新工科背景下计算机实践教学模型的构建与应用

陈劲新， 张德成

（盐城师范学院信息工程学院，江苏 盐城 224002）

0 引 言

大数据、人工智能等新一代信息技术，推动了新一轮的科技革命与产业变革，在高校也催生了大数据、云计算、人工智能、机器人工程、智能科学与技术等相关新工科专业，并运用新技术对传统工科专业进行改造升级，从而为新兴产业和新经济培养具有国际竞争力的高素质、创新型卓越工程科技人才［1］。

“新工科”于2016年提出后，“复旦共识、天大行动和北京指南”构成了新工科建设的“三部曲”［2］；2017年6月9日，教育部发布《新工科研究与实践项目指南》，明确了新工科人才培养的目标要求、培养理念、创新模式等，要求以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才［3］。

当前，高校的新工科围绕产业链、创新链，对学科及其专业设置进行前瞻布局和动态调整［4］，并对新工科人才的知识体系、人才培养质量观、创新教学方法与技术等方面的学与教进行了积极探索，强化了实践创新能力的培养。新工科是面向工程教育的改革，工程教育的核心是构筑新型的专业课程体系，课程建设是新工科专业建设的基础和落脚点，直接影响人才培养的质量［5］。课程团队以软件工程专业基础课程Web前端技术基础为例，构建了计算机实践类课程三维四层实践教学模型，并进行教育教学改革，从政治素养、科学思维方法、实践创新能力、职业素养等方面，努力为社会培养适合时代需求的新工科人才。

1 专业目标与课程分析

1.1 专业目标分析

软件工程专业主要是为计算机的应用、特别是软件产业，培养具有软件工程思想、方法和技术的专业人才。根据教育部《高等学校课程思政建设指导纲要》精神［6］，从立德树人的角度，其培养目标包括政治素养、专业能力两个方面。政治素养就是要求培养的人才，有坚定的政治方向和政治立场，有深厚的家国情怀和良好的道德情操，有踏实的工作作风和辩证的思维品质，有强烈的社会责任感与使命感。专业能力就是要求培养的人才，能运用系统观、工程化方法进行软件工程技术相关领域的研究、设计、开发、管理，有较为开阔知识的视野、较强的实践应用与创新能力，有较强的团队协作能力与环境适应能力，能在多元社会环境下胜任软件产业相关工作［7］。

1.2 课程定位分析

软件工程专业在各个学校有着不同的专业方向，课程设置也略有差异。Web前端技术基础作为该专业的实践类基础课，一般在二年级第一学期开设。课程内容包括Web前端项目设计开发生命周期的全过程，强调前端开发的基础知识、基本技能、基本理论和设计规范，注重前端技术和设计思维的完美结合，强调分析和解决复杂工程问题的高阶能力培养，使学生具备企业级前端项目开发的职业素养和实战能力，是培养合格前端工程师必不可少的课程。在整个专业开设的课程体系中起到承上启下的作用，是连接其他基础课程和专业课程学习不可或缺的重要纽带。

1.3 课程问题分析

Web前端技术基础课程包含软件行业前端领域的关键基础知识HTML5、CSS3与JavaScript等，知识点内容多、更新速度快、学习难度系数大，必须通过持续系统的、切实有效的上机实践才能保证学生学习质量，才能进一步提升学生的工程实践能力和创新能力。以往课程理论性强、内容自成体系、逻辑结构严密，一般重知识点讲解、轻项目开发应用、无学科之间的融合、无职业与人文素养培养，导致学生普遍存在知识、技能、综合应用能力脱节，项目实践中出现“知而不会、会而不用、用而不思、思而不创”的问题。

1.4 课程教改方案设定

课程团队聚焦上述课程建设的主要问题，以“明德”“精工”的新工科人才为培养目标，坚持“学生中心、成果导向、持续改进”的国际工程教育专业认证标准，构建了具有新工科人才培养特色的计算机实践类课程的三维四层实践教学模型，系统开发校本教学资源，实施基于以成果导向、项目驱动的翻转课堂教学方法，运用实时、多元的精准评价体系，致力于培养政治素养与专业能力相统一的创新型新工科前端开发人才。

2 三维四层实践教学模型的构建

依据新工科人才培养要求，定位软件工程行业需求，对应前端工程师必备的基本工程实践能力、解决复杂工程问题的能力、创新创业能力，构建了以成果导向、项目驱动、任务目标明确的三维四层教学模型，如图1所示。

三维是指实践目标、实践项目以及成果层次。实践目标包括理解、应用、综合、创新，是模型的主线，体现学习的具体过程；实践项目有基础任务、综合项目、创新项目，实现项目成果多样化；成果层次是提升学生实践能力的阶梯，包括基础成果、提高成果、综合成果和创新成果四层。三维四层模型具有以下特点：

