面向综合能力培养的大学计算机通识课程改革
赵宏 郭蕴
摘 要：在计算机技术不断与各专业融合，特别是随着“四新”建设对计算机技术需求的日益增强，提高面向全校学生开设的大学计算机通识课程的教学质量和育人效果十分必要。本文首先讨论了大学计算机通识教育的根本目标，提出了面向大学生计算机通识素养培育的3A5S（3 Abilities and 5 Skills）模型，探索实现了3A5S教学实践模式。多年的课程教学实践表明，本文提出的3A5S教学实践模式有效，体现了大学计算机通识课程的高阶性、创新性和挑战度。3A5S模式是一種“能力目标”而非“知识目标”导向的整体化计算机通识课程育人的新模式。
关键词：大学计算机;3A5S模式;两性一度;挑战项目性学习（CPBL）;能力培养
在计算机技术不断融入各专业的今天，特别是随着“四新”建设对计算机技术的需求日益提高，在高校加强计算机通识必修课建设，提高计算机通识课程的教学质量和育人效果十分必要。然而对于大学计算机通识课程来讲，在我国大学普遍存在的减少计算机通识教育的学分、有的高校甚至取消计算机基础课的现象表明，我国高校的计算机通识教育还远远没有达到令各专业满意的教学效果。大学计算机通识课程正面临着教师不愿意教、学生不愿意学、专业学院不满意的多重危机。
因此，如何解决各专业对计算机技术的紧迫需求与目前我国大学计算机通识教育还无法满足这一需求的矛盾，以及大学新生由于高中时期长期处于被动的学习状态难于直接进入与其截然相反的自主学习状态的问题，是如今亟待解决的课题。本文针对大学计算机通识课程曾一度徘徊于方法论与工具论之间属性界定的问题[1]，提出了创新性的认识——大学计算机通识课程既不是教会学生抽象的方法，也不是教会学生具体工具的使用，而是对学生具有计算思维能力和用计算机求解问题的能力的培养。基于对大学计算机工具性和方法论属性的新认识，我们首先深入探讨了大学计算机通识课程的育人目标，进而提出了3A5S的模型，然后给出了可落地实施的实现3A5S模型的教学实践模式，最后分析总结了3A5S模型在南开大学多年实践的有效性。
一、大学计算机通识课程的3A5S模型
大学计算机通识课程的目标不是培养计算机专业人才，而是使非计算机专业的学生具有主动使用计算机独立或合作解决专业或生活中的问题的意识和能力。非计算机专业学生对计算机课程学习的本质需求就是能用计算机辅助解决专业和生活中的问题，能用计算机为专业学习和研究服务。因此，经过深入研究我们认为，对非计算机专业学生的计算机课程学习，可以归纳为如下三个能力的培养。
1.计算思维能力
以计算机学科为代表的计算思维与以数学为代表的逻辑思维和以物理、化学为代表的实证思维一样，已经是当代大学生应该具备的三大思维。大学计算机通识必修课程需要培养非计算机专业学生基本的计算思维能力，建立主动用计算机解决问题的意识，这样才能够与计算机专业人员对话，共同寻求用计算机辅助求解专业和生活中的问题的方法。我们把这种能力称为“能想”。
2.独立应用基本工具或编程语言解决问题的能力
当代人的学习和生活已经无法离开计算机，具备基本的使用计算机软件工具或者通过简单的编程去解决问题的能力是当代大学生必须具备的基本能力。例如，能够使用工具进行基本的办公文档处理，或使用SPSS，MATLAB，Python，R，C++等进行基本的数据分析、数据挖掘等。我们把这种能力称为“能用”。
3.用计算机创新性求解问题的综合能力
学习的最终目标就是要解决问题。非计算机专业大学生应该具备利用已有的计算机知识，与计算机专业人员合作解决较为复杂问题的综合科研能力。我们把这种能力称为“能创新性解决问题”。
由Spady首先提出的OBE（Outcome Based Education）理念是指教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果，强调“以学生为中心”[2]。教育教学模式的发展过程中产生了多种理念和方法，其中OBE理念和方法被公认为是追求卓越教育的有效方法之一。在美国、英国、加拿大等国家，OBE成为教育改革的主流理念。
基于以上对大学计算机通识课程三方面育人目标的认识和OBE理念，我们提出了实现学生从“拥有知识”到“具备能力”的学习目标转变的理论模型——3A5S模型，如图1所示。
在3A5S模型中，我们将大学计算机通识课程的育人目标归结为三个与计算机相关能力的培养，即“能想”“能用”和“能创新性解决问题”，简称“三能”，即3A（3 Abilities）。另外，针对我国学生在“能创新性解决问题”能力方面的缺陷，在育人目标中还要对他们进行解决复杂问题的综合科研能力训练，具备“一会发现问题，二会团队合作，三会求解问题，四会写科研论文，五会成果展示”的能力，简称“五会”，即5S（5 Skills）。
