0 引 言
发展战略性新兴产业已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略，也是引导未来经济社会发展的重要力量。早在2010年，新一代信息技术就已经明确列入中国的七大战略性新兴产业体系[1]，主要内容包括推动新一代移动通信以及下一代互联网核心设备和智能终端的研发及产业化，加快推进三网融合，促进物联网、云计算的研发和示范应用；大力发展数字虚拟技术，促进文化创意产业发展。此后，国家又将大数据、人工智能、区块链、元宇宙等技术纳入新一代信息技术中。
随着新一代信息技术的快速发展及其与各类专业不断交叉与融合，涌现了新工科、新文科、新医科和新农科“四新”专业体系。这些专业对新一代信息技术的需求有增无减。作为全体大学生的公共基础课程，大学计算机基础教学担负着为高校各专业培养满足信息化社会需求的高级人才的重要任务，也是培养跨学科、综合型人才的重要环节，其与当代大学生个人素质有密切关系。
传统的以“单计算机”和“工具应用”为主线的大学计算机实践体系和内容已经很难适应学生的专业发展需要。一方面，现行的大学计算机基础课程的实践内容以认知和验证性为主，实验内容的深度和广度不足，结合项目实际的设计型和创新型实验很少；另一方面，随着新一代信息技术的快速发展，条形码、一卡通、人脸识别、语音导航、自动翻译、智能驾驶等已经深入人们生活的方方面面，但支撑大学计算机基础课程的实验环境和实验手段还不能紧跟新一代信息技术发展需求，难以支撑大学生利用物联网、大数据、人工智能等信息化手段解决实际问题。
在新的历史条件下，“大学计算机实践体系如何契合专业需求、实践内容如何融合新兴技术”面临巨大挑战，迫切需要将新一代信息技术融入大学计算机基础课程的实践体系和内容中，为培养非计算机专业学生的计算思维[2]、全新的信息素养[3]和“互联网+”应用能力提供全方位支撑。
1 新一代信息技术驱动的大学计算机实践体系
传统的大学计算机基础课程还没有脱离“工具应用”为主的实践模式，对新一代信息技术的内容很少涉及。在新形势下，大学计算机基础教学需要超越传统意义上将计算机作为工具使用的教学目标，迫切需要将人工智能、大数据、物联网、区块链等新一代信息技术融入对计算系统的理解和融合应用能力培养中，并实现技术赋能和具备较好的计算思维。也就是说，将计算思维培养建立在对知识理解、应用能力培养、信息素养培养等具体教学目标基础上，其中，新一代信息技术赋能就是实现信息素养培养目标的重要途径[4]。
大学计算机作为大学生的第一门信息类基础课程，不仅需要培养学生的计算思维与信息素养能力，让学生了解和掌握如何充分利用计算机技术，对现实世界中的问题进行抽象和形式化，达到求解问题的目的；而且需要注重可持续发展的计算机应用能力培养，强调在分析问题和解决问题时培养终身学习的能力，从而拓宽学生思维维度，增强学生利用信息技术进行沟通、交流和表达的能力。因此，在新一代信息技术的驱动下，大学计算机基础教学的能力培养目标主要包括以下几方面。
（1）计算系统的认知和理解能力。认知计算机系统的基本组织与结构，理解各类信息在计算机中的表现形式，理解计算系统的工作原理。
（2）面向问题求解的分析和设计能力。理解计算机分析问题、解决问题的基本方法，包括数据组织、算法策略、程序设计的基本方法；具备问题抽象、分析以及应用计算机软件进行问题求解的基本能力。
（3）新一代信息技术的融合应用能力。理解人工智能、大数据、物联网、区块链等新一代信息技术在各类专业中的典型应用场景，能够根据专业需求融合新一代信息技术，解决专业的实际问题。
（4）信息分析与综合评价能力。了解新一代信息技术对社会治理和产业变革的推动作用；能够运用信息技术工具有效地对信息进行获取、分析、评价和发布；具有信息安全和隐私保护意识，能够遵循信息社会的行为与道德规范。
（5）网络交流与持续发展能力。能够熟练运用信息网络、社交平台和软件系统有效表达思想，彼此传播信息、沟通知识与经验，进行合作交流，学习新知识和新技术，适应互联网时代的职业发展需要。