2.1 目标明确，切实推进教与学有效快速实施

实践教学模型中的实践目标阐明了预期的实践学习成果，决定着教学活动的方向，也是教学评价的依据。参考布鲁姆教育目标分类法［8］，结合实践教学过程和特点，将实践教学目标分为理解、应用、综合、创新。实践教学目标中的理解包含系统了解和分解项目任务，课程知识点中的概念、方法、用途等，并进行思考和解读，能独立、正确地使用知识点完成基础任务实践，通过交互和反思，强化对知识点的掌握；应用是引导学生协作交流，突破原有知识点的深广度，关联课程其他知识或专业相关领域知识来解决问题，完成项目所需技能点的实践操作，真正意义上实现知识内化；综合是小组协作、系统分析、统筹知识点和技能点，规划项目设计与核心技术的综合应用，探究完成综合项目并评价反思；创新是实践教学中最高层级的目标，在综合项目评价的基础上，挖掘资源、拓展技术、延伸思维，有意识地对项目进行探究，创设出新的项目效果，全面有效地促进职业素养的提升。

在整个学习过程中，始终以成果为导向、学生的发展为中心，四个层级的目标分别对应“学、践、研、创”的实施路径，以期解决实践中出现“知而不会、会而不用、用而不思、思而不创”的问题，推进教与学快速有效的实施。

2.2 项目驱动，有效培养工程项目思维和实践能力

实践教学模型整体上使用项目驱动法，即以项目为载体，问题或任务为驱动，依次完成难度系数递增的基础任务、综合项目、创新项目。基础任务包括对项目任务的认知、对自主学习知识点的检测与初步应用、对项目相关思政素材的搜集整理，由学生根据教师发布项目任务和资源自主完成；综合项目不仅仅是多个技能点的综合应用，还需根据统筹规划将文化、艺术、管理等素养综合应用于项目开发，由教师引导学生完成；创新项目是融入了新技术、新理念、新范式的延伸拓展性成果，是新工科下对人才培养的新要求。利用贴近于以后实践的企业项目开发流程的方式来完成学习任务，可有效培养和提升软件工程师必须具备的工程项目思维和项目实践能力。

2.3 四层成果，阶梯式推进明德、精工能力的提升

实践教学模型以项目成果为导向，包括基础成果、提高成果、综合成果和创新成果，四层成果层次呈螺旋式上升，呈渐进式解决复杂工程项目的实施问题，呈阶梯式推进明德精工素养的提升。每一个项目实施过程，是知识、能力、品格等素养相互协调和共同发展的过程［9］，是思政主题凝练、升华的过程，也是以恰当的媒体形式、严谨的逻辑方式与精准的前端技术表现思政元素的过程，也是不懈探究、求真务实的过程，是提升批判性思维能力与追求创新的过程。

3 三维四层实践教学校本立体教学资源开发

3.1 设计思政实践项目，重构教材知识体系

根据“明德”“精工”目标要求，将具有本地特色的铁军文化、非遗文化淮剧等思政元素融入到实践项目，设计了“铭记铁军精神”“弘扬传统文化”“建设美丽家乡”“做合格的前端开发工程师”等4个思政实践项目模块，从主流思想、思维品质、行业要求、职业素养等方面系统设计前端实践项目。以工程项目为主线，重构HTML、CSS与JavaScript的知识与能力体系，运用三维四层实践教学模型，实现知识与技能的连接，用知识解决工程问题，从而实现学以致用的实践目标。团队编写的课程思政教材Web前端开发项目实践教程，于2020年11月由清华大学出版社出版，教材结构体系如图2所示。

图2 Web前端开发项目实践课程教材结构体系

3.2 建设在线实践金课，开发立体化实践教学资源

网络碎片化时代，基于在线开放课程及学习资源的学习，是学生主动学习、实现高挑战度教学目标的最主要的方式。根据学校的办学理念与学生学习特点，结合时代新人的培养目标要求，开发立体化校本实践教学资源，利于新工科人才创新实践能力的培养。

校本教学资源主要包括教材、SPOC课程、工程项目案例、学习任务单、测验库等。根据项目涉及的知识点、技能点设计开发微视频，既可用于课堂教学，又可用于学生自主学习；设计学习任务单、测验库、案例库等辅助教学资源，建设SPOC课程，并不断更新、优化课程资源，推进实践性在线金课建设。

