从多角度数据看大学生计算思维能力培养的四维延展
时间：2023-04-17 15:50:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘惠彬， 胡建鹏， 陈 强， 黄 容
（上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620）
21 世纪初，人工智能（Artificial Intelligence，AI）迎来了第三次热潮［1-2］，以深度学习技术为引领的新兴科技，从理论研究走向了实际应用，已经广泛地应用在工业控制、社会生活、医疗健康以及教育教学的方方面面。以人工智能技术为重要分支的现代计算机科学，不仅提升了工业生产效率和产品质量，同时改变了人们的购物、出行方式，人类已经进入高度信息化的时代。掌握计算机领域相关技术的基础知识，既是每一个大学毕业生应该具备的基本素质，也是企事业单位选聘人才的基本要求。在此基础上培养学生的计算思维能力，使其具备利用计算机相关技术解决实际应用问题和创新发展本领域科学研究的能力［3］。因此，高等院校计算机类基础课程的知识体系应该兼顾信息技术基础知识的普及、计算机领域新兴科技的认知、跨学科创新能力的培养三方面的教学目标，目标明确、体系科学、内容丰富的计算机类基础课程是全面推进“四新”人才培养的有力保障［4］。
同时，伴随多媒体技术和网络技术的飞速发展，开放式教育资源（open educational resources，OER）在过去几十年蓬勃发展［5-6］，超越了时空的限制。大型开放式在线课程（massive open online course，MOOC）是目前最流行的一种线上授课方式［7-8］，每个学期都有数以千万计的学生从开放平台上受益。在“中国大学MOOC”上，最受欢迎的课程是来自北京理工大学的“Python语言程序设计”，从2015 年9 月至2021 年6月共开设14 期，累计在线学习者超过353 万，从2015年9 月28 日开设第一期课程开始，“Python 语言程序设计”课程的参与人数总体呈现上升趋势，尤其在2020 年2 月18 日至2020 年5 月12 日开设的第11期，也就是新冠疫情防控阶段，参与人数超过了75 万人，较前一期参加人数增长比例逾80%，这充分说明线上课程在非常时期发挥了重要作用，是各高校实施“停课不停学”这一方针的根本保障。
由大学计算机课程教指委编写的《大学计算机基础课程教学基本要求》［9］一书中，明确指出大学计算机基础教学的5 个发展趋势：“课程定位将在通识教育的框架下进一步明确；
教学内容将围绕计算思维能力培养目标进行重组；
实施方案将结合不同高校的定位呈现多样化形态；
教学手段适应大规模开放在线课程（MOOC）的挑战和机遇；
教学成效评测将在大数据分析的基础上更为精准与科学。”教育部在2018 年发布的《教育信息化2.0》中指出：“因应信息技术特别是智能技术的发展，积极推进‘互联网＋教育’，实现更加开放、更加适合、更加人本、更加平等、更加可持续的教育，推动我国教育信息化整体水平走在世界前列。”［10］在2019 年发布的《中国教育现代化2035》中强调：“因材施教、知行合一，”提出：“到2035 年，要总体实现教育现代化，利用现代技术加快推动人才培养模式的改革，实现规模化教育与个性化培养的有机结合。”时任教育部部长陈宝生在2020 年国际人工智能与教育会议［11］上指出：“人工智能等新技术向我们展示了变革教育的巨大潜能。我们应当加快发展更高质量的教育、更加公平包容的教育、更加适合每个人的教育、更加开放灵活的教育。”
