动探索知识的热情与勇气。这些弊端将导致学生主动学习能力、创造能力的丢失，学习能力与创造能力恰恰是高等教育人才培养的关键所在。

2 智能时代“金课”建设路径探索

近些年来国家推出了一系列人工智能在教育应用中的战略部署与行动规划。2017年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》[5]，提出智能教育成为人工智能一个发展方向。2018年，教育部颁布《高等学校人工智能创新行动计划》[6]和《教育信息化2.0行动计划》[7]，标志着智能时代下教育改革的开始。2019年，党中央、国务院发布《中国教育现代化2035》[8]，明确指出信息化时代教育变革是推进教育现代化建设的十大战略任务之一。智能时代背景下，知识获取的途径和学习模式都已发生了质的变化。智能时代“金课”建设与发展关键点是考虑如何借助现代工具加快高等院校新时代人才培养模式改革，实现“以学生为中心”的主动学习与以“创新能力培养为目标”的深度学习。

实现以学生为中心的主动学习方式是教育教学的重要改革，也是“金课”建设目标之一。从传统在课堂上以教师为中心、教师“满堂灌”讲授，转变为教师把控课堂，掌握教学节奏与方向，给出问题或知识点，指导同学们主动学习、甚至可以提出问题的教学方式，学生主动学习应经历一个再认识、再讨论、再提升的螺旋渐进式知识获取过程。

实现以“创新能力培养为目标”的深度学习是对教学的高阶要求。依据布鲁姆提出的认知维度教育目标层次划分理论，知识获取分为识记、理解知识的浅层学习和应用、分析、综合、评价知识的深度学习[9]。从哲学角度来看，人类活动都具有表层属性和深层属性双重层次，不能只把握活动表层属性，而应深入挖掘活动背后的本质属性，对于教学亦是如此；如果说以学生为中心的自主学习是为了使学生掌握知识点、识记知识的浅层学习，那么深度学习的目的是对知识进行应用、分析、综合、评价，培养学生深度学习能力和创新能力。浅层学习和深度学习之间相辅相成，两者构成了“金课”建设的双重目标。

3 基于慕课的线上线下混合“金课”

为实现大学计算机基础“金课”建设，培养新时代大学生计算思维能力、深度学习能力和创新能力，课题组申请省级质量工程项目，建设大学计算机和计算机应用两门大规模在线课程(MOOC)，建立基于慕课的线上线下精品课程。在新冠疫情常态化状态下，在线精品课程发挥了其不受时间空间阻隔的优势，学生在网络流畅的情况下可以随时随地自主学习，实现个性化学习。线上线下混合“金课”将有望成为未来精品课程建设的主要途径。其中基于慕课的翻转课堂(Flipped Classroom)是最具有代表性的线上线下混合教学方式。翻转课堂于20世纪90年代初在美国兴起[10]，它重构知识获取、知识传授和知识应用的时空顺序，将教学分为课前线上自主学习阶段，课中讨论、探究等线下学习阶段和课后以项目等综合练习形式开展的巩固复习阶段。根据课题组近些年来的实践与总结，基于慕课的翻转课堂在实施过程中不仅仅是遵循课前、课中、课后简单的教学顺序变化，而且需要按照前文中阐述的“金课”建设路径，以实现课程教学双重目标，即通过课前和课中学习完成知识点、技能、方法等知识的理解、识记，以“学生为中心”的主动学习方式实现知识的浅层学习，进而通过课后巩固复习达到运用知识解决实际问题的高阶能力，实现培养学生创新能力的深度学习。

(1)课前线上自主学习阶段。如何建立基于慕课的线上线下混合“金课”？首先要摒弃灌输式教育,学生新知识的获取不再完全依赖课堂教师讲授的单一方式,而是将知识点以慕课的方式上传到网络中供学生课前自主学习,学生自主学习建议在老师的指导和安排下进行。因此课前学习活动效果取决于三个因素，一是教师的指导性，二是学生的主动性，三是慕课的质量和效果。基于慕课的线上课程设计应考虑以下几点：①课程采用以问题为导向的讲授方式，按照知识点组织教学内容，时长在5～15分钟左右，由于计算机类课程内容较多，时长一般在10～15分钟左右。②课程内容包括经典内容和前沿内容，应定期完善、更新，同时要考虑趣味性和新颖性，例如计算机应用课程慕课，在讲解计时器控件时，首先设计一个气球按照一定时间间隔不断上升案例，案例具有一定的趣味性，以案例分析的方式引入计时器控件相关知识。③教师要关注学生自主学习过程中的留言、讨论，搜集课前学习问题，并进行分类和汇总，整理出相应知识点。课前线上自主学习很容易出现将传统的“教师讲，学生听”的授课形式转变成学生在网络上听老师讲的“满堂灌”情况，所以教师在慕课内容安排上要下功夫，一般采用案例或问题作为引入，让学生在线上学习过程中带着问题积极思考、主动学习。

