与专业融合的大学计算机实验教学改革与实践

刘锴　蓝集明　吴亚东　成新文　廖婉婷

［摘 要］针对大学计算机课程实验教学内容与高校特色专业结合度不够、针对性不强的痛点，文章以四川轻化工大学的教学改革与实践为例，提出了一种基于“向日葵”模型的与专业融合的实验教学方案，并介绍了实验教学的内容及组织实施情况，展示了专业融合教学的效果。

［关键词］大学计算机；实验教学；赋能教育；OBE理念

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）15-0058-05

当今社会，计算机技术已融入人们日常学习、工作、生活的各个领域。拥有获取信息、处理信息和使用信息的能力，已成为对现代人基本生存能力的要求。各专业的大学生都必须适应当今社会的这一基本要求，除了必须具备计算思维能力，还要能够使用计算机解决自己专业领域的各类复杂问题。当前，国内一些高校的大学计算机课程面临的核心问题是，各专业迫切需要新一代信息技术赋能专业建设，而目前大学计算机课程还没有达到各专业期望的“赋能”目标。新时代大学计算机课程的基本任务是，融合新一代信息技术（如物联网、云计算、大数据和人工智能等），根据专业差异化需求，实现目标导向的新时代“专业+计算”的赋能教育[1]，即以学生为中心、以产出为导向。

一、课程与校情分析

（一）课程基本情况

大学计算机课程是面向非计算机专业大一学生开设的第一门系统介绍信息技术的公共基础必修课程，同时也是许多专业的学生进一步学习计算机高级语言程序设计、软件技术基础等课程的前导课程，是一门理论性和实践性并重的课程。课程内容涉及计算机领域众多的基本概念、基本原理、基本方法和基本技能，旨在培养当代大学生在信息社会正常工作、学习和生活应该具备的基本素养。

本课程以计算思维为主线贯穿始终[2]，包括理论课和实验课两部分。理论课侧重于计算机理论知识的讲解，培养学生的理论素养；实验课则侧重于实际的动手操作，培养学生的操作技能。目前，部分高校，特别是一般本科院校，在大学计算机实验教学中，主要讲授的是办公自动化软件的操作，以满足相关专业毕业论文长文档的排版、学术汇报以及专业数据分析与处理等需求，但普遍存在与专业结合不够的问题，部分教师的教学只停留在基本的操作上，只介绍软件本身的功能，缺乏真实、具体的应用案例。办公自动化软件本身就是一种面向各种应用的通用软件，完全可以与不同专业的需求相融合。比如其中的电子表格处理工具，不仅可以应用于管理、财务和金融领域，也可以应用于工程分析计算，如解代数方程、用曲线拟合数据集、数据统计分析、开展工程经济分析研究以及求解复杂的最优化问题等[3]。身处大数据时代，许多专业的学生都面临着数据采集、整理、分析和判断的任务，需要从大量数据中找出内在规律、预测发展趋势，电子表格处理软件将是一个非常有用的工具。为此，教师可以在实验教学中加大电子表格处理软件的教学比重，将其作为本课程与各专业融合的一个重要切入点。

（二） 学校基本情况

四川轻化工大学（以下简称我校）是一所“三线建设”时期西迁的本科高校，于1965年响应毛主席号召、经周总理批示，将原华东化工学院（现华东理工大学）的部分保密专业西迁至四川自贡市，组建华东化工学院西南分院，对外称之为“652工程”。我校继承了“652工程”的“轻工”和“化工”基因，被业界誉为“中国白酒人才培养的摇篮”。基于我校“建设特色鲜明、优势突出的高水平综合性大学”的办学定位，以及培养“基础扎实、具有创新精神和实践能力的高素质应用型人才”的要求，本课程的总体教学目标定为能够理解计算学科的基本知识和方法，初步具备运用计算机技术分析解决专业问题的能力，同时具有一定的计算思维能力和信息素养。

但是，就大学计算机实验课程而言，目前适合我校特色专业需求、可借鉴的国内外相关教学内容和方法并不多见。随着我校越来越多的专业需要进行基于OBE（成果导向教育）理念的中国工程教育专业认证，各个专业的教学环节都需要支撑毕业要求观测点，这对大学计算机课程提出了新的更高的要求[4]。例如酿酒工程专业对本课程的要求是掌握酿酒工程专业及其行业和领域内的常用现代仪器设备和先进的信息技术工具，能够选择、使用和开发先进的技术和工具对酿酒工程行业和领域的复杂工程问题进行预测、模拟和分析，并能够理解其局限性[5]。如何将这些要求落实到具体的教学环节中，已成为我校本课程教学必须面对的一个难题。高等学校的计算机基础教育必须进一步同其他各个学科专业交叉融合，提高学生利用信息技术解决专业领域问题的能力[6]。

