融入計(jì)算思維培養(yǎng)的大學(xué)物理實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開發(fā)

摘 要 “101計(jì)劃”是為了推動(dòng)高校人才培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變。我們以“101計(jì)劃”的核心思想為指引，依據(jù)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)方案的要求，將計(jì)算思維的培養(yǎng)融入大學(xué)物理課程的教學(xué)中，開發(fā)了“光干涉現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬”的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。結(jié)果表明，項(xiàng)目的實(shí)施不但能加深學(xué)生對物理知識(shí)的理解，增強(qiáng)溝通協(xié)作能力，而且還有助于培養(yǎng)創(chuàng)新能力和解決真實(shí)問題的能力。

關(guān)鍵詞 101計(jì)劃;計(jì)算思維;大學(xué)物理;實(shí)訓(xùn)

盡管對信息時(shí)代的定義存在爭議，但人們對身處信息時(shí)代的現(xiàn)實(shí)具有普遍共識(shí)，尤其在計(jì)算機(jī)技術(shù)得到高度發(fā)展和普及的今天，每個(gè)人都深切感受到信息對社會(huì)的影響正日益增強(qiáng)。在此背景下，教育部于2021年最后一天啟動(dòng)了基礎(chǔ)學(xué)科系列的“101計(jì)劃”。其目的是實(shí)現(xiàn)高校人才培養(yǎng)模式從“知識(shí)為主”向“能力為先”的轉(zhuǎn)化。計(jì)算機(jī)科學(xué)作為“101計(jì)劃”首個(gè)試點(diǎn)領(lǐng)域，其教育教學(xué)改革受到了廣大高校教師的高度關(guān)注。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)教育方面，計(jì)算思維的培養(yǎng)是其中最重要的內(nèi)容之一。計(jì)算思維是周以真于2006年首次提出的[1] ，以計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)概念和理論為基礎(chǔ)，涵蓋問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人類行為理解等一系列思維活動(dòng)。經(jīng)過多年的發(fā)展，人們對計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)發(fā)生了很大變化。如今，計(jì)算思維不再被認(rèn)為是僅起源于計(jì)算機(jī)學(xué)科，只有計(jì)算機(jī)科學(xué)家才具備的思維方式;而是來自所有學(xué)科、所有領(lǐng)域科學(xué)家在應(yīng)用計(jì)算和計(jì)算模型時(shí)采用的思維方式[2-3]，它與理論思維、實(shí)驗(yàn)思維一起并稱為人類的三大科學(xué)思維方式。

物理學(xué)科是計(jì)算思維的主要起源之一。大學(xué)物理作為研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及其相互作用的課程，對打好大學(xué)生必要的物理基礎(chǔ)，培養(yǎng)批判思維能力、邏輯推理能力以及問題解決能力等具有重要意義。在普通高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)方案中，大學(xué)物理往往被劃為學(xué)科基礎(chǔ)課。然而，由于各種因素的影響，課程沒有得到計(jì)算機(jī)專業(yè)的師生的重視。課程的課時(shí)不斷被縮減甚至一度被從人才培養(yǎng)方案中刪除。因此，如何通過課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，讓計(jì)算機(jī)專業(yè)的大學(xué)生認(rèn)識(shí)到課程的重要性是非常值得我們研究的。為此，我們遵循“101計(jì)劃”的主導(dǎo)思想，以計(jì)算思維為連接點(diǎn)，開發(fā)了“光干涉現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬”的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，希望學(xué)生通過體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程，提升計(jì)算思維水平，增強(qiáng)利用物理知識(shí)解決問題的能力。

1 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)體現(xiàn)挑戰(zhàn)度與學(xué)科融合

雖然大學(xué)物理課程并非計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程，“101計(jì)劃”中“建好一批核心實(shí)踐項(xiàng)目”也不是指一般的實(shí)踐項(xiàng)目，但我們?nèi)钥梢酝ㄟ^大學(xué)物理課程的教學(xué)落實(shí)“101計(jì)劃”的核心思想———讓學(xué)生通過解決真問題來磨煉專業(yè)能力。