4 三维四层实践教学模型的教学实施

三维四层实践教学运用当堂对分的翻转课堂教学方法［10］，实施流程如图3所示。

图3 三维四层实践教学模型实施流程

以“中国淮剧”网站“经典剧目”页面设计项目为例，描述模型的实施过程。①根据教材的教学模块确定本项目的知识点与技能体系，明确项目的预期成果。预期成果要有一定的开放性，能给学生留出足够的挖掘、拓展和创新的空间［11］，因此，这里的预期成果等同于综合成果；②根据预期学习成果规划项目各层次的具体目标和任务。“经典剧目”页面项目的综合成果参考效果如图4所示。

图4 “经典剧目”页面项目的综合成果参考效果

4.1 教师引导，完成“基础成果”

（1）教师资源准备。教师根据项目规划、知识与技能的重难点，发布任务书，使学生明确“理解”层次的目标内容，开发项目所需的学习资源并发布于课程平台。学习资源包括项目描述视频、学习任务单，以及知识点微课、电子教材、课件、基础任务、平台讨论、知识点测验等。项目描述主要是关于需求分析、项目主题、技能难点、艺术化设计等进行描述与分解；对于相对简单知识点，如“Video标签的使用”，选择以电子教材形式呈现，较难的知识点，如“JavaScript的事件”，除了提供知识点微课，还需准备案例与拓展资源；基础任务主要是知识点的初步应用；讨论是基于学习平台发起的关于知识疑难点交互的意见或者进行的辩论。

（2）学生自主研习。学生登录学习平台，首先根据项目描述视频系统了解项目的需求分析、主题、技能点、艺术表现等。“经典剧目”项目主要是以视频形式展现经典淮剧曲目的精彩，综合运用Vedio标签和JavaScript的函数、事件设计实现的视频播放器是项目的技术核心，强化对中国优秀传统文化的认同和坚持是项目的思政主题，页面的色彩搭配、布局方式是项目的艺术体现。

学生依据学习任务单，查看项目设计流程以及学习方法指导，根据学习目标，明确基础任务，自主规划学习过程，知识点学习以及思政资源搜集的时长、顺序、方法不受限制，但必须按时、独立完成。

（3）交流讨论反思。采用当堂对分的翻转课堂教学方法，学生在课堂上自主规划与研习基础任务，遇到疑难点可以及时与同学和教师沟通，教师可以实时监督并记录学生任务的完成情况。学生按照规定的时间节点提交基础成果，教师利用学生完成知识点检测的时间段快速评价基础成果并反馈，概括共性问题，提炼个性问题。学生根据反馈及知识点检测结果进行反思，反思内容学习的深、广度，为当堂对分翻转课堂的知识内化做准备。

4.2 知识内化，进阶“提高成果”

（1）查漏补缺疑难研讨。运用提问或测验方法，检查学生自主学习情况，并根据学生反馈的疑点、难点等问题进行查漏补缺。

对自主学习中的共性问题，比如，JavaScript中函数调用的3种方法中，在事件响应中调用函数、通过链接调用函数两种方法语法掌握不牢固，设计案例组织学生讨论，协作探究，理实融合，以强化基础知识点的掌握。

对自主学习中的个性问题，如学生提出的“如何通过按钮控制视频的快进与快退”问题，因微课知识点中已解决“如何通过按钮控制视频的播放与暂停”问题，启迪学生分析探究，搭建支架促进解决，设计思路与播放暂停按钮一致，即为快进与快退按钮的onclick事件分别定义方法，在方法中改变视频的currentTime属性值，正值实现快进功能，负值实现快退功能。

（2）头脑风暴学以致用。从控制“播放暂停”到“快进快退”，是否还能精确控制视频播放的时间点？问题驱动，学生开展头脑风暴，小组协作设计解决方法，分解核心要点，主要包括计算视频总时长、监听当前播放时间、视频跳转至指定位置3个要点，并尝试代码实现。教师实时记录、评测各小组实现的进度与效果，并协助代码优化、布局美化。展示、点评优秀成果。

利用所学知识点，完成与项目主要技能点的映射，实现真正意义上的知识内化与技能应用，进阶“提高成果”。

4.3 统筹协作，达成“综合成果”

前端项目开发包括需求分析、内容确定、页面设计、代码编写、测试完善等过程。“经典剧目”页综合项目开发需将Vedio、JavaScript函数和事件等技能以及淮剧文化、页面布局艺术、小组分工及时间管理等素养进行综合应用，有一定的挑战度，而课堂时间有限，页面中除核心技术点视频播放器以外的功能模块的实现可以开放性资源形式发送给学生；再运用支架突破页面设计的重难点，引导学生编写代码，先写入HTML5内容结构，再总体布局页面，接着写入文字、图像、视频等元素，并进行精细化布局元素，最后利用JavaScript实现播放器效果。

