面向新工科建设的计算机通识教育探索

尹 枫, 宋 晖, 刘晓强

(东华大学 计算机科学与技术学院, 上海 201620)

当前人工智能、大数据、云计算等信息前沿技术正加速与各行业的深度融合,因此各行各业都急需能将计算机信息处理技术融入专业技术的高素质复合型新工科人才[1]。在校大学生也迫切需要学习前沿信息知识,掌握解决专业领域实际问题的信息处理能力。面向非计算机专业学生的大学计算机通识教育,应当积极响应这种发展需要,以培养具有计算思维、信息融合、创新能力的新工科人才为目标[2],在推动新工科建设中发挥作用。

新形势下的计算机通识教育面临学科交叉融合、创新能力培养、教育信息化等多方面的挑战,必须解决好以下问题:通识教育内容缺少典型的交叉融合课程,如何通过课程体系建设实现学科融合需求;通识教育打破了以教师教学为中心的传统,如何通过设计教与学的方法实现创新性需求;通识教育主要采用大班教学方式,如何通过信息化建设手段满足师生的个性化需求。为了解决上述问题,我校(东华大学)计算机科学与技术学院进行了有益的探索和实践。

一、打造一体化人才培养体系,加强学科交叉融合

计算机通识教育以培养学生用信息技术解决学科专业实际问题为目标。构建包括通识课程、创新课程、学科竞赛三个层次的培养方案,以满足各学科专业对信息技术一致性和专业引导差异性的需求。通过“思维—能力—技能”的培养过程,形成集教学方法、教学资源、教学平台贯通协同的一体化人才培养体系,如图1所示。

图1 计算机通识教育人才培养体系

通识课程主要引领学生入门,用程序设计方法培养学生的计算思维能力[3],课程设置和教学内容都进行了挑选和凝练。通识课程的教学资源、教学过程管理已在超星学习通、中国大学MOOC等平台实施,为学生自主学习提供便捷的途径。

创新课程是进阶课程,其内容具有一定的创新性和挑战度。结合我校新工科的学科布局和专业领域实际需求,开设新一代信息技术及应用的创新课程,包括“数据科学技术与应用”、“人工智能技术与应用”、“多媒体应用系统技术”和“信息系统与数据库技术”等。创新课程可以带领学生站在信息技术的前沿,破除技术的神秘感,激发学生的好奇心,为各学科领域的创新应用提供信息技术支撑。

学科竞赛作为高校计算机教学延伸的第二课堂,是信息技术与工程教育融合的桥梁。将学科竞赛纳入培养方案,成为教学育人的重要组成部分[4]。近年来,国内比较重要的赛事包括中国“互联网+”创新创业大赛、中国大学生计算机设计大赛、中国高校人工智能大赛等。这些竞赛具有突出应用导向、注重学科交叉、强调创新设计等特点,为各专业学生搭建了信息化、智能化、实战化的创客空间。挖掘学科竞赛的内涵、成果和资源,建设综合示范案例库、竞赛优秀作品库、竞赛拓展课程,将学科竞赛纳入课程资源池。课堂教学和学科竞赛相互衔接,协同育人,为创新人才培养赋能加力。

二、推进项目式学习方法,提升学生创新能力

创新课程是为解决学科领域的实际问题服务的,教学方式从传统的“教师教”转为开展“以学为中心”,探索适应创新课程的教学内容、教学案例和实验环节。PBL(Project-based learning,项目式学习)是以学生为中心,以项目为导向,围绕项目开展探究学习,从而获得知识和能力发展的学习方式与教学模式[5]。目前,创新课程教学通过案例引导开展项目式教学,通过“讲—演—练—赛”多手段培养学生的综合能力,提升课程育人效能。

基于PBL的创新课程教学设计,为学生提供从单元模块学习到应用项目实践的完整过程[6],如图2所示。依托开放型项目开展跨学科教学,引导学生从信息技术向专业领域进行深度融合,全方位培养学生进行创造性设计、开发创造性解决方案的能力,以及团队合作能力、项目管理能力和领导力[7]。