然而，面向非计算机专业的计算机类基础课程，通常都是以多个行政班级合班的形式进行大班上课，另外刚刚进入大学校园的新生，有明显的地域差异，来自不同区域的生源其计算机操作能力有很大不同［12］，有的学生在小学阶段开始接触基本的计算机操作，在中学阶段学习过可视化程序设计语言，而有的同学连基本的键盘指法都未能掌握，甚至有人从未实际操作过计算机［13］。由于师资力量和实验设备等教学条件的限制，很难实现分级分层小班化计算机基础教学，特别是在计算机类基础课程学时非常有限的情况下，如何建立大学计算机基础课程与中小学信息教育教学［14］的有效衔接，如何保证高等院校大学生计算思维能力的培养［15］，如何实现本科四年计算机领域知识学习的不断线以及与不同专业领域技术的结合应用［16］，如何根据学生的个性特征实施有层级的因材施教［17］，如何突破面授课堂在物理空间上的限制实现高效学习［18-19］，是相关教师在建设大学计算机基础课程时必须思考和努力解决的关键问题。
为了提高计算机基础课程的教学效果，培养具有计算思维素养的各类专业人才，从本科新生的基础和期望、准毕业生的需求和反馈以及专业教师和用人单位的要求等多个角度，就计算机基础课程的内容、目标、学生应具备的计算思维能力等多个问题进行了调研，立足于学生实际、专业特色和社会需求，有效衔接基础教育、高等教育和职场就业，打造人才培养的闭环机制。
1.1 本科新生的基础和期望
基于“以学生为中心”的教学理念［20-22］，面向非电专业新生发放652 份调查问卷，就计算机的功能性、已具备的计算机操作技能、各领域知识的难易度、对新一代信息技术的兴趣点以及各种线上线下授课形式的接受度等方面内容展开调研，既摸清了新生计算机应用能力的状况，又明确了后续课程开展的教学定位。80%以上的学生在小学已经接触过计算机，但是排名前三的计算机应用是看视频、查资料和玩游戏。同时调研结果表明学生普遍认为在计算机类基础课程中，C语言、Python、VB.NET等程序设计课程难度最高，学生可以选择多项，如图1 所示。
图1 各类计算机基础知识的难易程度
表1 显示在授课形式的6 个选项中，倾向传统课堂授课加上机实践模式的学生占比最多，达到32.36%，接受启发式教学、线上线下授课等多种教学模式融合的学生占比第二多，达到23.01%。40%以上的学生期望根据自身的能力水平得到个性化教学指导。授课形式和个性化教学两个问题都是单项选择。
表1 授课形式和个性化教学
如图2 所示，学生最感兴趣的新兴科技排名前五的依次是：人工智能、大数据、物联网、云计算、虚拟现实，学生可以选择其中多个选项。得出这样的结果主要归因于人工智能和大数据技术已经对人类社会的生产生活产生了巨大的影响，而智能手机、平板电脑等便携式终端的普及，使高等院校学生已然成为万物互联生态环境的原住民，虽然这些新兴科技已经作为成熟的技术在日常生活中发挥了作用，但是对于刚刚进入大学校园的一年级新生来说，还未揭开神秘的面纱，系统化地介绍这些新兴科技，有益于学生更好地利用这些技术促进自身研究能力的发展和专业知识的创新。
图2 感兴趣的新兴科技
1.2 准毕业生的需求和反馈
在面向非电专业四年级学生发放的152 份调查问卷中，当被问及“哪些计算机技能在毕业设计上能提供帮助”时，80%以上的学生都选择了Office 办公软件，这主要是因为毕业论文的排版和研究成果的展示以及数据表格的呈现都是利用办公软件来完成的，具体数据如图3 所示。
图3 对毕业设计有帮助的计算机技术
虽然调研对象来自材料、化工、机械、管理等非电专业，但是仍有12.5%的同学倾向于从事计算机／互联网／通信／电子产业，是除考研之外的第一选择，可见同学们对计算机技术相关产业持有浓厚的兴趣，另外在第一学年下学期，学校允许成绩优秀者提出转专业的申请，有少数同学已经转到“计算机科学与技术”专业或“数据科学与大数据技术”专业，足以说明近年来人工智能热度带来的专业选择和就职就业导向。全部152 名同学的就业倾向如图4 所示，每个同学只能选择一个选项。
