以学科竞赛为抓手 推进新工科时代本科生计算思维培养*

武文娟 周小明 刘永刚 陈旺 焦敏

摘  要  为了推进全专业本科生计算思维的培养，满足新工科时代对创新型人才的需求，探索并实践以学科竞赛为抓手，培养本科生特别是非计算机专业学生的动手能力、创新意识及使用信息技术解决实际问题能力的实践教学模式。实践证明，该模式可以深化教学改革，激发本科生学习掌握信息技术的热情，促进本科生计算思维训练。

关键词  新工科；信息技术通专融合教育；实践教学；本科生；计算思维；学科竞赛

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）15-0079-04

0  引言

近年来，大数据、人工智能、区块链等技术逐渐上升为国家战略技术，其巨大作用和深远影响已经超出计算机领域，与其他领域、行业发生交叉融合，助力其他行业转型升级，并创造和催生出新的行业，是新经济最重要的驱动力之一。这些技术的共同核心之一是数据，因此，各领域各层次的人才都要有重视数据的意识，掌握信息技术，形成数据思维。

2017年，教育部启动新工科发展研究工作[1]，先后发布“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等文件[2-4]，形成新工科建设“三部曲”。各高校积极响应，通过新工科研究与实践项目的立项建设，在新工科建设和改革工作中取得显著成果[5-7]。教育部高教司多次强调，要聚焦国家发展战略，把握高校人才培养工作的新形势新任务，全面深化高等工程教育改革，加快建设新工科，主动面向未来，适应和引领新经济[8-9]。

信息技术学科是一门渗透性极强的学科。在新工科时代，非计算机专业的学生也必须具备相应的计算思维素养，掌握运用信息技术解决实际问题的技能。计算思维教育不仅仅是编程教育，其关注的是利用信息技术解决问题的能力，强调学生信息化认知方式的发展，强调在真实体验与实践应用中发展学生利用信息技术思考、建模与解决问题的能力。因此，计算思维的培养必须重视综合实践能力的培养和锻炼。

学科竞赛可以在紧密结合课堂教学的基础上，以竞赛的方法激发学生理论联系实际和独立探索的动力，是实践研究性学习的一种重要形式。因此，在对非计算机专业的学生开展信息技术专业基础课程教学的同时，以学科竞赛为抓手对学生的计算思维和动手创新能力进行全方位的训练，对于人才培养具有重要的意义。通过鼓励学生参加大赛，激发各专业学生对于信息技术的学习兴趣，在提出问题、分析问题、解决问题的过程中，系统地强化学生的科研能力及科研创新精神，培养学生的创新能力和团队合作意识，提高学生运用信息技术解决实际问题的综合实践能力。

1  “中国大学生计算机设计大赛”项目

“中国大学生计算机设计大赛”（以下简称“大赛”）是2012—2018年全国普通高校学科竞赛排行榜第26号赛事（中国高等教育学会确认），是中国高等教育学会发布的《高校竞赛评估排行榜》统计赛事之一，是由教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会中国大学生计算机设计大赛组织委员会主办，面向全国高校在校本科生的非营利性的公益性、科技型群众性活动。大赛赛事采用三级赛制：校级初赛（基层动员）、省级赛区（或省级直报赛区）复赛、国家级现场决赛。大赛在全国具有广泛的影响，受到在校大学生的欢迎和信任，涌现出的优秀作品已经被CCTV以及不少企业采用。大赛涵盖软件应用与开发、数字媒体设计、人工智能等领域。大赛始创于2008年，已经举办13届赛事。

中国人民大学自2008年大赛开办之初即组织队伍参赛，历年来取得丰硕成绩，获奖等级及数量屡创新高。大赛项目的建设获得中国人民大学信息技术与管理国家级实验教学示范中心及中国人民大学基于大数据文科综合训练国家级虚拟仿真实验教学中心两个国家级实验教学中心的支撑。学科竞赛是“实验教学、学科竞赛、科学研究”三位一体的实验教学新体系中的重要一环，两个实验教学中心从实验教学体系建设、课程改革、平台建设、师资力量、多渠道设立学生课题、实验室开放、管理体制等多个方面，为大赛项目提供有力的支撑。大赛项目的建设也进一步扩大了两个实验教学中心的影响力，更好地发挥了中心的辐射、示范作用。

