ICT人才科学与工程思维能力培养体系研究

关键词：应用型人才培养；计算思维；工程能力

中图分类号：G424 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）18-0153-03

0 引言

在当今信息化时代，信息通信技术（ICT） 的迅猛发展已经深刻改变了全球经济结构和社会生活方式。随着大数据、云计算、物联网、人工智能等技术的不断进步，ICT人才成为推动科技创新和产业升级的关键力量[1]。然而，随着技术的快速发展，对ICT人才的需求也在不断增长，特别是在科学与工程思维能力方面。这些能力不仅包括技术知识和技能，还包括创新思维、问题解决、批判性思考和终身学习能力等综合素质[2-3]。

科学与工程思维能力是ICT人才应对复杂问题、进行有效决策和推动技术进步的核心素质。它们要求个体能够运用科学原理和工程方法，结合实际情境，进行系统分析、设计和优化。在ICT领域，这不仅涉及软件和硬件的开发，还包括对新兴技术的理解和应用，以及在多变环境中的适应和创新。然而，当前的教育体系在培养ICT人才的科学与工程思维能力方面存在一定的局限性。传统的教育模式往往侧重知识的传授和技能的训练，而忽视了创新思维和批判性思考的培养。此外，随着技术的快速迭代，教育内容和方法也需要不断更新，以适应新的技术发展和行业需求。

1 培养学生计算思维过程中的主要问题

1.1 计算思维过于理论和抽象

计算思维并非一个独立存在的学术领域，也不单是一种学科内容。它起源于计算机科学，并且与数学思维和工程思维有着密切的联系。计算思维与数学思维的关联在于，它在解决问题时要求将问题转化为可计算的数学形式。例如，在分析罗马帝国和蒙古帝国的扩张时，需要选用合适的数学模型来量化国家力量[4-5]。在设计大型且复杂的系统时，计算思维强调对效率、可靠性和自动化等因素的考量。计算思维基于计算过程的能力与局限，可以由人类或机器执行。在计算思维中，抽象的概念不受物理时空的限制，与数学和物理科学相比，它涉及的抽象层次更加多样且复杂。这种从传授知识向培养思维能力的转变，对教师和学生都提出了重大的挑战。

计算思维是一种基于计算机科学原理和方法的思考方式，强调通过抽象、逻辑推理和算法设计解决问题。它不仅仅是编程或使用计算机的技能，更是一种全面的思维方式。抽象是计算思维的核心，首先是问题抽象，要求从实际问题中识别出关键的因素，将其抽象为问题的重要组成部分并简化为更易处理的形式，集中关注核心问题。其次是算法抽象，要建立数学或逻辑模型，将问题用数学或逻辑语言进行建模，以便进行形式化处理。第三是逻辑抽象，要求通过抽象逻辑关系，进行合理推断和演绎，帮助解决问题。根据问题的特性，抽象出逻辑条件，以进行不同情况的处理，将问题中的陈述抽象为逻辑命题，以便进行逻辑分析。

1.2 计算机课程教学内容停留在“狭义工具论”的层面

限于“基础-学时-内容”的矛盾，计算机课程停留在汇集计算机各门课程前言、绪论知识的层面，仍没有形成有特色的自成体系的大学计算机课程教学内容，不能满足新形势下的大学计算机专业课程面向的计算思维通识教育教学改革的需要。其中包括：

1） 课程内容更新滞后。计算机科学是一个快速发展的领域，新的技术和工具不断涌现。然而，教材和课程内容的更新往往跟不上这种发展速度，导致学生学习的内容可能已经过时，未能跟上最新的技术和行业趋势[6]。

2） 理论与实践脱节。一些计算机课程过于侧重理论，缺乏足够的实践环节。学生可能在理论上掌握得很好，但在实际应用中却难以将知识转化为技能。

3） 缺乏跨学科整合。计算机技术在各个领域都有广泛应用，但计算机课程往往缺乏与其他学科的整合，如生物学、物理学、经济学等，这限制了学生将计算机技术应用于解决实际问题的能力[7]。

