面向創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與實(shí)踐研究

賈萍　柳欣

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)；計(jì)算思維；創(chuàng)新實(shí)踐能力；數(shù)據(jù)分析；Python語(yǔ)言

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）21-0131-04

0 引言

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)是我國(guó)高等院校各專(zhuān)業(yè)必修的公共基礎(chǔ)課程，其主要目標(biāo)是提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)素養(yǎng)和信息化軟件的運(yùn)用水平。長(zhǎng)期以來(lái)，該課程的教學(xué)內(nèi)容以Windows操作系統(tǒng)、Access數(shù)據(jù)庫(kù)和Office系列辦公自動(dòng)化軟件為主。當(dāng)前，以云計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)為代表的信息技術(shù)正在各應(yīng)用領(lǐng)域改變著人類(lèi)的思維方式。計(jì)算思維是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的概念解決問(wèn)題和理解人類(lèi)行為的科學(xué)方法[1]，它已經(jīng)逐漸成為各專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須具備的素質(zhì)和能力。2010年之后，我國(guó)高校的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)型，即在課程教學(xué)中增加有關(guān)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，實(shí)現(xiàn)從“以知識(shí)為導(dǎo)向”向“以能力為導(dǎo)向”的躍升，能在今后運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題[2]。

1 課程改革原因及現(xiàn)狀分析

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程面向的專(zhuān)業(yè)非常廣泛，同時(shí)這些專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)差異較大。筆者所在學(xué)校是一所以文科為主的應(yīng)用型本科高校，在當(dāng)前的人工智能和大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，教師在課程知識(shí)體系、課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)方面面臨著諸多挑戰(zhàn)，迫切需要開(kāi)展有針對(duì)性的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。在改革之前，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程存在以下問(wèn)題：（1） 學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊。普遍對(duì)編程有畏難心理，這種情況給教師開(kāi)展課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。（2） 課程教學(xué)重語(yǔ)法輕應(yīng)用。教師過(guò)分強(qiáng)調(diào)語(yǔ)句格式和語(yǔ)法規(guī)則，忽視了對(duì)計(jì)算思維和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。（3） 教學(xué)模式單一。在“課堂講授理論+上機(jī)操作+課后練習(xí)”的傳統(tǒng)教學(xué)方式下，學(xué)生無(wú)法成為教學(xué)活動(dòng)的主體。（4） 不同專(zhuān)業(yè)的教學(xué)內(nèi)容缺乏差異性。教師未能有效地開(kāi)展差異化教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。（5） 考核方式單一。采用的考核方式未能體現(xiàn)課程“重應(yīng)用”的特點(diǎn)，無(wú)法對(duì)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。

2 教學(xué)改革總體思路

2.1 教學(xué)內(nèi)容改革

課程改革前，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程側(cè)重講授Access數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是典型的桌面型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，并不適用于對(duì)大型數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，該內(nèi)容已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)人工智能、大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息化發(fā)展現(xiàn)狀。2016年，教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)倡導(dǎo)推進(jìn)面向計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)改革，并將Python語(yǔ)言列入備選的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言[3]。Python是一門(mén)功能強(qiáng)大、易于入門(mén)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它有助于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，為他們今后通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、分析和處理以及學(xué)習(xí)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)奠定基礎(chǔ)[4]。因此，筆者所在學(xué)校從2019年起將該語(yǔ)言作為所有非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容。

2.2 課程改革實(shí)施路徑

針對(duì)上述問(wèn)題，在充分調(diào)研各專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)基礎(chǔ)上，筆者從以下方面進(jìn)行改革：（1） 精煉語(yǔ)法部分，補(bǔ)充有關(guān)第三方庫(kù)資源使用的教學(xué)內(nèi)容。（2） 強(qiáng)化計(jì)算思維訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及創(chuàng)新能力。（3） 綜合運(yùn)用多種教學(xué)方法并且改革課程考核方式，實(shí)現(xiàn)從以“教師為中心”向以“學(xué)生為中心”的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，其具體表現(xiàn)是能通過(guò)Python語(yǔ)言編程和互聯(lián)網(wǎng)獲取有效數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

3 課程體系設(shè)計(jì)

3.1 課程目標(biāo)制定

改革后的課程目標(biāo)以培養(yǎng)學(xué)生的編程實(shí)踐能力為出發(fā)點(diǎn)，以Python語(yǔ)言語(yǔ)法、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析可視化為主要教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生初步具備利用Python語(yǔ)言解決本專(zhuān)業(yè)實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力，初步形成計(jì)算思維，為后續(xù)的專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

3.2 課程教學(xué)設(shè)計(jì)