中国人民大学专门设立“中国大学生计算机设计大赛”学科竞赛项目，于秋季学期开始在相应的课程中设置第二课堂；每年11月开始，成立竞赛教师指导小组，结合实际需求，着手准备次年参赛的作品内容；次年3月，成立多个参赛队伍，成员由对计算机竞赛感兴趣的学生组成，指导教师带领学生在近半年的时间内集中完成项目全阶段开发，包括需求确定、代码编写、系统测试、项目文档编写、参赛视频及演示材料制作等环节；5月，举办校内比赛，对全校参赛作品进行筛选评比，选拔优秀作品参加大赛的北京市级赛，通过评审的作品最终上推至国赛参与最终的激烈角逐。

2  以学科竞赛为抓手的计算思维培养实践教学框架

在多年的参赛过程中，依据“兴趣驱动、问题驱动、项目驱动”的培养模式，以学科竞赛为抓手，探索并实践一套计算思维培养实践教学框架，如图1所示。该模式面向所有专业的本科生。问题情境具有情感上的吸引力，容易使学生产生浓厚的学习兴趣，形成探索问题答案的欲望，促使学生自觉、主动地寻求解决问题的方法，这也是大学生计算思维能力培养的重要途径和方法。

2.1  确立“以赛促教，以赛促学”的组织思路

以赛促教，加大相关非计算机专业计算机课程教学改革力度，重视实践实训教学；以赛促学，将比赛过程融入学生平时学习，使学生参加比赛获奖成为一个水到渠成的过程，而非刻意追求的结果。将组织比赛作为一个全年不间断的工作，加强平时的宣传力度，使得学生平时能够有意识地观察生活，积极使用计算思维寻找解决方法，从而真正提高学生的动手能力，实现研究性学习，从而达到比赛培训的目的。

2.2  组建经验丰富的竞赛指导教师队伍

多年来，中国人民大学建设了一支专业水平高，同时具备丰富参赛经验、社会商业知识和文化知识的指导教师队伍。指导教师在学科竞赛建设中发挥着举足轻重的作用，要负责项目内容把控和设计，为学生开设第二课堂，组建团队，并在项目的整个生命周期中指导学生规划、开发、部署以及实施项目。

2.3  面向全专业学生开设培训类、竞赛类第二课堂

将学生分为计算机相关专业及非计算机专业学生两大类，这两类学生的专业特点和擅长领域不同。按照项目的生命周期及学生的专业特点，每年秋季学期开始在相应的课程中设置培训类、竞赛类第二课堂。面向计算机相关专业学生，其课程内容更偏重于项目的具体实现，在技术性讲解和学生自主实现方面有更多课时。在第二课堂中设置项目类大作业，学生完成后可以直接将该项目参加学科竞赛。面向非计算机专业的学生，其课程内容则偏重于计算思维能力的训练、相关技术应用方式的了解，在新工科专业方向更有针对性。学生通过课程学习，掌握物联网、大数据、人工智能等领域的新工科专业的技术应用方式，便于利用学习技能独立完成创意性项目的构思、可行性分析、技术实现路径的规划等工作，最终在课程结束时完成相关内容的文档撰写。

2.4  头脑风暴发现社会、现实问题

在开发任何产品的同时，都要考虑为什么，干什么，能够解决什么问题，给人们的生活带来什么便利。带着这些问题，在每年11月份，指导教师会组织学生头脑风暴，发现每个人身边未解决的问题。通过问题让团队成员充分理解需求，并以功能点的形式描述出来。此后在项目会议上，团队成员报告自己所理解的软件功能，其他成员也可以随时打断并提出自己的疑问，以供大家一起讨论。头脑风暴、团队协作的方法，可以将集体智慧最大化。最后，争论问题则由指导教师作出决定。

2.5  组建跨学科、跨年级的项目团队

学生必须以团队（三人）形式报名参赛，因此，准备报名时就需要考量团队组建和协作沟通等要素。鼓励参赛团队跨学科、跨年级自由组合，既能充分互补各个专业学生在知识领域、技能特长方面的不足，也促进团队成员之间的跨界交流与学习，使学生在互相学习的过程中接触更广泛的知识内容。第二课堂培训结束后，由指导教师负责，根据不同的项目类型，在团队建设中加入不同专业的学生，组成团队专业化结构合理的项目队伍，完成项目的整个生命周期，并有针对性地指导项目参赛。比赛指导教师应该对学生进行认真指导，严格按照比赛进程合理安排比赛进度，及时排除学生疑惑。特别是学生比赛作品的制作出现偏差时，教师要能够及时发现、及时纠正并引导学生，给出合理的建设性意见，防止学生做无用功。