图2 基于PBL的创新课程教学设计

常规的教学案例一般是针对课程的具体知识点设计的,学生很难通过案例认识计算机应用技术的全貌,在面向应用需求时很难找准方向。PBL教学选择案例时,会考虑专业特色需求,形成学科支撑特色。通过调研纺织、材料、化工、机械、管理等各学科在新工科专业建设中对人工智能、数据科学的需求,设计创新课程的专业案例。针对化学材料类专业建设材料性能分析、生物特征识别等案例;针对纺织服装类专业建设纺织面料数据库、时尚预测分析等案例;针对人文管理类专业建设电子商务网站、金融风险分析和预测等案例。PBL教学方式打破了传统的教学模式,以“练”代“讲”,通过案例实验的复现和讨论,培养了学生自主设计的能力。

学科竞赛为创新课程教学提供优质的综合示范案例。案例主要来自本校学生参赛的优秀作品,比如,中国大学生计算机设计大赛的优秀作品“大数据下的新冠疫情分析”、“针织行业标准知识图谱构建和应用”和“基于版本管理的论文一站式培养系统”等。这些案例展示了信息系统、数据科学、人工智能、多媒体以及基础编程等技术在实际项目中的集成应用。教师通过剖析竞赛案例的创意特色、系统框架、功能设计、技术实现,培养学生综合运用知识的能力,帮助学生对信息技术的理解从知识层面转向应用层面。

PBL教学中的项目实践也是不可缺少的训练环节。以“人工智能技术与应用”课程为例,课程设置开放性实践项目,学生自由组队,经过专题讨论和选题交流等课堂研讨,鼓励学生通过头脑风暴挖掘专业领域的应用需求,评估选题的可操作性,并确定选题,开展项目设计,例如碳合金组织识别、纤维显微图像分类、基因模式挖掘、纺织史动画生成等选题[8]。创新课程的考核从考试转变为演讲、讨论、报告、答辩等贯穿项目实施全过程的多维度评价。

在创新课程实践环节,发现并激励有潜力的学生持续开展课题研究,鼓励学生参加计算机应用设计类的竞赛,教师全过程跟踪指导学生作品设计,利用竞赛平台拓展学生持续学习的空间,为信息技术的创新应用提供练兵舞台。

三、构建开放教学平台,支撑大规模教学和个性化需求

计算机通识教育既要培养学生的信息素养,满足学生未来发展的需求,又要为学生提供实现培养目标的学习策略和成长空间。高校的计算机通识课程学分有限,学生通常在低年级选修1门或2门课程,仅靠课程教学已不能满足信息技术高速发展的时代要求。

依据不同层次的培养方案进行整体规划,通过自建和整合资源,建立包括教学资源平台、AI实训平台和创新竞赛平台“三位一体”的开放教学平台,突破教学的时空限制,形成课内课外融通学习的新生态。开放教学平台推进教学模式的转变,促进高水平课程资源和实验室建设,为学生提供完善的自主选学机制,能够为个性化教育服务。

1.教学资源平台

教学资源平台为课程开展线上线下混合式教学提供支持。课程面向全校学生开放,提供线上学习资源和学习指导。依托超星学习通在线教学平台开展教学活动、记录教学过程、检测教学效果。学习通平台有规范完整的课程管理体系和开放共享服务,操作简单,运作高效,符合师生的教学和学习习惯。学生在平台上完成知识预习和复习,参与主题讨论,完成课堂和课后练习,并根据兴趣选择扩展提升,学生在学习过程中充分发挥了主观能动性。

通过教学资源平台,将学生自主学习、教师教学、线上线下互动等有机融合,提升学生的参与度和获得感,教学效果显著。各门课程教学团队依照混合式课程要求全面建设线上教学活动,秉承以学生为中心的教学理念,对教学内容、实验资源、教学互动、课程实践、考核评价等进行精心设计。教学资源平台包括以下内容:

