面向新工科建设的大学生信息技术能力培养体系构建研究*

周 平 刘志斌 叶文珺 李永斌 毕忠勤

(上海电力大学计算机科学与技术学院,上海 200090)

0 引言

1997年,教育部印发《加强工科非计算机专业计算机基础教学工作的几点意见》,进一步明确了高等教育中计算机通识类课程教学的重要性,在规范和推进高校计算机基础教学工作方面起到了重要作用。二十多年的教学实践验证了计算机通识课程已经成为非计算机专业高等教育不可或缺的组成部分,对于培养非计算机专业学生的计算机认知和解决复杂系统问题能力发挥了非常关键的作用。近些年来,大数据、云计算、人工智能、区块链等新兴技术在各行各业得到了广泛应用,促使以技术创新为引擎的产业和社会变革迅猛袭来。为主动应对新一轮科技革命和产业变革,以及响应一系列国家战略,教育部自2017年2月起积极推进新工科建设,已形成“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”,并陆续发布了开展新工科建设的相关文件,要求各高校在推进“新工科”建设方面做出努力[1-2]。新工科的出现强调了面向全体学生开设计算机课程的必要性,提高了计算机课程教学目标的思想深度和实践性,加强了对计算机应用的理解,使理论与实践的结合更加紧密,同时,也加强了跨学科创新能力的培养。

本文通过对新工科人才信息能力要求进行深度剖析,构建面向新工科人才3个方面能力需求的信息技术能力培养体系,对新工科专业人才的学科交叉型、复合型能力培养提供了较好的支撑,为适应工业4.0发展的人才需求奠定基础。

1 新工科背景下计算机课程教学面临的瓶颈

一是课时压缩与素质增长需求的矛盾。目前,随着各学科的快速发展,学生要掌握的知识内容越来越多,导致很多传统工科专业在一定程度上压缩计算机课程的课时。而与此同时,信息技术快速发展,计算机课程除了原来的知识外,还补充了人工智能、大数据等新兴技术方面的内容,造成课时紧张,教学效果欠佳等情况。

二是专业差异与统一授课的矛盾。大多数高校非计算机专业教授计算机基础课程采用统一授课的方式,未充分考虑不同专业对计算机技术知识点的要求,造成学生学习兴趣不高,学习效果不佳。

三是学生差异与步调一致的矛盾。由于地域差异等原因,大学新生的计算机水平常常存在一定的差异。然而目前,授课过程中的“一刀切”式教学方法常常造成基础较好的学生“吃不饱”,基础较差的学生“消化不了”的现象,无法满足不同层次学生多样化的学习需求。

四是新工科高要求与课程体系的矛盾。新工科的一个重要方向就是将信息技术融合到其他工科学科中,实现传统工科专业的内涵升级转型。传统的“计算机基础+程序设计基础”的课程体系已经无法达到新工科人才对信息技术方面的能力需求。

综上,新工科在强化了计算机课程在人才培养过程中核心地位的同时,也对传统计算机课程体系和教学模式提出了新的挑战[3-4],需要重新构建全新的计算机通识课程体系。同时,在教学方法、培养模式等方面进行有益的探索,以求探索出满足新工科人才需求的计算机通识课程教学改革思路。

2 面向新工科建设的大学生信息能力培养体系

非计算机专业新工科人才的信息能力培养必须以解决领域问题为最终目标,同时,还需要结合计算机学科本身的计算思维能力及专业系统能力。基于此,本文构建了面向3个方面能力培养的信息技术能力培养体系,如图1所示。

图1 面向新工科建设的大学生信息能力培养体系

该体系是一种进化式递进层次,其对应着不同层次的问题求解思维和技术。新工科人才必须具备的能力如下:

①计算思维能力。计算思维是数学和工程思维的互补与融合,培养目标是希望学生具备像计算机科学家一样思考问题的能力,将计算机技术与不同学科的理论、实践相结合,并成功应用到自身专业领域的问题解决中,最终实现理论和技术的创新[5]。

②计算机专业系统能力。计算机专业系统能力是计算机学科学生必须具备的核心的、最基本的专业能力,其要求学生利用计算机系统层面的基本原理来构建以计算机技术为核心的应用系统,从而切实解决实际问题。

③领域问题求解能力。领域问题求解能力是指学生利用计算机技术解决其专业领域问题的能力。这一能力是检验新工科人才培养质量的关键,领域问题求解能力越强,学生的就业竞争力和职业发展潜力就越好。

在计算机专业系统能力培养方面,由于课时压缩等原因,非计算机类专业的学生基本无法完成全部计算机类核心课程的学习。为解决这一问题,本文精心抽取了计算机学科体系中的部分核心课程,通过线上线下教学的方式,最大程度保证非计算机专业学生能在有限的时间内掌握计算机专业系统能力。在教学内容方面,以提升领域问题求解能力为核心,以程序设计基础课程为着力点,把计算思维能力运用到领域问题求解能力中,从而为不同专业学生后续课程的学习提供支持。同时,以学科竞赛、科创训练等方式开展以程序设计及算法分析能力为代表的计算能力训练和评测。针对领域问题求解能力培养,计算机教学团队在教学过程中不仅要完成计算机知识的传授,还要根据学生专业的差异,提供专业领域的问题供学生求解,以培养学生的领域问题求解能力。此外,还可利用案例驱动方式培养学生这方面的能力,组建跨学科教学团队,搭建跨专业联合创新实践平台,使计算思维能力有力支撑不同专业的教学。