4） 学生背景差异大。学生的计算机基础知识和技能水平差异很大，这给教学带来了挑战。教师需要设计不同层次的教学内容，以满足不同学生的需求。

5） 学生学习动机不足。由于计算机课程的难度和抽象性，一些学生可能缺乏学习动机。教师需要采用更具吸引力的教学方法，激发学生的学习兴趣。

6） 课程与行业需求不匹配。计算机课程的内容可能与行业实际需求存在差距，导致学生毕业后难以适应工作环境。

2 人才科学与工程思维能力培养体系探索

对于应用型本科人才的培养，计算思维的定位显得过于理论和抽象，想要达到理想的效果比较困难。因此，将计算思维的思想加以拆分，分为“科学思维”和“工程思维”，用循序渐进的方式达到对学生思维的培养[8-9]。

科学思维从内容上看，是以探索和发现事物本质与规律、建构科学的知识体系为核心的认知性思维。从性质上看，科学思维又是真理导向的发现性思维、反映性思维，以求真为目的。工程思维则是价值导向的建构性（造物）思维，以求效（效益、效率、效力）为目的。

对于更加注重应用型人才培养的高校，在计算思维思想的指导下，将计算思维的实践分解成科学思维与工程思维“两步走”的形式，更加贴合应用型人才的培养节奏。

2.1 重构基于科学与工程思维、责任担当素质培养的知识能力体系

根据企业对人才的需求，从知识（Knowledge） 、技能（Skill） 和素质（Quality） 等多个维度对学生进行评估，并将科学思维（Scientific Thinking， Ts） 、工程思维（Engineering Thinking， Te） 和责任担当素质（Responsi⁃bility Quality， Qr） 嵌入其中，建立学生综合竞争力模型（Competence） 。

科学思维包含理论逻辑，强调理论的统一性、严密性与自洽性。科学思维是一个不断假设→实验→验证→再假设，逐步接近真理的知识探索过程，这使得科学思维方法具有抽象性和逻辑性，主要阐明“是什么”和“为什么”的问题。对应到人才培养上，首先通过课程体系的建设，让学生学习理论知识，学会将知识点贯穿起来解决问题，以此来培养学生的科学思维。

通过线性回归模型构建学生综合竞争力模型C，Ts，K，Te，S，Qr，其中C为综合竞争力（Competence） ，K 表示知识（Knowledge） ，对应学生学习到的零散知识，S 表示技能（Skill） ，对应学生学习到的零散技能，Ts表示科学思维（Scientific Thinking） ，对零散知识点K进行贯通，阐明“是什么”和“为什么”，Te表示工程思维（Engi⁃neering Thinking） ，对零散技能S进行贯通，进行工程实践“应该如何做”。Qr表示素质（Quality） ，对应学生的责任担当意识。

通过调研，将教学课程阶段分为基础类课程、专业类课程和项目实战类课程。基础类课程（例如计算机组成原理、数据结构、通信原理等）偏重培养科学思维；专业类课程（例如Java Web、数据库等）偏重工程思维的训练；项目实战类课程（如软件工程）在工程思维训练的基础上着重培养责任担当的素质。图1为基于科学和工程思维的人才培养系统架构图。

2.2 以“会思考”为导向，构建“MOOC+传统课堂+翻转课堂+项目案例实战”混合式教学模式与方法

为培养学生的科学与工程思维，深刻理解教学目标和要求，我们开展了一系列文献学习活动，走访同类院校，汲取其先进经验和人才培养方案。根据这些调研成果，制定了每门专业课程的教学内容和初步教学设计，并结合专家、企业技术部门负责人和学者的专业指导意见，进行评审后应用于实践教学中。通过观察法记录学生的学习效果，并进行及时反思和优化，最终形成完善且具有课程特色的教学形式和方法。

基础知识单元主要通过MOOC平台实现，学生在课前通过平台进行预习和自主学习。教师利用MOOC提供的课程资源、学习计划和习题库，根据学生的学习进度定期提供辅导和答疑服务。对于较为复杂和理论性强的内容，采用传统的面对面教学和翻转课堂模式进行讲解，以确保教学效果。教师会提前设计好课堂教学内容和流程，按照知识与能力的关联性，由易到难逐步深入讲解，特别注重培养学生的科学思维。课程结束后，通过有针对性的练习评估学生的学习成果。