3  人才培养成效分析

以学科竞赛为抓手的信息技术通专融合实践教学框架在人才培养方面的作用可以归纳为两点。

3.1  以赛促教，促进信息技术通专融合教育

在新工科和新文科的教学改革思路指引下，立足信息技术与管理国家级实验示范中心，以一个综合的创新性竞赛参赛作品开发为切入点，在半年时间内，为计算机专业与非计算机专业的学生提供一个接触自身专业之外的领域知识的学习和实践机会。这是一种有益的实践与尝试，有利于培养新工科专业学生的人文精神，也帮助新文科专业学生进一步掌握和有效利用信息技术，从而做到信息技术通专融合教育。

3.2  以赛促学，切实提高学生创新实践能力

将组织比赛作为一项全年不间断的工作，加强平时的宣传力度，引导学生有意识地观察生活，积极寻找解决方法。通过第二课堂的设置以及参赛作品全周期的开发，将比赛融入学生平时学习，使学生参加比赛获奖成为一个水到渠成的过程，从而真正提高学生的动手能力，达到学科竞赛培训的目的。

以学科竞赛为抓手的信息技术通专融合实践教学框架实施以来，硕果累累。以大赛为例，自2008年第一届大赛举办以来，中国人民大学已连续13年参赛，参赛成绩屡获突破。目前，中国人民大学累计共有23位教师指导117位学生参加大赛国赛，获奖情况如表1所示。

以上成果表明，信息技术通专融合实践教学框架有效促进了学生实践能力和计算思维的培养，使学生成为专业水平过硬、符合社会就业需要、具有团队合作意识及创新创业意识的复合型、应用型人才，从而提高了新工科和新文科时代人才培养的质量。

4  结束语

“中国大学生计算机设计大赛”项目的建设与实践，是中国人民大学开展全专业本科生计算思维和实践创新能力培养工作的有力抓手，并通过长期实践取得显著成效。在多年的探索与实践中，笔者认为，在新工科和新文科时代，学科竞赛是人才能力培养工作的重要载体，学科竞赛所涉及的能力训练涵盖了大学生人才培养体系尤其是实践教学体系的各个环节。通过组织学生参加大赛，有助于提高全专业学生的信息技术知识与技能，培养学生跨学科、综合应用学科知识解决问题的能力，使学生的研究能力和创新能力得到提高。以学科竞赛为着力点，将面向全专业学生的计算思维和创新实践能力培养与现有课程相融合，是探索计算思维培养模式的有益尝试，对于推进信息技术通专融合教育改革具有重大意义。

（致谢：本文的工作得到中国人民大学信息技术与管理国家级实验教学中心的支持。）

参考文献

[1] 教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知[A/OL].（2017-02-23）[2022-01-15].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

[2] “新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017（1），10-11.

[3] “新工科”建设行动路线（“天大行动”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[4] 新工科建设指南（“北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

[5] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[6] 王巨宏，刘婷婷，马东嫄，等.构建新经济下政产学研融合工程教育新生态[J].高等工程教育研究，2017（3）：27-30.

[7] 陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[8] 张大良.因时而动 返本开新 建设发展新工科：在工科优势高校新工科建设研讨会上的讲话[J].中国大学教学，2017（4）：4-9.

[9] 吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

*项目来源：第二批新工科研究与实践项目“面向新工科和新文科的以数据为中心信息技术通专融合教育改革与实践”（E-DSJ20201101）；中国高等教育学会高等教育科学研究“十三五”规划课题“新工科人才培养模式下高校实验室管理模式调研与探索”（2018SYSYB11）。

作者：武文娟，中国人民大学信息学院，工程师，博士，研究方向为计算机专业实验教学改革、实践创新能力培养、信息检索；周小明，中国人民大学信息学院，工程师，中国大学生计算机设计大赛组委会赛务委员会副秘书长，研究方向为计算机网络、云计算、虚拟化、区块链、深度学习与神经网络；刘永刚，中国人民大学信息学院，工程师，研究方向为实验室建设与管理；陈旺，中国人民大学信息学院，工程师，2021年中国人民大学博士在读，主要从事固定资产管理、SLAM相关研究；焦敏，中国人民大学信息学院，高级工程师，博士，研究方向为数据库、OLAP（100872）。