图4 毕业后期望的去向
1.3 专业教师和用人单位的要求
组织所在学校其他学院的专业教师召开座谈会，包括车辆工程、轨道交通、航空运输物流管理、制药工程和数字媒体艺术等专业的任课教师，从专业教师的角度提出对本专业学生计算机应用能力的要求，他们关心的焦点主要集中在学生是否具备基本的编程能力和掌握本专业相关软件的操作能力。虽然无论是一年级新生还是四年级毕业生都普遍认为Office 办公软件容易掌握，但是指导毕业设计的专业老师认为学生的文档编辑技能和演示文稿制作技能都需要进一步提高，才能顺利高效地完成毕业论文的编排和展示。办公软件的实践教学是包含在第一个学期的计算机应用基础课程中，由于该课程的学时缩减至32 学时，所以并未安排理论教学，而是直接进入到实践教学，只能抽取其中常用的操作技巧进行讲解，而更多的时间留给学生进行实践，很多高级技巧在课内学时根本来不及教授，这就出现了“看似简单，实则不易”的情况。
通过在智联招聘、前程无忧等知名网站上抓取部分企业的招聘数据，包括金融、制造业、艺术设计等接纳大量毕业生的行业，每个类别分别从两个网站各随机抽取5 家公司，来分析各行业对从业人员计算机应用能力的要求。在金融领域的10 条招聘信息中，有8家企业要求应聘者能够熟练操作Office办公软件，有6家要求熟练使用财务软件。在制造业抽取的10 家公司，除多家企业要求应聘者具有良好的办公软件操作能力之外，有5 家企业要求应聘者熟练操作AutoCAD或Solidworks等三维绘图软件。在艺术设计领域发布的美工、平面设计、影视后期、动态视觉设计等10 个岗位中，只有1 家企业要求应聘者为美术、平面设计相关专业，但是全部10 家企业都要求从业人员具有Photoshop、Illustrator、Premiere 等多媒体软件的实操经验。另外上述领域的部分企业还要求员工具有一定的编程能力，如掌握C语言或Matlab，能够设计算法和模拟仿真以提高本领域的生产效率、产品质量或服务品质。而在政府部门、医疗卫生、服务行业的行政人员，不同程度上要具有基本的办公软件、多媒体软件和计算机网络等技术的操作能力，可见各行各业都要求从业人员具备基本的计算机基础知识，并能够将其应用到所在专业领域的实际工作中。
综上所述，无论是一年级新生还是高年级学生都对计算机技术展现了浓厚的学习兴趣，认为对他们的专业学习和未来就业大有裨益，但同时他们认为程序设计等课程有较高的学习难度，另一方面专业教师认为在当前学时有限的情况下，学生利用计算机解决实际问题的能力仍需提高，同时各行各业用人单位也将具备基本的计算机应用能力作为选拔应聘者的准则之一。因此构建学习形式灵活多样、知识结构分层分级，以发展终身学习能力［23］为目标的计算思维培养模式，将同时满足学生、专业和社会三者在计算机应用能力方面的需求。
为了解决前述现实问题和践行相关指导意见，同时综合考量多角度调研数据，面向非计算机专业的大学计算机类基础课程，应该从多维度进行科学合理的教学方案设计。如图5 所示，在教学内容的深度和广度上，构建模块化的知识节点，在完成基础知识学习的基础上，可以选择性的学习高阶知识节点；
通过建设线上教学资源对传统的线下教学模式进行空间上的延展，使学生能够结合自身特点，利用线上资源进行有效的预习和复习；
鼓励学生参与创新实验、计算机等级考试和竞赛等作为计算机类基础课程的补充和延续，保障计算思维能力培养在时间上的连续性，不断地达到规模化教育和个性化培养的平衡。
图5 计算思维能力培养四维模型
2.1 模块化知识节点实现灵活的教学深度延展
