大数据时代计算机基础教学改革实践与思考

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　　摘 要：计算机基础教学承担着所有非计算机专业本科生的计算机能力培养，其教学效果不仅直接影响到学生的计算机能力，在一定程度上也影响到本科教学质量。在大数据、人工智能等各种新技术不断涌现的时代，计算机基础教学如何适应技术的发展，成为值得深入研究和思考的问题。本文以“大学计算机”课程为切入点，从教学内容、教学模式、管理手段等方面提出了打造出具有高阶性、创新性、挑战度的计算机基础“金课”的若干途径。
　　关键词：计算机基础教学;大数据;金课;两性一度;教学体系;教学模式;主动学习
　　2018年6月，教育部部长陈宝生在“新时代全国高等学校本科教育工作会议”上第一次提出，要淘汰“水课”、打造“金课”，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量[1]。高教司吴岩司长则在第十一届“中国大学教学论坛”上具体阐述了应该打造什么样的“金课”以及如何打造“金课”，并提出了“两性一度”的“金课”标准。
　　计算机基础教学承担着所有非计算机专业本科生的计算机能力培养。在人工智能、大数据等新技术、新产业迅猛发展的当下，计算机基础教学在教学内容、教学模式以及管理手段等方面如何适应技术的发展，打造出具有高阶性、创新性和挑战度的计算机基础“金课”，实现计算思维能力培养目标，是非常值得深入思考和探索的问题。
　　所谓“金课”，当然是指高质量的课程。对计算机基础教学而言，我们的思考是：
　　（1）具有既经典又能反映学科前沿技术，且具有一定挑战度的课程教学体系;
　　（2）具有强烈吸引力，使学生乐于主动学习的线上线下课堂学习环境;
　　（3）基于有效互动交流和大量设计实践环节的探索能力培养模式;
　　（4）个性化的学习过程跟踪管理。
　　一、让课程既具经典性又有挑战度
　　教学与科研在人才培养中有不同的视角，扮演着不同的角色。科学研究要追前沿，要不断探索和发现新理论、发明新技术;但教学却要以基本理论和原理的讲授为主。近年来，随着大数据、人工智能等技术的发展，各学科特别是各新兴交叉学科研究对计算机能力的要求越来越高。在高校学分压缩的大背景下，作为大多数高校非计算机专业学生必修的“大学计算机”课程就扮演着越来越重要的角色[2]。如何使课程教学内容既具备一定的基础性、经典性，又能与新技术有机融合，达到一定的高阶性和挑战度，成为课程教学研究的热点，也是难点。
　　2011年，基于问卷调查、座谈交流和实际教学体会，我们在原有基础上提出了以面向计算思维的问题求解能力为主要培养目标的课程体系改革[3]，并在随后的8年教学实践中，根据不同专业大类学习需求，不断修订和完善“大学计算机”课程教学体系。特别是针对我校特点，深入研究了理工类专业计算机能力培养需求，设计了以“计算、构造、设计”为主题的“大学计算机”课程教学体系，围绕计算机基础知识、软硬件系统构造、算法设计等三大知识主题，培养学生面向计算思维的问题求解能力。其中，基于C语言的算法设计主题占2/3总学时。
　　8年来的教学效果表明，课程教学使学生总体计算机能力有较大提升。以非计算机专业学生为主要成员的参赛队伍2016年和2017年在“中国高校计算机大赛-团体程序设计天梯赛”、2017 ACM/ICPC陕西省暨全国邀请赛中斩获多枚金牌和陕西省冠军奖项。
　　现有课程教学内容虽然通过加入大量程序和算法设计，使学生通过实际编程加深了对计算机原理的理解，并为进一步的专业研究奠定了良好的计算机技术基础，但总体上，这样的课程教学还是更多地拘泥于“能力”，特别是单机处理能力上。对新技术跟踪不足，容易造成“只见树木，不见森林”的情况。