高级技能的培养则通过学生完成一个完整的项目来实现，评价标准侧重项目成果和完成过程。具体而言，通过项目中相关技术的应用完成工程项目，尤其是评估学生的责任担当意识。

2.3 构建以项目为基础的递进式分层分类培养工程思维能力，校企协同开发的教学资源体系

根据不同岗位和学生对工程思维能力实践需求的差异，引入企业双师共同开发企业项目库资源，构建以分层分类培养为主线的工程实践培养体系。图2 展示了基于项目的递进式分层分类培养工程思维架构。

在该架构中，单元项目关注培养学生某一知识点的技能、批判性思维及抽象思维；课程项目在单元项目的基础上提升学生对多个知识点的综合运用能力。综合项目考察学生的文档阅读能力、编码能力、工程意识、团队协作、沟通与表达、自主学习能力和素养，进一步提升学术工程意识、设计能力、行业规范意识、沟通与表达、自主学习及调研探究能力。

学生可以根据自身发展规划，选择适合未来工作的工程能力培养路径，同时培养责任担当意识。课程项目设计与工程实践紧密相关，涵盖从基础到高级的不同层次，以适应不同年级和专业水平的学生。项目反映行业最新趋势和技术挑战，如可持续发展、智能制造、网络安全等。

课程内容应根据学生的认知发展和技能掌握程度进行分层，从基础的工程原理和工具使用，到复杂的系统设计和项目管理。低年级学生可以从简单的设计和分析项目开始，逐步过渡到高年级的综合性、跨学科项目。在实际项目开发中，鼓励学生担任不同角色，如项目经理、设计师、分析师等，以培养团队合作和领导能力。同时，鼓励学生参与国际合作项目，如国际竞赛、海外实习等，以拓宽视野。

2.4 构建以学生为中心的“大小闭环”教育教学管理与评价机制

人才培养的“大闭环”指的是通过入学评测、毕业设计评测、毕业生跟踪调查、培养过程等各个环节的数据积累，形成学生的成长档案。在学生在校期间，通过课程成绩、实验报告、项目参与、实习表现等多方面的数据，持续跟踪学生的学习进度和能力发展。对学生的毕业设计或论文进行严格评审，评估其专业知识应用、创新能力、研究能力和解决问题的能力。毕业后，通过问卷调查、访谈、社交媒体分析等方式，跟踪毕业生的职业发展、工作满意度、继续教育情况等。将上述各环节的数据进行整合，构建每个学生的成长档案。这些数据包括学术成绩、技能发展、职业规划、社会活动参与度等。利用成长档案可以为学生提供个性化的教育建议和职业规划指导，帮助他们实现个人发展目标。

教学的“小闭环”指的是建立辅导员与教师课内协同管理机制，通过监督和反馈，形成“闭环”，实现教学过程的动态实时优化与教学效果评价。辅导员和教师共同参与学生的学习过程管理，包括课程规划、学习进度跟踪、学习困难识别和解决策略制定。辅导员负责学生的日常管理和心理辅导，而教师则专注于教学内容的传授和学术指导。同时，建立一个有效的反馈系统，鼓励学生在课后及时提供对教学内容、教学方法和学习资源的反馈。根据学生的学习反馈和教学效果评估，教师可以调整教学计划，如调整教学进度、改变教学方法、更新教学材料等。辅导员可以协助教师实施个性化教学策略，为不同需求的学生提供额外的支持和资源。教师和辅导员应定期进行交流，分享学生的学习反馈，共同分析学生的学习需求和教学效果。

课程评价应突出科学与工程思维的培养：依循人才培养方案，对接学生学情，结合课程体系和教学设计，培养学生的科学与工程思维，同时优化当前的课程考核方式。丰富课程考核的内容，突破以往只以考试成绩和出勤率为主的评价方式，引入平时学习过程中学生的多种表现，如课程讨论、问题思考、方案设计以及实际落实的表现，从学习过程中引导学生学会思考。

3 结束语

习近平总书记在全国教育大会上的重要讲话中指出，高校要“着重培养创新型、复合型、应用型人才”，把应用型人才的培养提到了突出的地位。为了培养出更符合企业要求的应用型人才，高校在培养人才的过程中应当不断更新培养理念、调整教学内容、改革教学方法，培养学生的科学思维和工程思维，提升学生的综合竞争力。本文提出的以计算思维为导向的课程结构建设，旨在从培养计算思维的角度出发，进行教学形式和教学方法的设计，开展人才培养工程和教学基本建设，提升学生的自主学习能力、工作实践能力和创新能力。