(1)教学内容。包含知识原理和关键点精讲的微课视频和课程讲义。教学内容可以通过平台窗口对非选课学生开放。

(2)实验资源。知识点配有相应的案例讲解视频和实验作业。支持学生对案例进行复现、模仿,最终到设计实现。实验作业一般为基本知识的上机题,由研究生和优秀本科生担任助教并对作业进行线上批改,及时给予反馈。

(3)教学互动。设计随堂练习、抢答等课堂活动,检验课堂学习效果,提升课堂活跃度。题型一般为客观题、选择题、程序填空题等。教师根据平台提供的学生答题实时数据及时反馈调控,并进行有针对性的讲解,实现精准教学。

(4)课程实践。对课程综合实践项目全过程支持。通过分组任务进行学生组队、组内讨论、文档提交、资料归档、教师评分等活动。教师可在平台上跟踪项目进程,完成过程监测、技术指导和数据收集等。

(5)考核评价。平台提供作业、章节测验、讨论发言数量、视频学习数量等教学过程的量化数据分析,可作为本门课程教学质量和学生考核的评价依据。

2.AI Studio实训平台

为满足新工科对“AI+”人才培养的迫切需求,我校与百度公司开展校企合作,在“人工智能技术与应用”课程教学中引入百度AI Studio实训平台、实践工具、应用案例和企业微课资源[9]。AI Studio实训平台提供了与非计算机专业学生的基础较匹配的各项支持,使课程从理论教学、应用实践到创意设计都可以全方位展开,解决了课程大面积教学的实验环境问题。学生可以借力百度的云计算平台,完成学校实验平台无法开展的实践。AI Studio实训平台包括以下内容:

(1)教学平台。AI Studio实训平台提供教学视频、线上测验、线上讨论、提交和批改实训作业等支持,辅助开展线上线下教学。

(2)教学资源。社区不断增加的数据集、课程内容和丰富的案例库资源拓展了课程教学资源,保证了课程的新颖性和课堂的活跃度。

(3)实训环境。AI Studio实训平台包括飞桨深度学习平台、Easy DL、AI服务等工具和环境,为课程提供了人工智能实验支持和远程计算力。

在多层次的实践环境支持下,针对思维能力、建模能力、开发能力等设计“人工智能技术与应用”课程的演示型、验证型和开发型实验,辅助前沿信息技术在通识课程教学中由浅入深地将理论和实践密切结合。课程引入企业AI服务中的各种解决方案,拓展学生的视野,结合企业案例进行讨论,引导学生关注智能机器人、智能制造、机器视觉、工业大数据等多个研究领域,并对人工智能产业和应用进行探究。学生在学习人工智能理论和工具的基础上,循序渐进地掌握处理学科交叉领域问题的方法,快速有效地结合各自专业开展创新实践。

3.创新竞赛平台

开放的计算机竞赛,为学生的创意选题、方案设计和技术实现提供了自由拓展的空间,极大地推动了计算机通识教学改革,促进了计算机互联网、大数据、人工智能、物联网等前沿领域与专业学科的交叉融合,得到了师生的广泛认可,参赛人数逐年增长。

发挥学习通在线教育的优势,打造创新竞赛平台,形成宣传、组织、管理、学习的联动机制,打造竞赛资源和竞赛成果展示的窗口[10]。凝练竞赛资源并进行分类建设,包括比赛介绍、获奖情况、作品归档、拓展课程四个模块,形成独具特色的线上竞赛课程。创新竞赛平台包括以下内容:

(1)比赛介绍。包含比赛流程、赛事通知、参赛指南、作品提交等目录。比赛流程以时间线的形式清晰展示竞赛各阶段和学生在各阶段需要完成的工作。学生可以通过比赛流程、竞赛通知、竞赛文档等完整了解赛事组织、报名方式、活动流程、作品要求等。