　　如果说2004年开始大面积讲授的“大学计算机”是在“计算机文化基础”之上的第一轮改革，那么2011年起开启的则是课程的第二轮改革。随着网络技术、移动通信、可穿戴智能设备等的发展，一个大规模生产、分享和应用数据的时代正在开启[4]。培养能够适应新技术发展的跨专业复合型人才的需求，开始倒逼计算机基础课程教学的第三轮改革。
　　2018年开始，通过对包括大数据、云计算、人工智能等新技术主要知识点的梳理，结合课程实际教学体会和MOOC在线学习行为分析研究，我们提出了以“构造思维能力、逻辑分析能力、问题求解能力和对新技术的认知能力”为主要培养目标的面向新工科的“大学计算机”课程教学体系，主要包含4个知识主题（如表1所示），其总体设计思路是：
　　以数据为主线，通过数据的表示、存储、处理、分析等环节，将计算机的基本理论和现代技术有机融合在一起。
　　通过自底向上的系统构造过程描述，加强构造思维能力培养;注重软硬件协同原理讲述，使学生加深对系统原理的理解，而不是背书。
　　进一步加强问题求解能力，特别是对现实问题的抽象分析能力培养，为未来编写高质量程序奠定基础。
　　加强对新技术理论的了解并通过初步实战去认知。不再仅进行概述性讲授，而是通過一定的设计实验，帮助学生认知大数据和人工智能的基本算法。并借助一定的应用案例，为学生展示新技术的应用场景。
　　弱化通过简单的网络检索就可以直接获取到的常识性知识和基本操作。现代“00后”本科生已是“互联网原住民”，入校前已对计算机有基本的认知和应用体验。相比10年前，大多已初步具有网络信息检索的意识和能力。对个别基础确实较弱的学生，可以借助大规模在线开放课程（MOOC）资源补充学习。
　　二、让课堂更有吸引力
　　一个人被动地去做任何事都谈不上愉快，不愉快则难有成就。任何成功的研究都包含着一个重要的因素就是兴趣，有了兴趣就会主动去做。将学生的身体引入教室可以通过简单的行政手段，但要将学生的大脑引入课堂并使其对知识的学习产生兴趣，从而培养学生主动学习、勇于探索的精神，却是课堂教学的难点。基于MOOC建设，我们自2014年开始探索线上线下融合的混合教学模式。历经5年教学实践，我们总结出混合教学模式下促进学生主动学习的4个主要方法。 　　（1）有效利用MOOC。将MOOC资源引入校内，开设面向校内学生的SPOC，融合线上资源开展翻转教学。通过发布教学任务单的方式，安排学生利用MOOC视频学习、复习或预习。同时，每周安排在线自测练习，以巩固对所学基本知识的理解。
　　（2）有效利用大班课堂，开展互动交流。多项研究已表明，交流互动可以促进学生对内容的理解，提升课堂学习的关注度。但“互动”必须有效。若只是简单的一问一答，或有问无答，就变成了一种形式而不会有好的效果。陆国栋教授特别提出了互动的5个层面[5]。针对大班教学的特点，我们也探索了一些除随机提问之外的课堂互动交流形式：
　　在50分钟的授课过程中，设置若干次短暂的分组交流（如2～3分钟）。交流小组按相邻座位随机生成，交流结束后随机提问回答。此种形式缓解了学生难以连续50分钟高度集中听讲的问题，同时也给予学生一定的消化吸收和相互交流、认知的机会。
　　根据不同课程特点，适当设置随堂练习。练习中周边学生可以交流讨论（自动形成小组），练习内容可以是关键代码编写、思路描述、问题简答、电路设计等。练习结束后，可以随机提问学生讲述答案及形成的理由。之后教师随堂点评。
　　教师抽取部分常见典型错误随堂展示（但并不说明存在错误），学生相互短暂交流后，自主分析是否存在问题及出错原因。此种方式有助于培养学生的质疑精神。
　　实践证明，学生对大班课堂的互动交流非常认可。
　　（3）有效利用翻转课堂，促进主动学习。大班课堂上的交流互动无论多少种形式，都只能是短暂的，只适合于部分较简单问题的交流。对一些需要做一定研究的主题，则难以在大班课堂上实现。在助教辅助下，我们在教学环节中设置了若干次以小班为单位的分组讨论环节，文献[6]已对此做了详细描述。这种在小组协助研究基础上的交流、辩论，有效促进了学生独立探索、团队协作和主动学习的精神和能力。
