基于分类教学指导的大学计算机基础课程实验改革

摘 要：就如何面对学生基础参差不齐的现状,如何面向不同专业的学生在有限的学时提供信息素养的熏陶、计算机科学知识的传授和计算思维能力的培养等问题,探讨大学计算机基础分类教学的改革与实践,提出计算机公共教学为专业提供支持,并以虚拟实验为例,详细介绍机械类专业分类教学的内容、方法和预期效果.

关 键 词：大学计算机；分类教学；实验改革

0引言

大学计算机基础一直是大学本科一年级的必修课,是学习和应用计算机的入门课程.不同专业的学生在大学4年内的课程体系有很大不同,研究型大学以培养高水平复合型人才为目标,注重学生综合能力和素质的提高.大学计算机基础课程如何为专业课提供基础知识和基础技术,如何培养学生计算机应用的基本能力是当前热点问题.文科类、理工类以及农林、医学等不同专业对大学计算机基础课程的需求不同,加之受到内容多、学时少的影响和限制,我们必须探索合理的改革目标和路径,尝试分类教学,有针对性地在不同分类的需求上展示所需的计算机科学分支.

1计算机公共教学需要分类指导

我们多年从事大学计算机基础课程教学和实验辅导,对不同专业对计算机知识和能力的需求有深入了解.如何改革教学内容、如何面向不同类别的专业建立恰当的教学体系,是我们深度思考的问题,分类教学是一种有效的手段.

文中所说的分类教学是指在统一教学指导的前提下,基于人才培养目标,面向不同专业类别进行的,不以学校来简单划分.根据不同专业需求,设计不同的教学方案,包括教学内容、教学手段、教学素材、教学过程和教学实验.如北京理工大学总体学科和专业的设置基于对各专业的课程体系、专业培养计划的缜密分析,通过对不同专业、不同年级的学生的访谈沟通,特别是学生进入大三大四后对计算机科学的依赖,将大学计算机基础授课对象分为信息类、理工机械类、理工理科类、管理类、文科类和艺术类等.其中管理类需要数据库方面的支持,而机械类对仿真相关方法和知识关注度更高.针对不同类别的专业重点强调某些内容,这是面向应用培养复合型人才的最高境界.又如河南大学每年上万学生学习大学计算机基础课程,目前教学分为社科、人文、理工、医学与生命科学、经管教育等5类,都需要一套能够怎么写作于专业需求的教学计划与之配套.所以分类教学是大学计算机公共教学的首要环节,不仅体现在课程讲授上,也体现在虚拟实验中,即为不同大类的学生订制不同的实验.

2计算机公共教学应该为专业需求提供支持

作为重要的基础课,大学计算机基础课程应该为各类专业学生今后的专业学习和专业技能应用奠定坚实的基础.我们的原则是计算机公共教学应该为专业需求提供支持,具体措施如下.

1）为不同专业的学生订制不同的教学内容.

我们将大学计算机基础分为4类,分别为大学计算机基础、计算机应用基础、计算机科学导论、计算机科学与程序设计.每个分支都有独立的教学小组、写作不同的教学大纲.

2）选择合适的教师承担不同类别的课程教学.

北京理工大学计算机公共基础课教学团队是国家级优秀教学团队,由多学科多专业背景的教师组成,除计算机专业外,还有自动控制类、机械制造类、信息工程类.这些教师除有很强的计算机应用能力外,还有本专业坚实的基础理论和系统的专业知识,他们深知如何将计算机的基础知识和应用深度融合到自己专业领域,他们也能够深入浅出地面向学生讲授课程内容,尤其是他们能够结合科研给学生丰富的应用实例.

3）运用虚拟实验配合课堂教学.

为解决学时少内容多的矛盾,更重要的是体现不同内容对专业的怎么写作,我们设计了18个虚拟实验,见表1.实验配套相应教材,由学生课后自主完成.

上述实验中,不同类别教学内容可以有针对性地选择其中的部分实验,让学生练习和体验,具体实施如表2.

3机械类大学计算机基础课程分类教学设计

笔者曾在美国几所大学访问交流,深入了解过多所大学在工程学院的课程设置及课程内容.很多大学在大学一年级的课程中都有编程课程ComputerScienceandProgramming,还有些大学的工程学院从大一到大四,一门实践类的课程贯穿始终.如美国史蒂文斯理工大学,在工程学院开设EngineeringDesign（1）至EngineeringDesign（8）,连续8个学期都有,学生可以灵活选,内容包括编程实现对简单机器人的控制、用力学知识编程计算桁架的结构性能、用Matlab进行仿真分析等；工程学院的每个学生无论专业是机械工程、电子工程还是计算机工程,都必须修满这个课的全部学分.这就是一个问题驱动并且理论与实际很好结合的实例.