(2)获奖情况。包括获奖作品目录和学生获奖感言。学科竞赛是校园文化建设的重要组成部分,优秀的学生作品具有积极的示范效应,要发挥其宣传作用。获奖作品目录发布学校历年来学生获奖情况、获奖作品名单,这是计算机教学在课外创新实践活动中的成果展示窗口。学生可以从历届获奖作品中获得启迪,再结合自身专业、热点问题、社会需求确定自己的选题,迈出竞赛的第一步。获奖感言是学科竞赛中的获奖学生以视频、文字、图片等形式全面展示其参赛过程和参赛的体会感想。学生是竞赛的主体,通过竞赛优秀学生分享自己从校内比赛崭露头角、到省级比赛脱颖而出、最终站在国赛领奖台的经历,引导学生正确认识学科竞赛,增强学生的自信心,激发学生的比赛热情。

(3)作品归档。包括作品演示视频、专家点评、作品集锦目录等。通过收集优秀作品文档,构建多种类、模块化、系统化的作品资源库。这些作品可以传承竞赛经验,丰富计算机通识教育课堂的教学案例,为师生提供生动的实践参考素材。计算机类竞赛的比赛形式正从线下转为线上线下融合,并通过超星、B站、抖音等平台进行直播。通过观摩录制的学科竞赛特色线上环节,学生可以更加直观地了解优秀获奖作品,小到幻灯片设计、答辩技巧,大到关键技术和思维方式,从技能和思维获得全方位启示。

(4)拓展课程。增加虚拟现实、信息可视化、深度学习、区块链等线上课程资源。教师团队对历年竞赛优秀作品进行分析,对计算机领域前沿技术进行提炼和整合,梳理出适合本校学生学习的竞赛拓展知识,为具备信息技术自主学习能力、有创新需求的学生提供课程支持。为了适应竞赛的管理和服务需求,在超星学习通的基本功能上进行深度应用开发,形成规范的竞赛管理。在超星学习通中建立竞赛课程和班级,实施竞赛报名和参赛学生的动态管理。建设计算机专业教师和其他各学科教师结合的教师团队,充分发挥教师的全程指导作用,确保竞赛活动的质量和成效。以参赛队为单位进行全过程管理,管理员通过发布作业、分组任务、问卷调查等组织实施竞赛过程中的作品提交、资料归档等管理职能。

四、探索成果

我校计算机通识教育从课程体系、教学方法、教学资源等多方面着手,打造新工科人才培养的教学环境,助推复合型人才的专业创新能力提升,成效显著。自2021年来,计算机通识课程全面开展线上线下混合式教学,课程内容与时俱进。按照“两性一度”标准打造的“数据科学技术与应用”“信息系统与数据库技术”2门国家级一流本科课程,已开设13期线上课程,至今已为30多所学校提供在线课程教学服务。通过教学案例、实验指导、MOOC等数字化优质资源和创新教学方法,持续发挥示范引领效应。

我校建立计算机应用能力创新实践活动基地,并在全校本科生中组织学生参加竞赛,拓展课外教学实践,专业覆盖面广,辐射力强。以承办国家级竞赛“中国大学生计算机设计大赛国赛分赛区”为契机,探索专创融合实践型人才培养方案。2021年至今,我校每年参与该项赛事学生300余人,提交作品100余项,获得57项国家级奖项。通过以赛促教、以赛促学、以赛促创的实践模式,提升了学生跨学科融合信息技术的能力,提高了应用型人才的培养质量。

五、结语

计算机通识教育坚持以学生为中心,将创新培养和自主学习的理念贯穿育人全过程。扎实的核心课程体系帮助学生构建前沿信息技术的知识系统,完善的实践教学和技能培养方案激励学生自主学习,在富有挑战性的学科竞赛中进行跨学科探索,逐渐形成“夯实信息素养、融合专业学科、培养创新能力”的人才培养新范式。面向新工科产业融合的需求,计算机通识教育将进一步加强产学合作,对接企业人才需求,引入和融合企业研究成果,加强产学研用协同育人。