（1）计算机应用基础。在32 学时的公共基础必修课计算机应用基础课程中，将各类知识节点分成理论讲解和实践教学两部分，对于计算机简史、网络基础、多媒体信息的数字化等内容侧重理论讲解，操作系统、办公软件、多媒体软件的具体应用直接进入实践环节，实践教材中的实验范例部分给出了所有题目要求的具体操作步骤，即使没有相关软件的操作经验，按照指导也可以完成，而对于有一定计算机操作经验的同学，可以在完成范例内容后，进入实验环节，参照样张和要求完成具体题目。整个实验过程中，任课教师首先对实验环境进行说明，并强调每次实验的难点，然后一对一答疑，再总结答疑过程中遇到的共性问题，进行全班广播教学。
（2）程序设计基础课程。两门48 学时的程序设计类公共基础必修课C 语言程序设计和VB.NET 程序设计，每次理论讲解课后，都配有一次动手实践课，并在进入函数和数组学习之前进行一次综合实验，既是对前半段所学知识的复习，也能够摸清学生的掌握情况，在后续教学过程中适当回溯相应知识点。
（3）创新实验课程。学生可以从第二学期组成团队，申请创新实验项目，通常以3 人为一组，结合自身需求申请不同专业领域教师开设的创新实验题目，其中与计算机领域相关的题目有：计算机网络设计、影音作品后期制作、GIS信息交互系统、机器人运动监控系统等，此类实验多与教师的研究方向紧密结合，同时给予学生充分的自主创新空间。以影音作品后期制作为例，要求学生在实验过程中，利用Premiere以自己的专业特长或兴趣爱好为主题制作时长超过10 min 的影音作品，作品中必须包括配音、字幕、特效等内容，要求主题明确、情节连贯、内容完整，可根据需要利用Audition、Photoshop等软件对素材进行前期处理。同时结合自己的专业特色，有效地结合自己所学，恰当地融入最终的作品里面，为作品增色添彩。通过完成创新实验项目，学生的动手实践能力得到充分的锻炼，同时他们的团队合作能力也得到了很好的发展。
2.2 融入新兴科技和专业案例确保课程的广度延展
结合教改调研数据分析结果，在计算机应用基础课程中加入互联网＋、物联网、云计算、区块链、人工智能等新兴科技的介绍，并且面向不同专业设计案例，介绍新兴科技在不同领域发挥的作用，如向车辆工程专业的学生介绍百度自动驾驶技术，向艺术设计学生介绍对抗生成神经网络模型。图6 给出了自动驾驶技术的部分课件。
图6 自动驾驶技术介绍
在必修程序设计课程中，自编的理论教材和实践教材也涵盖了48 学时之外的高级程序设计技巧，包括：C语言的指针、结构体、文件、VB.NET的图形处理以及面向各专业的相关案例，并且在MOOC 资源中上传了配套的讲解视频。MOOC资源与面授课程同步开放，高级程序设计的知识点由学生课后自学完成。
2.3 丰富线上教学资源突破传统面授课程的空间限制
（1）MOOC资源。包括两门公共基础必修课和一门公共选修课在内的3 门程序设计课程：C 语言程序设计、VB.NET程序设计和Python程序设计，都搭建了线上MOOC资源，在两门必修课线下课程开始的同时，开放线上资源，包括授课视频、讲义、题库和常见问题解答等内容，对于学习进展缓慢的同学，可以利用授课视频做好课前预习和课后复习，对于基础好、进度快的同学可以利用线上资源拓展48 学时之外的高级程序设计知识，并利用题库测试自身的掌握程度，有的放矢地改进学习节奏。Python程序设计是一门面向全校各专业学生开放的线上线下混合教学的选修课，学生可以随时随地利用各种终端设备进行授课视频的学习，然后在3 次面授课中汇报自己的学习成果，并在任课教师的帮助下解决线上学习中遇到的问题。
（2）群课堂直播。在疫情管控阶段发挥重要作用的群课堂直播功能，同样能够在后疫情时代为那些不能到校参加面授课程的学生提供学习帮助，甚至可以作为一种长期的授课方式保留下来。例如作者在2020 ～2021 学年第二学期开设的C 语言程序设计课程中，有部分学生因疫情在家隔离，所以在面授课程的同时开启群课堂直播功能，使线上线下的学生能够获得相近的学习体验，后来发现有些因事因病请假的学生也参与到了群课堂直播中来，另外群课堂的回放功能也为学生提供了复习的渠道。