1） 教學(xué)內(nèi)容劃分

根據(jù)課程目標(biāo)，筆者從數(shù)據(jù)分析的角度將課程內(nèi)容劃分為以下模塊，即基本語(yǔ)法模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)分析與可視化模塊?；菊Z(yǔ)法模塊主要介紹基礎(chǔ)語(yǔ)法和基本程序結(jié)構(gòu)等方面的知識(shí)；數(shù)據(jù)獲取模塊介紹Requests爬蟲(chóng)框架及頁(yè)面解析技術(shù)；數(shù)據(jù)處理模塊介紹Numpy 矩陣運(yùn)算、經(jīng)典分類(lèi)以及聚類(lèi)算法；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊介紹數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)；數(shù)據(jù)可視化模塊介紹基于Numpy、Pandas等庫(kù)的圖形繪制。上述模塊可進(jìn)一步劃分為基礎(chǔ)知識(shí)、能力培養(yǎng)和實(shí)際應(yīng)用三個(gè)層次（如圖1所示）。其中，基礎(chǔ)知識(shí)層次可以滿足各專(zhuān)業(yè)學(xué)生的普遍需求。能力培養(yǎng)層次包括基本算法和高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，要求學(xué)生對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行整體的抽象化和數(shù)字化，最終以編程問(wèn)題的形式進(jìn)行思考和討論，提升抽象類(lèi)比的計(jì)算思維能力。實(shí)際應(yīng)用層次要求教師設(shè)計(jì)符合各專(zhuān)業(yè)需求的專(zhuān)題應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)專(zhuān)業(yè)背景完成綜合性的程序設(shè)計(jì)任務(wù)。課程各模塊的具體內(nèi)容以及學(xué)時(shí)安排如表1所示。

2） 教學(xué)方法運(yùn)用

為了實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)改革目標(biāo)，筆者在課堂教學(xué)中融入以下的教學(xué)方法：

① 項(xiàng)目教學(xué)法

項(xiàng)目教學(xué)法是一種以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)的教學(xué)方法，要求教師事先選取實(shí)際項(xiàng)目，并對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行分解。在教學(xué)過(guò)程中，教師先向?qū)W生進(jìn)行示范，然后組織學(xué)生以小組為單位對(duì)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行討論，并以協(xié)作方式達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。此種教學(xué)方法促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行探究，有助于提升學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和協(xié)作精神[5]。例如，在講授變量、流程控制、函數(shù)、模塊之后，筆者設(shè)計(jì)了名片系統(tǒng)管理項(xiàng)目（具體內(nèi)容如表2所示）。該項(xiàng)目的教學(xué)難點(diǎn)是如何使學(xué)生理解順序結(jié)構(gòu)的概念和重要性。為此，筆者在準(zhǔn)備教案和開(kāi)發(fā)名片管理系統(tǒng)案例時(shí)注重展現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。在教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)順序結(jié)構(gòu)“一步一步”執(zhí)行的特點(diǎn)。學(xué)生通過(guò)完成該項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，可以加深對(duì)程序順序執(zhí)行過(guò)程的理解。

② 案例教學(xué)法

案例教學(xué)法是一種“自下而上”的教學(xué)方法，它要求教師通過(guò)選取教學(xué)案例創(chuàng)建知識(shí)運(yùn)用的具體情境，引導(dǎo)學(xué)生圍繞情境中的問(wèn)題展開(kāi)討論，最終提煉出知識(shí)結(jié)論。在選取案例時(shí)，需要注重以下特征，即真實(shí)性、典型性、情境性、問(wèn)題性和理論性[6]。在教學(xué)過(guò)程中，筆者引入了許多貼近現(xiàn)實(shí)生活且兼具趣味性的案例。以政府工作報(bào)告詞云制作為例，該案例要求學(xué)生突出顯示政府工作報(bào)告中出現(xiàn)頻率較高的關(guān)鍵詞，形成“關(guān)鍵詞云層”，從而幫助瀏覽者輕松領(lǐng)略文本主旨。該案例融入了文件讀取、分詞整理、設(shè)置輸出詞云、觀察結(jié)果、優(yōu)化迭代等技術(shù)，對(duì)政府工作報(bào)告進(jìn)行可視化展示。筆者在教學(xué)過(guò)程中融入了思政元素，使授課內(nèi)容豐富有趣，顯著改善了教學(xué)效果。

③ 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)是指教師將待講授的概念、原理、技術(shù)以學(xué)習(xí)任務(wù)的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。在教學(xué)過(guò)程中，教師通過(guò)任務(wù)向?qū)W生明確教學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)生根據(jù)任務(wù)指示參與教學(xué)活動(dòng)，以循序漸進(jìn)的方式完成多個(gè)任務(wù)，并且在參與過(guò)程中獲得知識(shí)[7]。該方法通過(guò)完成任務(wù)激發(fā)和維持學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)機(jī)，真正地實(shí)現(xiàn)了以學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)為中心[8]。比如，在講授循環(huán)語(yǔ)句部分時(shí)，筆者設(shè)計(jì)一個(gè)猜數(shù)字游戲的情景，并通過(guò)以下的問(wèn)題設(shè)計(jì)開(kāi)展問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)：（1） 為了讓計(jì)算機(jī)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，可以采用何種方式實(shí)現(xiàn)？（2） 在猜數(shù)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)需要對(duì)數(shù)字的大小進(jìn)行判斷。你認(rèn)為應(yīng)當(dāng)使用何種程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)呢？（3） 當(dāng)玩家猜錯(cuò)數(shù)字之后，系統(tǒng)允許其繼續(xù)進(jìn)行數(shù)字猜測(cè)。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)采用何種程序結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)呢？在上述問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生逐步地完成了整個(gè)任務(wù)的學(xué)習(xí)。