考慮到光學(xué)實(shí)驗(yàn)對環(huán)境要求高，不容易在課堂上演示，而學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中已做過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，清楚了解真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。我們選取大學(xué)物理中“光的干涉”的內(nèi)容，以“小組自行選擇開發(fā)環(huán)境（如Python、Matlab、Origin、 Java等），在楊氏雙縫干涉、薄膜干涉、劈尖干涉及牛頓環(huán)四個(gè)實(shí)驗(yàn)中任選其一，利用兩周時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬”為題，設(shè)計(jì)了實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。項(xiàng)目的實(shí)質(zhì)就是要求學(xué)生利用所學(xué)的物理知識(shí)和計(jì)算機(jī)知識(shí)，通過對問題進(jìn)行抽象、分解，建立計(jì)算模型，將物理問題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能理解的問題。由于計(jì)算思維的本質(zhì)即抽象，它往往體現(xiàn)為計(jì)算模型[3]。所以，實(shí)訓(xùn)過程就是學(xué)生計(jì)算思維形成與發(fā)展的過程。

按照計(jì)算機(jī)專業(yè)的培養(yǎng)方案，大二上學(xué)期的學(xué)生只學(xué)習(xí)了“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（Java）”“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”和“數(shù)據(jù)庫原理”四門專業(yè)課程。而且，由于我校計(jì)算機(jī)專業(yè)的大學(xué)物理只有51課時(shí)，其中約10個(gè)課時(shí)用于光學(xué)知識(shí)的教學(xué)。這意味著，若要完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生必須在掌握光學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，在兩周內(nèi)自學(xué)并掌握其他計(jì)算機(jī)知識(shí)。此外，考慮到好的實(shí)訓(xùn)成果可作為大學(xué)物理課程的教學(xué)資源，我們要求完成的作品必須是動(dòng)態(tài)的，帶有可調(diào)參數(shù)的。這就要求學(xué)生不但要理解相關(guān)物理知識(shí)，還需要了解用戶（教師）的需求，才能保證作品有助于教學(xué)。由此可見，我們設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為學(xué)生構(gòu)建了一個(gè)比較真實(shí)的職業(yè)場景，不但實(shí)現(xiàn)了學(xué)科的有效融合，而且還具有一定的挑戰(zhàn)度，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決真實(shí)問題的能力。

2 項(xiàng)目的組織與實(shí)施促進(jìn)溝通交流與團(tuán)隊(duì)協(xié)作

計(jì)算機(jī)專業(yè)的人才培養(yǎng)不僅涉及學(xué)科知識(shí)與專業(yè)能力，而且涵蓋溝通交流能力與團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)。大學(xué)物理作為基礎(chǔ)課程，設(shè)置的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目理所當(dāng)然要保證大部分學(xué)生具備完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的知識(shí)和能力基礎(chǔ)。但學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)與自學(xué)能力是存在差異的。為此，我們讓學(xué)生自由組隊(duì)，以4人一組的形式開展實(shí)訓(xùn)，并結(jié)合班級人數(shù)，規(guī)定每個(gè)題目的制作小組不能超過6個(gè)，全班至少采用3種不同的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行模擬。這樣的設(shè)計(jì)既解決了學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊、自學(xué)能力有強(qiáng)有弱的問題，而且還促使了大部分學(xué)生去自學(xué)其他知識(shí)。

除了小組內(nèi)部的分工協(xié)調(diào)需要學(xué)生的溝通交流和合作外，我們還將項(xiàng)目實(shí)施過程及成果展示的組織權(quán)完全交給學(xué)生干部，其中包括分配課題、限定開發(fā)環(huán)境、保證規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成成果展示，以及準(zhǔn)備方案應(yīng)對成果展示時(shí)可能出現(xiàn)的技術(shù)問題等。

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)施過程表明，學(xué)生小組內(nèi)部能夠各取所長，充分發(fā)揮優(yōu)勢完成任務(wù);學(xué)生干部能提出合理方案分配任務(wù)，能全面考慮實(shí)施過程中可能出現(xiàn)的問題，保證教師與同學(xué)間的有效溝通，并按照項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了讓所有小組順利完成成果展示的良好效果。

3 實(shí)訓(xùn)成果展示顯露學(xué)生計(jì)算思維的發(fā)展

有關(guān)計(jì)算思維的研究指出，計(jì)算思維的培養(yǎng)應(yīng)依托真實(shí)的、有意義的計(jì)算實(shí)踐。而“光干涉現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬”就是真實(shí)的問題。它需要學(xué)生構(gòu)建相應(yīng)的計(jì)算模型，將問題分解為更小、更易于管理的部分，并設(shè)計(jì)有效的步驟或規(guī)則來解決問題和執(zhí)行任務(wù)。對此，不少學(xué)生在實(shí)訓(xùn)的成果展示中呈現(xiàn)了他們構(gòu)建計(jì)算模型的部分細(xì)節(jié)。