(2)课中线下教学活动阶段。“以学生为中心”的主动学习,受到自身经验和认知能力的制约,学生很难完全把握住重难点知识，很难将习得的知识点、技能、方法等贯穿起来，甚至出现偏离知识本身的含义或出现理解上的偏差，这些都是自主学习中很正常的事情。所以基于识记、理解的浅层学习也不是单纯通过课前学习就可以完成，也是一个再认识、再讨论、再提升的螺旋渐进式学习过程，并通过课中线下讨论、交流、探究等方式加深、更正、甚至重新认识课前自主学习知识。课中线下学习活动设计应考虑以下几点：①要建立一个良好的课堂学习氛围。好的课堂氛围需要师生间多沟通，产生情感共鸣。②教师搜集学生课前学习问题，加深对学生的了解，同时一部分学生应能够基于课前学习提出经过思考后的高阶问题，形成具有难易梯度的问题集，课堂中师生间能产生问题共鸣。③教师角色从“表演者”转换成“指挥者”，仍然以学生为中心，课堂教学以交流、讨论、问答、探究等互动开放式教学为主，促进学生对自主学习内容的再认识、再提升。线下教学在教师主导下，加深学生对知识的理解和识记，并认识知识点所延伸的科学概念，逐渐将浅层学习上升到深度学习。因此课中线下学习活动是一个必不可少的教学环节，不能因为丰富的线上教学资源而忽略或轻视线下教学，在混合教学设计中，线下教学目标、形式发生了变化，其重要性有增无减。

(3)课后复习与实践阶段.课后复习是对前两个阶段学习内容的提升，按照国内外的经验介绍和本课题组的实践经验总结，该阶段主要采用项目训练方式组织实施，并建议以带领部分学生参加专业类竞赛形式进行高阶训练，将前两个阶段掌握的知识应用于实践，发展学生创新能力和高阶能力等深度学习能力。“深度学习不仅意味着通过练习学生已有的认知结构达成对知识的理解，还意味着理解的知识是可迁移的——即在新的环境中创造性地应用所习得的知识来解答未知的真实问题。”[11]课后复习过程实质上是教学实践能力训练，项目设计要注意实用性、趣味性、专业性，且层次分明能适应学生的个性化学习。通过课前、课中、课后三个教学活动阶段进阶学习，完成“金课”建设的双重目标，即通过课前线上学习和课中线下学习实现以知识识记和理解为主的浅层学习，进而通过课后复习以实现发展学生高阶能力、创新能力为目标的深度学习。

4 大学计算机基础课程教学实践与思考

(1)教学内容具有先进性。2013年,采用问卷调查、座谈交流以及教学过程中的沟通总结等形式，教学组对大学计算机教学目标、教学内容进行了教学改革，教学目标从过去“培养计算机基本应用能力”进一步改为“培养用计算思维解决问题的能力”，注重计算思维能力的养成。此后，在教学实践中不断根据专业特点和需求，修订、完善大学计算机课程教学大纲；2018年，随着大数据、云计算、人工智能等新技术的蓬勃发展，教学组对大学计算课程进行第二次教学改革，在原有经典课程内容的基础上增加大数据、云计算以及人工智能概述等前沿性教学内容，并制作大学计算机慕课，进行基于慕课的线上线下混合教学改革与实践，提出以“培养计算思维能力、创新能力、深度学习能力”为目标的大学计算机课程教学设计。

(2)与专业相结合。智能时代的各学科人才培养中，大学计算机作为非计算机专业的计算机公共课程，培养学生利用计算机、大数据、数据处理工具、人工智能、互联网等解决专业问题或与专业相结合进行的创新创业设计能力。利用先进技术更方便、准确、快速地解决现实问题，这是培养新时代优秀大学生的目标。为此，在大学计算机“金课”建设中，应充分考虑专业特点与需求，在课程内容中设计特定案例和应用场景，例如医学影像专业课程设计中增加利用人工智能进行细胞分类或组织分割等应用案例，介绍计算机先进技术在医学影像中的应用，并可安排相关实验，让学生应用先进技术解决专业问题。医学信息工程专业设计中增加PACS系统和HIS系统的介绍与计算机网络知识。课题组在教学中不断充实、完善教学案例，目前针对不同专业共搜集案例50例，通过这些案例将专业需求和应用融合到大学计算机课程中，培养学生计算思维能力和深度学习能力。