支撑上述五大能力培养目标的三层次内容递进的、五模式实践方法的新时代大学计算机实践体系如图1所示，该体系通过构建“认知、设计和创新”的三层次实践内容和采用“五模式”实践方法，为五大能力培养目标提供支撑。
计算系统的认知和理解能力主要通过认知型实验支撑；面向问题求解的分析和设计能力主要通过认知型实验和设计型实验支撑；新一代信息技术的融合应用能力主要通过设计型实验和创新型实验支撑；信息分析与评价能力主要通过设计型实验支撑；网络交流与持续发展能力主要通过认知型实验和创新型实验支撑。
在实践方法方面，认知型实验主要采用虚拟仿真、工具应用、数据分析等方法实现；设计型实验主要采用工具应用、平台应用、软件编程、数据分析等方法实现；创新型实验主要采用平台应用、数据分析、软件编程等方法实现。
2 三梯度能力递进的实践教学内容
理论教学与实践教学相辅相成，相互促进，因此在构建大学计算机基础课程的实践内容时，也需要遵循能力递进培养的理论教学思想。为此，将大学计算机基础课程的实践内容分为3个层次，即认知型实验、设计型实验和创新型实验。
首先，在使用计算机解决问题的过程中，学生需要对计算机的基本知识有一些基本的认知，围绕这个目标构建的实验就是认知型实验；其次，在此基础上，通过设计型实验引导学生能够利用计算机解决实际的问题，解决的方法是已有的成熟的方案；最后，创新型实验则进一步递进，能够对解决的问题进行进一步的探索和创新，运用一些创新型的方法和思路解决问题。
1）认知型实验。
认知型实验主要包括认知和理解计算机软、硬件的基础知识；了解常用工具软件并能够使用工具软件处理日常事务；认知和理解计算机处理数据或大数据的基础知识，云计算、物联网、人工智能的基础知识；认知和理解信息化社会中的相关法律与道德规范并能遵守。
2）设计型实验。
设计型实验主要包括通过建模、编程以及应用软件包（或库）解决已知问题的实验。在程序设计方面，能够编写满足需求、质量优良的程序；在数据分析方面，能够使用计算机进行数据收集、清理、分析、呈现等，能够使用数据库系统等工具对信息进行管理与利用；在网络与互联网方面，能够通过网络获取信息、分析信息、应用信息；在专业结合方面，能够模拟专业领域问题，通过编程和平台应用解决实际问题；在团队协作方面，能够与团队成员交流表达、相互协作。
3）创新型实验。
创新型实验主要是指利用计算机技术对一些不确定的问题进行自主的探索和创新，对非计算机专业而言，创新型实验一般是指使用计算机技术解决、探索专业领域的问题，包括但不限于：综合运用计算机技术设计、开发跨专业领域的应用系统；运用经典算法针对具体应用提出改进算法；在跨平台上开发移动应用，利用物联网进行数据采集，利用云计算和分布式数据库进行数据存储和分析；利用大数据和人工智能技术进行数据深度分析、智能处理、反馈控制等，利用AR、VR等技术构建专业领域内的虚拟仿真实验。
3 五模式差异化的实践教学方法
在能力的培养过程中，重点是做到知识的活化。在知识活化的过程中，需要根据各个高校及其网络平台现有实验环境和实现手段选择合适的实践方法。对于展示计算机工作原理、网络通信原理等实验，可以重点通过虚拟仿真环境进行实践；对于不同难度的应用问题，可以采用软件编程、网络平台等方法进行实践。
在“认知、设计和创新”3个层次递进的实践内容基础上，使用基于工具的设计与应用、基于平台的设计与应用、基于程序的设计与开发、基于数据的分析与应用、基于虚拟仿真的认知与实践5种实践教学方式达成学生的5种能力培养要求。
1）基于工具的设计与应用（工具应用）。
工具使用包含认知和应用两个方面。在认知方面，应该了解常用的工具软件，如电子表格软件、文档编辑软件、系统维护软件、网络软件、多媒体处理软件等。除了这些通用软件，根据专业背景，应该对本专业常用的软件有所了解。在应用方面，应该具有使用通用软件处理电子表格，编辑复杂文档，维护系统，管理网络及安全，处理音频、图像和视频的能力；以及熟练使用本专业工具软件的能力。工具软件的合理使用往往可以极大地提高工作效率，达到事半功倍的效果，但工具软件种类繁多，掌握乃至精通一种工具软件需要大量实践的投入。建议应将重点放在日常学习必需的少量通用工具软件和专业软件上，对其余的软件应重点了解该软件能解决什么问题、不能解决什么问题以及主要使用场合的基本内容即可。