（3）线上答疑。线上答疑主要在超星学习通和腾讯QQ软件上完成，两个平台都有支持智能手机的版本，使学生可以随时随地向教师发问，特别有些在课堂上羞于发问的同学，反而会在线上平台进行提问，当他们得到教师的反馈后，会进一步激发他们的学习热情，尤其对于程序设计这一类难度较高的课程，线上答疑有效地提高了学生的学习效果。
（4）在线实验平台。目前针对C 语言程序设计这门难度较高、受众广泛的课程，搭建了在线实验平台，该平台具有发布公告、布置题目、执行代码和生成报告的功能，每次实验从题库中选取涵盖各种难度的若干题目，并且可以设置提交的截止时间。题库中针对每类知识点添加了难、中、易3 种程度的题目，总量达124 道（含范例），为不同学习进度的学生提供了充足的训练储备。表2 给出了各类知识点题目的难易度分布。
表2 题目难易度分布
图7 所示给出了2020 年上半年，疫情防控阶段C语言程序设计线上授课阶段，“C 语言在线实验系统”统计的学生实验数据，学生成功提交实验的比例逐渐上升，最后达到99%。同时可见，虽然实验的难度随着教学进度逐渐增强，但是语法错误数和实验平均耗时未升反降，反映了学生在学习过程中，通过大量的编程实践不断提高自己的编程能力，达到掌握程序设计基础知识的学习目的。
图7 “C语言在线实验系统”统计数据
2.4 自主选修、以考促学、以赛促练保证计算机知识学习的时间连续性
在公共选修课部分，开设了办公软件、多媒体设计以及其他与专业紧密结合的计算机技术相关的课程，允许学生根据专业特色和自身兴趣自由选择，通常是32学时，2 个学分，注重培养学生的动手实践能力，以及应用计算机技术解决专业领域问题的能力。
在完成计算机类必修课、公共选修课和创新实验项目的基础上，鼓励学生参加计算机等级考试和计算机类的竞技比赛，以考促学、以赛促练，保证计算机思维能力培养在时间上的连续性，实现四年本科计算机知识学习不断线，学生不仅能收获证书和奖状，更能品味努力付出后收获胜利的喜悦，这为今后步入工作岗位，努力拼搏实现自我价值提供资本和动力。
通过教学内容在深度、广度、空间和时间四个维度上的延展，实现大学生计算思维能力的培养，在保证大规模计算机通识教育的前提下，一定程度上实现了学生个性化培养的教学目标，使得高等院校毕业生具备一定的利用计算机技术解决实际应用问题和创新发展所属专业科学研究的能力。
在高度信息化时代，高等院校面向非计算机专业的计算机类基础课程，担负着普及信息技术知识和培养计算思维素养的教育使命［24］，毕业生利用计算机技术解决实际问题的能力是衡量计算机基础课程教学效果的客观标尺。基于学生实际、专业特色和社会需求三方面的调研数据出发，构建适合人工智能时代的计算思维能力培养四维模型，从深度、广度、空间和时间四个维度上延展计算机基础知识的学习和实践，可以在同类院校中进行推广，根据各校的实际进行知识模块重组，使计算思维能力培养四维模型本校化，因地制宜，因校施策。这种教育模式同样可以被其他基础学科所借鉴，大力推进“四新”人才的培养。
在四维教育模型实施过程中，要持续调研跟踪：①要跟踪新生3 年后的学习反馈，是否实现了作为新生时提出的期望，是否具备专业教师和用人单位认可的计算机应用能力；
②要与时俱进，每隔4 ～6 年重新进行一次全方位的调研，关注基础教育阶段学生计算机课程学习的改革和变化，大学计算机基础课程随之联动，降低基础教育与高等教育在计算机教学中的重合率。③要建立科学规范的评估体系，如利用人工智能技术在姿态检测和表情识别方面的应用，对线上线下学习者进行监督评价，客观地反馈学生的学习状态，找出学生在学习过程中的表现与最终取得的学习成果之间的内在关联，分析不同教学情境中学生的学习效果，总结授课形式、教学内容、学习环境等外在因素影响学生内在动力的客观规律，扬长避短，不断提高计算机基础课程的教学成效。