　　（4）有效利用信息技术。将信息技术融入教学，主要体现在基于信息技术的智慧教学和学习过程管理。计算机课程是实践性很强的课程，只有通过大量设计实践，才有可能真正理解所学知识，也才能提高实战能力。将各种智慧教学工具用于课堂，可以方便地进行随堂练习和结果统计;利用自主研发的“计算机基础课程学习平台”，可以为学生提供不受限在线编程练习及智能指导;基于在线学习行为分析，按周给出五个等级的个性化学习成绩预警，可帮助学生及早了解其学习状况和最终可能的学习效果，从而起到一定的警示作用。
　　数年来，我们在实践中不断探索、改进线上线下相融合的混合教学模式，教学效果不断提升。表2为2018年度采用统一难度试卷、统一线下考试成绩，以相同专业背景和相同基础学生为样本的成绩对比。其中，参与混合教学的学生未经任何选拔，为完全自然班。数据说明，相比传统课堂，参与混合教学的学生成绩平均提高了19.04%，特别是对能够在一定程度上反映学生能力的主观设计型题目，成绩更是提高了逾1倍。由此说明，混合教学对学生知识理解和能力提升等方面都具有显著效果。
　　三、结束语
　　现代信息技术的发展，使计算机在各学科研究中的重要性愈加凸显的同时，也为计算机基础教学带来了巨大的挑战。已有众多学者针对“大学计算机”课程教学内容改革进行了深入研究[7-8]。作为高校第一门计算机基础课程，“大学计算机”的重要性毋庸置疑。但同样确定的是，计算思维能力培养绝非一门课程学习所能实现，而是需要一个相对完整的课程系列。鉴于目前高校计算机基础课程学时有限和能力需求之间存在一定差距的普遍现状，我们建设并在“中国大学MOOC”平台发布了四层次计算机基础系列在线开放课程群（如图1所示），力图通过融合线上资源，为学生提供体系化的计算机基础课程学习。
　　一流课程建设离不开完善的课程体系设计和有吸引力的课堂教学模式，同样也离不开有效的学习过程管理。模拟教师在侧、实时指导的个性化精准学习服务，是现代高等教育教学管理应有的思路。
　　在系列MOOC群建设基础上，结合新形态系列教材建设和面向校园的应用方案设计[9]、多环节交叉融合的教学模式、有效的学习过程跟踪管理，是打造出线上线下融合的体系化计算机基础系列金课的必要手段，也是真正实现计算思维能力培养的有效途径。
　　参考文献：
　　[1] 教育部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[Z]. 2018.
　　[2] 郝兴伟，徐延宝，王宪华. 我国高校计算机教学情况调研与分析[J]. 中国大学教学，2014（6）：81-86.
　　[3] 吴宁，崔舒宁. 以计算思维能力培养为核心的大学计算机基础课程教学内容改革研究[J]. 计算机教育，2012（7）.
　　[4] Victor Mayer-Sch?nberger，Kenneth Cukier. 大數据时代[M]. 盛杨燕，周涛，译. 杭州：浙江人民出版社，2012.
　　[5] 陆国栋. 治理“水课”，打造“金课”[J]. 中国大学教学，2018（9）：23-25.
　　[6] 吴宁，房琛琛，任燕飞. 大班教学环境下基于SPOC 的混合教学设计与效果分析[J]. 中国大学教学，2016（5）： 38-43.
　　[7] 陈国良，董荣胜. 计算思维与大学计算机基础教育[J]. 中国大学教学，2011（1）： 7-12.
　　[8] 吴宁. 对“大学计算机基础”教学中部分问题的探讨[J]. 中国大学教学，2007（8）：43-45.
　　[9] 吴宁，闫相国，崔舒宁. 计算机基础在线开放课程群及新形态教材建设[J]. 计算机教育，2019（1）.
　　[责任编辑：余大品]
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