目前基于问题的学习、基于项目的学习等一些新思想、新做法层出不穷,以转变学生的学习方式为目的,强调主动探究和创新实践,着眼于给学生终身受用的知识和能力,回应了时代对教育的需求.通过分析美国部分大学工程学院一年级计算机类课程的设置,以及北京理工大学机械大类学生后续课程设计、毕业设计中对计算机相关知识和工具的应用,我们在分类教学设计中对机械大类实施比较大的改革,具体思路是：

（1）将大学计算机基础课程与后续的程序设计课程打通,形成新的课程——计算机科学与程序设计.

（2）新课程的内容体系以培养学生计算思维为导向,以培养目标为驱动,以案例教学为线索,以怎么写作专业应用为目标.

（3）在高度浓缩课程理论教学的同时,强化学生实验,充分利用虚拟实验平台,将演示与体验结合,将理论与实际结合,将基础课内容与专业课应用结合.

（4）课程的进行采用渐进式案例,问题复杂程度从简到难,练习内容由浅入深,学生作业成果从小到大.

（5）注重全过程考核,将学生作业、实验、考试和“成果”一并列入考核内容.

数据库的基础知识是课程内容之一,介绍数据管理的基础知识和数据库的基本思想.为帮助学生理解,我们从需求出发,以车间零备件库存管理为例,紧密结合机械类学生的应用,设计渐进式的问题（案例）,见表3.学生由浅入深地学习计算机科学的知识并掌握程序设计的技能.4分类教学实验改革实例——仿真计算与Madab虚拟实验

在工科专业中,特别是机械大类,学生在专业课学习过程中经常用到仿真.仿真计算利用模型复现实际系统中发生的本质过程,通过虚拟实验来研究已存在或设计中的系统.北京理工大学是以理工为主的研究型大学,从基础课就培养学生的研究素养.我们在虚拟实验的设计中,特别设置了针对理工类的演示验证实验,实验既有功能的体现,又有算法的设计.学生可以比较早地了解今后从事研究所用的知识和工具,从而激发学生求知的愿望.

实验17涉及连续系统建模与仿真、模型参数优化、离散系统建模与仿真等知识点.学生通过虚拟交互性实验了解系统建模与仿真的基本概念及模型优化与验证思想,理解离散系统仿真原理.学生最后对实验内容进行总结和思考,将实验涉及的相关内容拓展和系统化,完成实验报告.

实验17中的水箱系统仿真计算与模型优化,如图1所示,学生首先观察虚拟水箱系统,通过控制阀门可以向水箱注水.单击屏幕上的“开始”,仿真程序实现虚拟水箱注水的过程,并获得水面变化的记录.然后,学生根据计算公式填入对水箱横截面积和流量的参数估计,根据已经设定的输入流量,仿真计算获得对应的水位变化记录.学生可以多次输入参数,观察不同的仿真结果,分析结果的误差,修正水箱参数,重新执行,直到误差小于1为止,这时,将以上水箱横截面、流量及水位参数和误差记录下来.

此外,还可以让学生完成蚁群算法的分析和应用,在实验中,学生首先了解蚁群算法,在界面选择“觅食模拟问题”,根据软件提示,选定蚂蚁种群数量,用鼠标拖动折线绘制2条觅食路径,单击“觅食”,经过给定的时间后,获得最优路径,将蚂蚁觅食过程记录相应的表中.学生可以进一步改变蚂蚁种群数量以及路径数量,重复进行多次试验.如果学生选择“路径优化问题”,如图2所示,可以在地图上任意选择10个点作为城市坐标,通过蚁群算法计算最优路径,实现所有城市的遍历,还可以获得优化后的路径及其长度.

这样的实验有力展示了计算的魅力,启发和培养了学生的计算思维,引导学生产生对底层计算方法深入探究的兴趣,对学生后续专业课的学习和专业知识的综合应用起到非常好的作用.

5结语

当前,大学计算机基础课程的教学广受关注,改革的思路各不相同,也不乏有建设性的理念和措施.笔者对计算机基础的分类教学和虚拟实验,特别是在理工机械类的教学内容和实验方法进行了较大力度的改革.近年来在不同的教学班尝试实施,收到较好效果.

这些改革的实施将全面培养本科生的科学素养和科学思维,有效提升本科生的学术意识,使他们在后续课程和今后工作中,能够自学和自主应用计算机程序设计的知识,编程解决实际问题,成为具有自主学习能力、研究性学习能力、终生学习能力,能够适应环境和任务变化的复合型人才.

（编辑：彭远红）