二、能落地的3A5S教学实践模式
为了提高我国高校的育人质量，2018年我国高校开始大力推进“金课”建设。教育部高教司吴岩司长将“金课”的特征归纳为“高阶性、创新性和挑战度”，即“两性一度”[3]。课程的高阶性就是要促进学生的高阶学习，培养学生的高阶思维认知能力，高阶学习对应布鲁姆（布鲁姆的学生安德森修改后）认知目标（分为六个层级：记忆、理解、应用、分析、评价和创造）中的分析、评价和创造[4]。金课的创新性也应该体现两个方面的内涵：一是问题导向，金课的创新必须明确要解决的问题;二是瞄准要素，围绕构成课程的诸要素开展创新，并取得可验证的实效[4]。提高课程挑战度的关键就是促进深度学习。这里的深度学习不是人工智能领域的深度学习，而是指通过基于元认知策略的学习活动，强调整合知识、积极主动、合作探究，对知识进行结构化和深度加工，目标是发展高阶思维和问题解决能力，是培养学习者核心素养、促进全面发展的积极的、有意义的学习[4]。
根据现代构建主义学习理论的基本观念，学生是学习知识的主体，教师是学生学习的辅助者，教师要在学生已有的知识、经验的基础上给予辅助、引导，让其构建意义[5]。“研究性学习”（Problem-Based Learning/ Project -Based Learning，简称PBL）是指学生通过研究性的方式提出理解和解决问题，并在此过程中形成学习能力、创造能力与相关专业精神的活动[6]。PBL是被广泛应用的基于构建主义理论的教学模式。清华大学在2008年提出了开展“挑战性学习”（Challenge Based Learning，简称CBL）课程教学。该类课程力图通过有趣有价值的挑战性问题吸引学生，激发学生的好奇心和想象力，通过高强度师生互动、生生互动，使学生快速获取新知识并综合运用相关知识，培养学生沟通、合作和创新能力，促进学生敢于善于挑战自我、主动学习，使学生在完成挑战性任务的过程中获得成就感，进而增强作为拔尖学生的勇气、信心和能力[7]。
图1所示的“3A5S模型”是一个概念模型，为了使该模型能够落地于日常的教学，还需要构建3A5S教学实践模式。基于构建主义理论，我们将研究性学习PBL和挑战性学习CBL进行融合，在实现3A5S模型中“能创新性解决问题”的能力目标时，采用挑战项目性学习（Challenging Project-Based Learning，简称CPBL）模式。CPBL的核心首先是挑战性问题不是老师给出的，而是学生自己发现并与导师讨论得到的;其次，学生们按照PBL的模式，通过团队合作，按照科学研究的方法，探究并求解问题。在CPBL模式中，不但突出培养学生会通过现象发现本质问题的能力，还通过学生们的团队合作式自主探究，在导师的指导下“蹦一蹦”就能夠解决所发现的问题。
近年来，线上线下混合式教学越来越多地被我国高校采用。翻转课堂就是线上线下混合式教学的有效策略和方式，它颠覆了传统课堂教学中老师讲学生听的模式，是以学生为中心的学习和教学方式的革命[3]。
综合了上述的教学理论、学习方式和教学方法，以及我们自己提出的CPBL模式，经过多年探索，形成了一种3A5S模型落地的教学实践模式。该模式给出了通过什么样的“路径”“教学方式”和“评价方法”去实现3A5S模型中各项“能力目标”，是一种完全“以学生为中心”，围绕实现“两性一度”的高阶学习和深度学习的创新教学模式。3A5S教学实践模式见表1所列。
三、基于3A5S模式的大学计算机通识课程的教学实践
自2015年秋季学期起，我们在南开大学采用3A5S模式，开始了面向全校非计算机专业大学生的大学计算机通识课程教学改革实践。全校的计算机公共必修课包括“计算机基础（理）”“数据结构与算法”等。
1.具体方法
关于“能想”，我们为每一门课程都建设了MOOC/SPOC课程，采用线上线下混合式教学。关于“能用”，我们发掘了几十个计算机与专业紧密结合的应用案例[8-9]。学生需要完成老师根据学生专业特点选择的部分案例以及根据个人兴趣选择的部分案例，最后由老师或助教进行面对面检查。关于“能创新性解决问题”，我们采用的是在教师或助教指导下的CPBL学习方式，最终通过提交研究成果、科技论文并进行成果展示完成的。
