新工科背景下大学计算机基础课程体系建设与教学改革研究

李树嵩

哈尔滨学院，黑龙江 哈尔滨 150076

新中国成立以来，为推动国家经济建设和科学技术的进步，我国大力发展高等教育，加速人才培养并取得了极大的成果［1］。然而，随着新兴科学技术的不断发展，原有的人才培养模式已经无法满足新时代的工科人才需要［2］。在这种情况下，要充分依托信息技术革命所缔造的各种新技术，例如大数据技术、互联网技术、人工智能技术、5G 通信技术等［3-4］，开发新的人才培养模式，培养出新时代所需要的人才，这就是新工科人才培养给高等教育提出的最新需求。当前，大多数新技术都是依托计算机技术发展而来的。因此，必须搞好高等学校的计算机系列课程教学［5］。在计算机整个课程体系中，计算机基础课程占有十分重要的地位，是学生了解计算机文化、学习计算机技术、开启新工科技术学习的第一课［6］。为了适应新工科人才培养需要，本文致力于对大学计算机基础课程进行教学改革，并探索以其为核心的课程体系建设。

一、基本概念界定

本文以新工科背景下的大学计算机基础课程体系建设与教学改革研究为题，针对大学计算机基础课程的教改工作展开研究，涉及的核心概念包括：新工科、课程体系等，下面逐一加以阐述，以便于开展后续的研究工作。

（一）新工科

工科人才培养，一直是高等学府为国家工业建设输出人才的重要途径。新中国成立以来，我国各大高等院校基本形成了机械、材料、能源等核心专业为框架的工业人才培养体系。然而，自20 世纪末计算机、互联网技术深入发展之后，数字技术、信息技术大行其道，其迅猛发展的势头深刻改变了社会生产和人们的生活方式。在这种情况下，原有工业体系发生了深刻变化，社会需求也不断变革。当前，国家和社会需要更多的依托新技术并能为新工业领域服务的工科人才。为此，教育部自2017 年以来，全面推进新工科建设，并引领国内高校兴建新工科专业，做好新工科的人才培养工作。目前，大数据、云计算、物联网、机器人、人工智能都是新工科的典型专业。

（二）课程体系

课程体系是指因所属的专业相同或接近、课程内容接近或相关而关联在一起的一系列课程的总和。这些课程共同为培养学生的专业知识和技能而服务，而从教学的流程上看，又分为一定的先后顺序。本文中，大学计算机基础是一门独立的课程，但首先其是作为计算机专业的专业课程而存在的，因此计算机专业的其他课程都和大学计算机基础课程存在一定的关联，这些课程就可以共同组成计算机专业的课程体系，如计算机控制、程序设计、数据结构、操作系统、计算机组成原理、微机系统、计算机系统结构、编译原理、计算机网络、网络计算等等。这里需要指出的是，大学计算机基础除了是专业基础课以外，还具有公共基础课的性质。这是因为，大学计算机基础讲述了计算机文化、计算机软件硬件必备的基础知识。任何需要使用计算机的课程，都因此与大学计算机基础课程产生了关联。在这样的情况下，很多其他课程也会与大学计算机基础产生关联。所以，大学计算机基础的课程体系，所涵盖的课程数量会比一般课程更加宽泛。

（三）CDIO

在本文进行的大学计算机基础的课程体系建设和教学改革中，为了更好地联系理论课程和实践课程，采用了CDIO 培养模式。CDIO 培养模式是Conceive、Design、Implement、Operate 四个单词的缩写简化。这四个单词分别代表了构思、设计、实现和运作，也分别对应了CDIO 培养模式下的四个有机组成部分。CDIO 由美国麻省理工学院发起研究，致力于适应时代的人才培养，并将人才培养模式划分为构思环节、设计环节、实现环节、运作环节。通过这样四个环节，可以对知识传授、课程讲解进行更好的设计。CDIO 以产品为导向，致力于以产品产出过程为载体承接知识传播和能力提升，这相比于纯粹的理论教学、课堂教学，具有更大的吸引力，也具有更好的培养目标实现力。这也是为什么在本文的大学计算机基础的课程体系建设中，要使用CDIO 理念的原因所在。通过CDIO，与大学计算机基础课程相关的各课程内容都可以有机联系在一起，并在产品产出过程维护思路下密切关联。

二、大学计算机基础课程教学存在的问题

作为计算机专业先导性的专业基础课，甚至具有公共专业基础课性质的大学计算机基础课程，是绝大多数高等院校在大一就会开设的重要课程。多年以来，大学计算机基础课程的教学工作，积累了宝贵的经验。不同学校不同教学团队，也从自身的实际情况出发，提出了很多与大学计算机基础课程相关的教学改革设想。这些教学改革思路和措施，在很大程度上提升了大学计算机基础课程的教学效果。然而，在新工科人才培养的背景之下，大学计算机基础课程的教学工作仍然暴露出诸多问题，不利于以此课程为核心的课程体系建设。大学计算机基础课程教学过程中存在的问题，包括：第一，没有适应新工科背景的时代需求；第二，相关实验教学方法单一内容陈旧；第三，缺乏课程体系教学的整体考量。下面，就从这三个方面加以详细地阐述。