(3)重视学科竞赛。自2013年以计算机思维能力培养为目标的教学改革以来，教学组连续8年带领非计算机专业学生参加计算机设计大赛，已形成竞赛团队，取得了不俗的成绩，共获得国家级一等奖8项，国家级二等奖16项，国家级三等奖20余项以及省级奖项50余项，学生的积极性非常高。从教学效果看，通过参赛充分调动了学生的聪明才智、发挥专业或业余特长，让学生主动学习，并能将教学内容应用于实践，达到了创新能力和深度学习的教学目标。因此，在教学过程中鼓励、带领学生挖掘潜能，将所学知识与专业或特长相结合，这是培养创新能力和深度学习能力的极好方式。针对不同专业的学生，其专业优势应在教学中充分发挥，尤其通过竞赛的方式能更好体现[12]，例如生物医学工程专业学生对人工智能、大数据有一定的编程基础和实验条件，带领他们组队参加人工智能或大数据类别的计算机设计大赛；临床医学专业学生对医学有着更专业的知识背景，针对新冠疫情，制作关于疫情背景、防护等科普视频，参加多媒体视频类别的计算机设计大赛。“以赛促教，以赛促学”是我们多年来一直践行的教学模式，它不仅能够激发学生的潜力，同时也能够促进教师不断学习新知识、掌握新方向、保持与时俱进的状态，是大学计算机“金课”建设的有效手段。

(4)鼓励学生申报创新创业训练项目。在“以赛促教，以赛促学”教学模式取得良好教学效果的基础上，教学组积极鼓励有能力的同学参加大学生创新创业训练项目。从选择项目题目与研究方向、书写项目申请书、参与项目研究到项目结题，这一系列过程使得学生掌握基本的科学研究方法。自2016年以来，教学组指导学生申报国家级创新创业项目2项，省级创新创业项目10余项，校级创新创业项目10余项。从教学效果上来看，参与项目研究过程对学生计算机应用能力和创新能力有很大促进作用。

2018年，通过发放问卷调查、座谈交流和教师自身教学总结3种方式，教学组对基于慕课的大学计算机线上线下混合教学效果进行了调查研究，98%的学生对混合学习方式持肯定态度，认为基于慕课的混合教学模式在知识的获取方式、交流互动、主动学习、计算思维、创新意识培养等方面较传统单一面授方式有较大提高；教师也认为基于慕课的混合教学方式让老师和学生之间的交流更多，教师的价值感和存在感更强，促进教师自我提升，同时教学效果和教学质量都有大幅提升。2019年，教学组对部分专业不同班级采用难度相当的试卷为样本进行测试，通过成绩对比可以看出，参与线上线下混合教学的学生平均成绩较传统教学学生提高20.82%，尤其是对主观题，需要发挥学生思考和应用分析能力的情况，参加混合教学的学生成绩提高近50%，教学效果提升更加明显。

5 总结

随着智能时代的到来和丰富而优秀的在线教育资源,高等学校建立线上课程自主学习与线下课堂面授教学相结合的混合“金课”，重视师生间的“情感共鸣”“问题共鸣”，以案例、问题引导，讨论、合作，项目、竞赛、创新训练等方式，实现“以学生为中心”的浅层学习和“培养学生创新能力”的深度学习，重视学生高阶能力的培养。在智能时代，大学计算机作为非计算机专业学生接触信息化知识的必修课，担负着培养学生计算思维、创新意识和高阶学习能力的使命，培养新时代复合型创新人才。大学计算机基础“金课”建设采用基于慕课的线上线下混合教学模式，从课前线上自主学习、课中课堂面授教学和课后复习活动三个层次展开教学活动，结合多年来教学实践与思考，在教学中注重教学内容的先进性与高阶性，将大学计算机知识与专业背景相融合，充分发挥专业知识和特长，“以赛促教，以赛促学”，并鼓励学生参与项目研究，在实践中激发学生的潜能和创新能力。