学生需要对项目进行统筹规划，运用系统思维的方法，合理分工、通力协作，优化凝练完成综合项目。在综合项目的实践过程中，各小组学生之间的进度以及完成质量各有不同。教师实时检查，并进行督促、指导、记录，遇到问题，鼓励组内学生协同解决［12］。

展示综合成果，小组互评项目内容、技术、艺术等优缺点，交流实施过程中遇到的困惑与问题解决经验，教师点评并解答项目实施中的共性问题，小组评价反思，提升素养。

4.4 延伸拓展，实现“创新成果”

教师提炼工程项目实施过程中可拓展的问题，如变换思政主题，设计京剧、越剧、黄梅戏等网站；如给视频播放器添加倍速按钮；如设计优化网站LOGO，改进技术优化元素表现方式、页面布局等问题。引导学生突破课程限制去思考、探究，挖掘资源、延伸思维，有效融入课程其他知识点或技能点，或者是课程组中相关知识点、技能点，动手实践、协作创新解决问题，引领学生全面提升职业素养。

只有善于思考、积极探究、勇于实践，才可能有创新、有发展。［13］以问题驱动，在教师的有效引导下，学生有选择地进行高效探究，最终形成各有特色的创新成果，教师团队根据评价指标进行综合评价，并促进其推广应用。

5 三维四层实践教学精准化教学评价

知识点测验、单元检测中的选择、填空、判断等形式，测量的是学生的低阶知识的掌握，仅以此为评价标准，只能造就学生的应付式学习。三维四层实践教学模型的教学评价必须体现过程性、动态化、持续性的评价思想，以成果为导向，围绕立德树人的目标，从基础成果的“学”、提高成果的“践”、综合成果的“研”、创新成果的“创”四个方面进行；评价不仅要考虑到教师对学生各层次成果的评价，还要考虑到学生互评，以及学生自己对成果完成情况的评价，即从“自评”“互评”“教师评价”三个角度进行构建。

教师评价强调学生对项目知识点、技能点的学习经历，以及项目实操过程的评价；强调对项目的思政元素的凝练、技术表现与艺术表现的评价；强调项目成果的层次与创新性；强调学生的真实学习、有效学习。同时教师评价不仅限于成绩、任务、成果等显性评价，还充分考虑到对隐性成果的评价［14］，隐性成果一方面是学生在项目实践过程中所反映的思想宗旨、专业态度、艺术审美、文学素养等综合素养，另一方面还包括学习过程中的学习组织、信息素养、思维方式、协调沟通等职业能力。具体评价方式如表1所示。

表1 基于三维四层实践教学模式的学习效果评价方式

实践教学效果评价中，综合发挥课程学习平台、QQ群的功能，实时记录学生自评、互评和教师评价的行为数据，为学生构建全面、精准、多维的学习画像，精准评价实践学习效果，促进学生个性发展与创新发展，促进学生“明德”与“精工”同步发展。

6 三维四层实践教学模型的教学效果

以项目为驱动、任务为导向的三维四层实践教学模型，实践目标由低阶到高阶，实践项目任务明确，实践成果渐进提升，学、践、研、创融合，体现了高阶性、创新性、挑战度的实践金课标准［15］。线上与线下、理论与实践、思政与专业内容相结合，实现了“思政引领把方向、问题探究学方法、内化知识创项目”的明德、精工目标，调动了全体学生的学习积极性与参与度。

通过课程学习前、后对104名学生的问卷调查结果分析显示，学生对课程感兴趣程度由学习前的47%很感兴趣变为学习后的87.5%；对课程最终成绩的预期，42.3%的学生有明显提高，42.3%的学生有所提高；对从事与本专业相关工作岗位意愿由学习前的67%变为学习后的79.8%；对课程学习效果的总体评价，90.4%的学生在自主学习能力、72.1%的学生在学习方法、62.5%的学生在知识应用能力、58.7%的学生在问题探究与解决能力、57.7%的学生在实践创新能力等方面得到提升。

7 结 语

新工科人才培养是系统工程，不仅要有与时俱进的“精工”专业目标，还要有“明德”的思政目标，“明德”“精工”同向同行；不仅需要教师的尽职教学，还要教师勇于改革，智慧教学；不仅要求学生乐学、善学，还要学生勤于实践，创新学习。三维四层实践教学模型以新工科人才培养目标为依据，专业与思政、理论与实践深度融合，立德树人；三维目标高阶，层次清楚，任务明确，可执行性强，有难度、挑战度；结合项目驱动的翻转课堂教学实践，有效解决了“知而不会、会而不用、用而不思、思而不创”等实际问题，取得了满意的教学效果。三维四层实践教学模型对计算机实践类课程的教学有一定的普适性，也可根据不同课程的实际情况进行改造升级，具有一定的实际指导意义。