我们针对教学中的每一个知识点和能力目标进行基于BOPPPS的教学设计[10]，图2所示的教学流程包括问题导入（Bridge-in）、学习目标（Objective/Outcome）、前测（Pre-assessment）、参与式学习（Participatory Learning）、后测（Post-assessment）和总结（Summary）六个教学环节。在具体实施上，主要包括如下环节：① 课前利用SPOC进行在线学习;② 课上进行在线自主学习效果测试、教师重点难点讲解、学生基于问题的翻转课堂;③ 学生在实践课上进行上机实践（包括程序设计练习、案例练习）;④ 课后完成章节测试、小组问题求解等内容;⑤ 教师对课程内容、案例复现和项目求解情况进行总结和评价。
2.教学成效
（1）目标达成度的分析
课程采用了多维度形成性考核方法来评价目标达成情况。表2是各过程评价及其与表1相对应的育人目标。
我们对课程育人目标的达成度定义如下：
其中：
Oi为目标i的达成度，i=1，2，3;
ωij为目标i第j个评价环节的权重，其值经过专家和全体教师打分得出;
SASij为全体学生在目标i第j个评价环节的平均分;
TSij为目标i第j个评价环节的总分。
使用上述公式计算每学期学生课程目标达成度，计算结果均在83%～85%之间，这说明课程较好地实现了预期的育人目标。
（2）问卷调查
为了进一步了解学生对课程目标达成情况的直观感受，我们对课程育人效果进行了问卷调查。问卷采用常用的李克特5点自评形式，受访者可从1分（代表“完全不同意”）到5分（代表“完全同意”）进行计分作答，其中也包含一道反向计分题目。数据处理采用SPSS23.0。
首先对2019年秋季选修了“计算机基础（理）”的两个班级的233名学生发放问卷进行了初测，得到克隆巴赫系数α=0.747（>0.7），说明初测问卷具有较好的信度。取样适当性KMO=0.718（>0.5），且Bartletts球形检验显著性p=0.000（0.7），说明问卷具有较好的信度。取样适当性KMO=0.751（>0.5），且Bartletts球形检验显著性p=0.000（<0.05），说明问卷具有合理的结构效度。
① 关于3A的目标达成情况
问卷题目：通过课程的学习，和高中相比，确实使我在“能想”“能用”和“能创新性解决问题”等能力方面有明显提高。
问卷结果：57.3%的学生认为在3A方面有明显提高，35.7%的学生认为在3A方面有所提高，只有6.2%的学生认为在3A方面没有明显提高。因此，约有93.8%的学生有不同程度的提高。
② 关于5S的目标达成情况
问卷题目：通过课程采用的研究性学习方法，使我基本了解了科学研究的基本过程和方法，对我未来解决学业和生活中的问题会有很大帮助。
问卷结果：58.3%的学生认为在“五会”方面有明显提高，35.1%的学生认为在“五会”方面有所提高，只有6.7%的学生认为在“五会”方面没有明显提高。因此，约有93.3%的学生有不同程度的提高。
参考文献：
[1]赵宏，王恺. 我国大学计算机课程现状及改革探索[J]. 中国大学教学，2015（2）：50-54.
[2] SPADY W G. Outcome-Based Education： Critical Issues and Answers[M]. Arlington： American Association of School Administrators， 1994： 12-13.
[3]吴岩. 建设中国“金课”[J]. 中国大学教学，2018（12）：4-9.
[4]周鑫燚，唐瓷，冯鸿. 金课“两性一度”特征的学理分析与实现策略[J]. 成都师范学院学报，2020（6）：13-20.
[5]王向东. 基于多问题学习的慕课体系及其潜在优势[J]. 中国大学教学，2020（9）：43-46.
[6]周光禮，朱家德. 重建教学：我国“研究性学习”三十年述评[J]. 高等工程教育研究，2009（2）：39-49.
[7]孙宏斌，冯婉玲，马璟. 挑战性学习课程的提出与实践[J]. 中国大学教学，2016（7）：26-31.
[8]赵宏，王恺. 大学计算机案例实验教程——紧密结合学科需要[M].北京：高等教育出版社，2015.
[9]赵宏. 大学计算机应用经典案例[M].北京：高等教育出版社，2020.
[10]曹丹平，印兴耀. 加拿大BOPPPS教学模式及其对高等教育改革的启示[J]. 实验室研究与探索，2016（2）：196-200，249.
[本文得到了天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划项目（B201005507）以及教育部2020年产学合作协同育人项目（202002021004、202002030008）的支持]
[责任编辑：余大品]