（一）没有适应新工科背景的时代需求

新工科背景下，对人才培养提出了新的要求，这也是时代需要的必然体现。例如，新工科人才必须掌握大数据、数据挖掘、云计算、物联网、人工智能等相关知识，以便于在今后的工作中能够适应新工科任务的需求。在这样的需求框架下，需要讲授的课程就需要涵盖新工科所涉及领域的常识性知识、具体应用案例、典型的实践技能等等。但是，遍览国内高等院校的大学计算机基础课程，其使用教材、素材选择、实践案例等等教学内容中，和新工科相适应和匹配的内容少之又少，甚至完全处于空白状态。当我们翻开一版再版的大学计算机基础课程教材，很多教学内容仍然是从1945 年计算机诞生谈起，一直沿用传统教学思路。很多20 多年前的素材和案例仍在使用。这就使得学生们在学习大学计算机基础课程的过程中，很难直接建立课程本身和新工科、新工科人才之间的关联性。

（二）相关实验教学方法单一内容陈旧

大学计算机基础课程是一门具有很强实践特征的课程，大多数高等学校配置的上机时间都超过了50%以上的课程学时。可以说，大学计算机基础课程中，理论知识和实践技能的培养，应该是平等分配甚至是实践要更多。因为与计算机相关的理论知识，更多体现在计算机硬件和软件的使用，这些就必须依赖于实验教学环节来实现。所以，实验学时、实验教学在大学计算机基础课程的教学工作中，占有十分重要的地位。也正因为如此，各高等学校对大学计算机基础课程进行实验课程的设置，都花费了很多心血，并且在多年以前就形成了比较成熟的教学模式，其中的案例素材都是反复使用。这固然体现出了稳定性的一面，但多年来实验教学内容和教学方法并没有太多革新和改进，相关内容陈旧，也和新工科要求有较大的出入。

（三）缺乏课程体系教学的整体考量

大学计算机基础课程是整个计算机专业的前导课程、重要课程，并且以此为基础形成计算机课程关系网络，计算机控制、程序设计、数据结构、操作系统、计算机组成原理、微机系统、计算机系统结构、编译原理、计算机网络、网络计算都在一定程度上要用到大学计算机基础课程的内容。但是，在国内大多数高等学校，大学计算机基础课程的教学内容，基本没有过多涉及其与其他课程的关联性，缺乏课程体系教学的整体考量。

三、大学计算机基础课程体系建设的教学改革策略

在前面的研究中发现，大学计算机基础课程在教学工作中存在很多问题，无法有效应对新工科背景下的人才培养问题。为此，本文从CDIO 理念出发，针对计算机基础课程进行体系建设并提出改革策略，以适应新工科背景下的人才培养需要，具体的措施包括：基于CDIO 理念提出课程体系建设思路，实现计算机基础课程体系整合建设，大力开发网络教学平台和个性化考试系统。

（一）基于CDIO 理念的课程体系建设思路

CDIO 理念的提出，已经有10 多年的时间，并且在实践类较强的课程中表现出更好的教学效果。大学计算机基础课程，本身就是实践性较强的课程。与此同时，计算机类的大多数课程都特别注重实践动手能力的培养。这与计算机专业课程有关，硬件和软件知识的熟练掌握和应用，离不开有序、合理的实践锻炼。因此，本文认为计算机课程的体系建设，可以充分借鉴CDIO 理念，将大学所能接触到的计算机课程进行整体规划，在细致构思的基础上进行实践案例设计，进而引领学生在实践中完成动手能力的培养，进而夯实理论知识的基础。

（二）实现大学计算机基础课程体系整合建设

在CDIO 课程体系建设的总体思路下，还要充分考虑课程体系的具体整合措施。大学计算机基础作为计算机专业和公共专业的重要基础课，前导作用价值十分明显。尤其是大学计算机基础的知识，可以成为多门后续计算机课程的引启知识。因此，笔者建议将各门计算机课程都进行更为细致的分解，并从整体上进行课时的统筹分配。从操作上看，打破各门课程的内容限制，进行课程间的灵活配置组合，这样更利于知识的顺接。

（三）大力开发网络教学平台和个性化考试系统

作为新工科背景下的课程教学，必须充分依托各种新技术。互联网技术是当前非常重要的技术，并由此开发而出的教学平台，可以提供更加丰富的元素、更加多样的教学方法，也更容易激发学生的学习兴趣。同时，从人性化的教学理念出发，应该充分尊重学生的个性发展。这里很重要的一点，就是需要打破常规的统一考试模式。针对不同的学生，根据他们的起点差异、兴趣差异、专业特长差异，设置个性化的考试系统，以个性化考试推动学生的个性化培养。