3 面向新工科建设的大学生信息能力培养体系教学改革与实践

3.1 面向计算思维能力培养的计算机通识课程改革与实践

计算思维能力的培养主要通过开设计算机通识课程及形式多样的信息技术前沿课程(如人工智能导论、数据科学导论、区块链技术导引等)实现。在教学过程中,通过案例教学法、翻转课堂等方式完成计算思维指南、重点关注问题的计算化表达和对初步问题求解能力的训练。

在计算机通识课程体系中,知识是编程的基础,技能是运用知识设计程序的能力,规范是在程序解决问题时需要遵循的内容思维是与现代信息技术相适应的思考方式和习惯。从这4个方面出发,建立程序设计教学的“知识—技能—规范—思维”四维培养体系,并以学生掌握这4个维度的内容作为教学目标(图2)。从学生学习角度出发,如何让学生对程序设计更有兴趣,学习过程更有获得感和成就感,学习后能自觉用于解决其他领域中的问题;从技术发展角度出发,软件组件、Web服务、云计算、人工智能等新技术的出现更新了软件开发的观念,如何有效复用和共享成为重要的手段,编程也经历从Coding到Programming,再到Construction的变化;从社会需求角度出发,对大部分大学毕业生的要求中,了解编程和会利用编程思维考虑问题比掌握编程更加重要。在四维培养体系的指导下,对C语言中的每个章节除了包含一些语法知识点,还整理了对应的技能要求、编程规范和思维训练等内容。

图2 教学改革思路

为了实现四维培养体系,建设了丰富的线上线下、纸质电子立体式教学资源,根据内容制定有针对性的教学设计,运用问题驱动、案例驱动、重在应用等教学思想,充分利用MOOC、SPOC、翻转课堂等新兴教学技术和手段,给经典的程序设计课程注入新的活力,在教学过程中能吸引学生积极参与,有效地提升学生的编程思维和能力。为了确保教学效果,录制了课程微视频,设计了每一个章节的教案和PPT,选取贴合现代大学生的有趣案例,建立了网上学习系统和题库,实现了常用公共库文件。此外,还在多年实践积累的基础上,联合出版了新形态立体教材《程序设计方法与技术——C语言》,学生可通过二维码实时观看微视频、源代码等教学资源。在考核环节,利用在线学习及考试系统,强化过程化测试,及时督促学生完成日常学习和阶段考试。章节自测、期末考试、考试平台中所有的程序设计都是在真实的编译环境下完成。在线考试系统中涵盖了大量的考试题库资源,由考试系统自动组卷。通过修订考核标准,减少了死记硬背的客观题型,增加了有利于提高能力的主观题,大幅提高了程序设计题的占比,强化了对编程调试和解题方法的考核,在日常学习中加强对学生程序设计能力的培养。

3.2 面向计算机系统专业能力培养的微专业建设与实践

微专业建设是各高校立足于学科综合优势,主动对接新业态、新产业、新技术对人才的能力需求,推进布局未来战略领域人才培养的具体举措,可以提升人才培养的跨学科性、交叉性等方面的能力。微专业能有效弥补目前大学专业划分过细、口径过窄、培养周期过长的问题,可进一步提高专业培养与职业发展匹配度。结合新工科建设3个方面的能力要求,开设了计算机科学与技术微专业,为传统工科专业的学生提供5～6门计算机学科核心课程。第一阶段选取的核心课程如表1所示。

表1 微专业计算机学科核心课程

与此同时,为了培养学生计算机专业系统能力及领域问题求解能力,有限的课堂线下教学时间已经无法满足要求。教学方式上,结合国家精品开放课程、自建在线课程等资源,采用线上线下相结合等方式开展教学。一般情况下,线上理论学习、线下实践辅导是一种比较合适的教学模式,在课程学习过程中,要求学生利用任课老师指定的在线学习平台完成相关理论课程的学习,任课教师则根据学生的学习进度发布实践教学任务,并加以线下辅导,达到巩固理论学习内容和培养问题求解能力的效果。以上海电力大学为例,计算机科学与技术微专业自2020年9月开设以来,全校报名达326人,已有53名同学完成了所有课程的学习,并获得计算机科学与技术专业微专业学位证书。

3.3 面向领域问题求解能力培养的科研项目再开发实践教学探索

新工科强调学科思维融合,计算机专业的教师由于学科特点很难实现学科思维融合,这就要求任课老师在教学过程中使用的教学案例必须与学生所在专业的老师进行充分沟通,挖掘具有专业特色的教学案例。例如,可以联合专业教师对其从事的科研项目进行实践教学再开发,并应用于学生的实践和科创活动指导中,这样可以更好地满足教学需要,达到学科交叉的人才培养目的。最佳的学科交叉不是学科之间的简单串联或叠加,而是课程内容的深度融合,应结合现代电力企业信息化建设的人才需求,将教学意识充分渗透到科研项目中,根据人才培养和教学规律的要求,对科研项目进行分解和教学化再开发。例如,上海电力大学将教师主持的获奖项目“市级供电公司生产管理系统”等4个电力信息系统进行分解和教学化再开发,并将分解后的项目内容渗透到多门主干课中,使教学更加贴近电力信息技术前沿。部分科研项目教学再开发成果如表2所示。

表2 上海电力大学部分科研项目教学再开发成果

4 结束语

本文在对新工科建设的大学生信息能力要求进行分析的基础上,构建了包含计算思维能力、计算机专业系统能力、领域问题求解能力的符合新工科建设的大学生信息能力培养体系,并结合上海电力大学在面向三方面能力培养的计算机通识课程改革、微专业建设及科研项目教学再开发的实践教学探索等方面的经验,详细介绍了新工科建设的大学生信息能力素养培养的相关改革思路和实践成果,以期有效提升新工科人才培养质量。