二、基于“向日葵”模型的与专业融合的大学计算机实验教学设计

（一）“向日葵”模型介绍

在本课程的实验教学中，教学团队设计了基于“向日葵”模型的与专业融合的框架结构（见图 1），将各专业学生都应该学习和掌握的大学计算机公共基础内容作为模型的主体，在此基础之上，再针对相关专业，特别是特色专业，精心设计教学案例来构成“向日葵”模型的花瓣。对于大学计算机公共基础的内容，我们采用了虚实结合、课内与课外结合、线上与线下结合的方式来完成教学；而对于“向日葵”模型的花瓣，则根据各专业的需求，选取相应的典型案例进行实验。我校大学计算机实验教学的内容概要见图 2。

（二）专业融合实验简介

与相关专业融合的综合实验主要依托电子表格、金山表单、问卷星和DataEase等随手可得的一些国产数据处理工具来实现。实验内容主要是针对我校一些特色专业和有代表性的专业安排的一些典型的应用案例。

针对酿酒工程专业，安排了酿酒数据处理与分析综合实验。该实验通过对葡萄酒品尝评分、葡萄酒质量等数据进行综合分析（见图 3、图 4），让学生熟练掌握使用电子表格进行模拟分析和运算以及对数据进行清洗、复杂统计和工程分析的基本技能[7]231-250。

针对经济学类专业，安排了GDP（国内生产总值）和EOQ（经济订货批量）数据处理与分析的综合实验[7]216-230，将网頁数据导入、常用函数、合并计算和三种模拟分析工具（单变量求解、模拟运算表和方案管理器）融入处理2017—2019年国内各省GDP数据和企业采购管理人员EOQ的数据分析和决策辅助两个案例中。图 5为其实验结果的截图。

针对会计学类专业，安排了电子表格在会计凭证、会计账簿、会计报表、会计核算、工资核算、应收账款管理、固定资产管理、财务管理、财务分析等方面的实验。

针对人力资源类专业，安排了电子表格在绩效评估与分析管理、薪酬福利管理、人事信息数据统计分析方面的实验，以及利用金山统计表单设计问卷调查表收集新冠疫情期间健康数据的实验。基于开源数据可视化工具DataEase的实验等，并鼓励学生后续使用IBM SPSS和Amos等软件进行相关的数据分析。

针对化工、材料类专业，由于无机化学、分析化学、物理化学、结构化学、化工基础等课程的学习会涉及大量的数据处理问题，这些问题包括简单的计算、标准曲线的拟合、实验曲线的拟合、根据化学公式绘制曲线、解数学方程等[8]，为此，教学团队安排了利用电子表格计算液体流动时间段的平均浓度、对醇类物质的温度和饱和蒸气压数据进行数据拟合，以及化工管道设计中单变量规划求解、化工最优化问题的规划求解等实验。

三、实验教学的组织实施情况

（一）教学进度

我校大学计算机实验教学每周安排一次课内实验，每次课内实验2个学时，总计课内实验16学时，其中所有专业都需要完成的公共基础实验占10学时，各专业根据自身特点自行选择的、与专业融合的综合实验占6学时。课外实验由学生利用平时的碎片化时间自行安排完成。具体的学时安排见图2。

（二）教学方式

我校大学计算机实验教学采用课内与课外、线上和线下相结合的方式。所有课内实验均采用线下教学方式。课内实验主要由学生在实验课上当堂完成，但由于每次实验的内容较多，大多数学生无法在课内保质保量地完成所有任务，需要课后继续完成，即以课内与课外相结合的方式完成。课外实验中的“字符编码与信息交换”“一条指令的执行过程”和“文件管理与磁盘恢复”借助了中国大学MOOC（慕课）平台上李凤霞教授的虚拟实验内容，学生可在线上完成；借助虚拟机软件VMware安装国产操作系统UOS并进行相应设置的实验线下完成。

另外，每位教师在课堂上需指导30～40名学生的实验操作，因为时间和精力的关系，无法保证每位学生在课堂上都能得到教师悉心的指导。为此，教学团队为所有实验内容录制了相应的操作演示视频上传至MOOC平台，学生可以通过扫描教材上的二维码，随时随地从网上获取实验指导，从而提高了教学效果。利用MOOC平臺，教师还可以很方便地发布一些信息技术在不同专业中的应用案例、补充实验内容、展开讨论等，让不同专业的学生切实感受到信息技术对自身专业的重要作用。