3.3 課程考核與評(píng)價(jià)

為了提高課程考核評(píng)價(jià)方式的多樣性、客觀性以及激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，筆者引入了多元化的課程考核評(píng)價(jià)方法。具體評(píng)價(jià)方法如下：總評(píng)成績(jī)=期末成績(jī)×50%+過(guò)程性考核成績(jī)×50%。其中，期末考試采用閉卷機(jī)考方式。過(guò)程性考核包括平時(shí)表現(xiàn)、課后自主學(xué)習(xí)、隨堂測(cè)試、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和綜合項(xiàng)目報(bào)告5種考核形式，它們?cè)谶^(guò)程性考核成績(jī)中分別占比5%、20%、15%、10%、50%。其中，平時(shí)表現(xiàn)側(cè)重考查學(xué)生課堂表現(xiàn)（如出勤情況，課堂回答問(wèn)題、參與討論的情況）。課后自主學(xué)習(xí)側(cè)重考查學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)的完成情況（如課前預(yù)習(xí)微課、預(yù)習(xí)測(cè)試、課后自測(cè)等）。隨堂測(cè)試側(cè)重考查學(xué)生對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。實(shí)驗(yàn)報(bào)告?zhèn)戎乜疾閷W(xué)生的編程實(shí)踐能力以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)質(zhì)量。綜合項(xiàng)目報(bào)告?zhèn)戎乜疾閷W(xué)生在綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問(wèn)題、團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及思維創(chuàng)新方面的表現(xiàn)。各考核項(xiàng)目的比例分配以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

4 課程改革效果

2019年至2022年期間，筆者共開(kāi)展了4輪教學(xué)改革，全校各專(zhuān)業(yè)期末平均成績(jī)整體上呈逐年上升趨勢(shì)（具體如表4所示）。

此外，筆者在結(jié)課后采用問(wèn)卷星等工具開(kāi)展匿名問(wèn)卷調(diào)查，以期根據(jù)學(xué)生的反饋改進(jìn)課程教學(xué)。在“2022-2023學(xué)年第1學(xué)期”的問(wèn)卷調(diào)查中，筆者面向財(cái)務(wù)管理、審計(jì)學(xué)、會(huì)計(jì)學(xué)等9個(gè)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生發(fā)布調(diào)查問(wèn)卷，有效回收問(wèn)卷439份。針對(duì)問(wèn)題“你對(duì)本學(xué)期的課堂教學(xué)效果作何評(píng)價(jià)？”，67.65%的學(xué)生認(rèn)為“教師在實(shí)驗(yàn)課上布置的項(xiàng)目任務(wù)非常實(shí)用”，71.3%的學(xué)生認(rèn)為“通過(guò)學(xué)習(xí)教師在課堂上介紹的案例，開(kāi)闊了眼界”，71.3%的學(xué)生認(rèn)為“在完成教師布置的任務(wù)的同時(shí)，獲得了學(xué)習(xí)上的成就感”（具體如圖2所示）。針對(duì)問(wèn)題“你認(rèn)為，本學(xué)期的教學(xué)內(nèi)容對(duì)自己今后的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)是否有幫助？”，34.85%的學(xué)生認(rèn)為“幫助很大”，57.4%的學(xué)生認(rèn)為“有所幫助”（具體如圖3所示）。

5 結(jié)論

針對(duì)應(yīng)用型本科高校非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)面臨的困境，筆者開(kāi)展了面向創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程教學(xué)改革，并取得了較好的效果。應(yīng)當(dāng)承認(rèn)的是，該課程的改革還有待進(jìn)一步深入，具體表現(xiàn)在以下方面：①學(xué)生尚缺乏對(duì)編程思想的整體把握且程序調(diào)試技術(shù)有待提高。②部分學(xué)生的實(shí)踐能力仍有欠缺。③在課程結(jié)束后有意愿繼續(xù)深入學(xué)習(xí)編程技術(shù)的學(xué)生比例有待提高。

今后改革目標(biāo)： ①通過(guò)改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高編程能力，促進(jìn)計(jì)算思維的培養(yǎng)。②推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生所在專(zhuān)業(yè)的深度融合，開(kāi)發(fā)面向?qū)I(yè)創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)案例庫(kù)。③引入更為靈活的教學(xué)方法，提高學(xué)生的參與度，釋放他們的學(xué)習(xí)熱情。