四、实验教学的效果与改进方向

（一）教学效果

自2006年以来，我校一直在期末考试中采用长沙鸿翔教育科技有限公司开发的无忧机考系统。在题库基本相同并参照全国计算机二级等级考试Office的难度，即难度系数也基本相同的情况下，以随机抽题的方式生成试卷。近5年来，学生机考卷面平均分呈逐年上升趋势，特别是在2019级开始试点并在2021级正式全面推行与专业融合的大学计算机实验教学改革后，学生的学习成绩有了明显的提高（见图 6）。为了弄清我校新生在学习本门课程前后的真实水平变化，教学团队曾对2019级刚进校的新生进行了一次计算机水平入学摸底考试。通过比较2019级入学考试和期末考试的卷面成绩分布情况以及分析学生试卷得分情况可见，学生在接受了与专业融合的实验教学之后，动手能力、操作水平、综合应用和解决问题的能力有了明显的提升。更重要的是，本教学改革确实培养了学生学习计算机知识和专业知识的兴趣，为学生将来有意识地借助计算机工具解决自身专业领域的问题打下了坚实的基础，实现了为学生专业赋能的目标。尤其是近年来，很多学生开始在国家级的各类信息大赛中崭露头角，获得各种等级的奖项。本课程也被四川省教育厅认定为2022年省级一流线上线下混合式本科课程和2020年高等学校首批省级“课程思政”示范课程，并获得了各级各类教改项目的支持。

（二）改进方向

由于本课程面向的是刚入校的新生，他们刚刚开始学习基础课程，还没有掌握专业课程的知识，因此在本课程中讲授专业领域复杂工程问题的计算并不现实。为此，在这个阶段只能在实验教学中适当引入一些与专业相关而又不需要过多专业知识的简单案例，以培养学生兴趣，让学生感受到计算机与其专业学习的相关性，从而重视本课程的学习。待学生在高年级学习了相关专业知识后，再开设计算机在材料科学与工程中的应用、计算机在化学化工中的应用、计算机在食品工程中的应用、电子表格在会计和财务中的应用之类的课程供各专业学生选修，最终实现计算机与专业深度交叉融合的目标。

可见，要想在一门课程中完全实现计算机与专业的深度融合是不可能的，需要构建一个科学合理的大学计算机基础课程体系。教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会编制的《大学计算机基础课程教学基本要求》为大学计算机基础课程体系的构建指明了改进方向。在《大学计算机基础课程教学基本要求》中，考虑到各专业应用计算机的特点、差异和学时限制，提出了“1+Ｘ”的课程方案，即１门大学计算机基础（必修）加上几门重点课程（必修或选修）；针对文科类专业计算机应用的特点，又提出了“１+Ｘ+Ｙ”的课程体系方案，“１”为计算机公共基础课程（大公共课程），“Ｘ”为面向不同文科专业类别的专业基础课程（小公共课程），“Ｙ”为具有计算机背景的专业课程；还提出了构建“宽专融”的课程体系[9]。

五、结语

为了更好地对非计算机专业学生进行信息技术赋能，教学团队对大学计算机实验教学进行了大力改革，探索了与特色专业和代表性专业相融合的教学内容，设计了相关教学案例。本教学改革取得了很好的效果，为后续“专业+计算”的课程奠定了坚实的基础。展望未来，教学团队还将在此基础之上调研更多专业对信息技术的需求，设计出更多的专业融合计算机实验教学案例，进一步完善与专业融合的“向日葵”模型，让信息技术为专业赋能，让大学计算机课程焕发出新的活力。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 桂小林，何钦铭，王移芝，等. 新一代信息技术赋能的大学计算机课程体系与内容改革[J]. 计算机教育， 2022（11）： 20-24.

[2］ 蓝集明，吴亚东. 大学计算机[M].北京：高等教育出版社，2020.

[3] 戈特弗里德. Excel 2016常见工程应用：第4版[M].张鼎，译. 北京：清华大学出版社，2020：1-9.

[4］ 陈道群，周向阳，彭文艺，等.基于OBE的计算机技术基础教学改革[J].大学教育， 2022（2）：119-121.

[5］ 赵兴秀，李东，赵志峰. 2022级酿酒工程专业培养方案[EB/OL].（2022-06-22）[2023-02-04].https：//sgxy.suse.edu.cn/p/0/？StId=st_app_news_i_x637932205

298748819.

[6］ 陈国良. 中国高校计算机教育发展史[M]. 北京：高等教育出版社，2022：143.

[7］ 蓝集明，吴亚东.大学计算机实验[M].北京：高等教育出版社，2020.

[8］ 黄兆龙.计算机在化学中的应用[M].四川：西南交通大学出版社，2017：165.

[9］ 教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会.大学计算机基础课程教学基本要求[M].北京：高等教育出版社，2016：21-24.

［责任编辑：周侯辰］