2） 基于平台的设计与应用（平台应用）。
这里的平台并不是指通用的软硬件平台（如Windows或Android平台等），而是指大的互联网或软件公司提供的应用开发平台或中间件。这些平台提供低代码开发能力，可以快速构建应用，如问卷调查与分析平台、大数据管理和可视化平台、云计算虚拟化平台、云存储平台、
分类和视觉认知平台等。
基于平台的设计与应用是指利用现有平台提供的编程接口和数据进行软件的设计和开发，如利用地图接口、机器学习平台、视觉分析平台、自动机器人等进行的应用设计与开发。在进行基于平台的开发与设计的实践教学时，应注意产教融合，充分利用平台公司提供的实践教学资源。
3）基于程序的设计与开发（软件编程）。
程序设计是计算机实践中的基础内容同时也是核心内容。程序设计能力的高低直接决定了计算机应用能力的高低。在程序设计的实践能力方面，应该具有程序设计的基本能力，能够熟练运用面向过程或者面向对象的方法编制模块化的程序；编制可视化的程序；使用程序库求解问题。在创新能力上，熟悉人工智能算法，能够编制智能化程序；熟悉移动领域的架构，能够编制移动APP等。
4）基于数据的分析与应用（数据分析）。
当今社会是信息和数据为中心的社会，能够使用计算机处理数据，进行数据分析是重要的实践内容。在认知能力方面，应该对数据分析、大数据分析的方法与工具有着基本的认知。在设计能力方面，能够使用数据库存储数据，能够使用SQL语言操纵数据库，会基本的数据分析方法，能够以适当的方式呈现数据分析结果。在创新能力方面，能够进行大数据分析，如在物联网平台分析数据、操纵和使用分布式数据库等。
5）基于虚拟仿真的认知与实践（虚拟仿真）。
有些实验本身很难通过软件编程、工具应用、平台应用、数据分析等开展实体实验。对应这类实验，通过动画、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等进行展示，将一个系统的微观运行过程进行全景呈现，从而加强学生对相关系统的工作原理的认知和理解，如计算机系统的工作原理、计算机网络的数据传输过程等实验。在设计这类实验的过程中，不仅要熟悉计算机输入输出接口，熟悉数模转换，熟练使用行业通用软件，而且要运用已有仿真软件或者结合程序设计，开发基于AR或者VR技术的虚拟仿真系统。
在进行虚拟仿真实验的过程中，应该关注两个方面的内容：交互方式和过程控制。好的交互方式可以提高学生对实验原理的理解，提高真实感受；好的过程控制可以更加清晰地展示实验系统的工作过程，出现更加有真实感受的输出结果。
4 大学计算机基础课程的实验案例
为了推进大学计算机实践体系的落地实施，从信息与社会、平台与计算、程序与算法、数据与智能4个维度构建了“大学计算机：计算思维与新一代信息技术”基础通识课程，该课程与时俱进，将新一代信息技术融入大学计算机基础课程体系和教学内容中，在培养学生计算思维能力的同时，促进物联网、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术在大学中的普及，为培养学生的“互联网+”应用技能提供支撑。该课程的具体目标设置如下。
课程目标1：理解信息系统的信息表示方法和中文字符的编码规则，能够对中英文点阵字符进行数字化编码；理解信息技术与法律的关系，能够关注信息系统的安全和隐私风险。
课程目标2：理解计算机系统的基本组成和工作原理，能够利用计算机硬件和软件组装一个计算机系统。
课程目标3：理解不同程序语言的优缺点，能够根据需要选择合适的程序语言和编程环境；掌握程序语言（如Python）的基本语法，能够利用程序语言对简单的实际问题进行求解。
课程目标4：理解计算机网络协议的作用及其局限性，并能够使用网络协议开展网络管理，进行网络资源共享和应用。
课程目标5：理解物联网的概念与特征，掌握一维条形码EAN-13的编码规则和二维码支付原理及过程，能够用程序语言实现EAN-13编码。
课程目标6：理解关系数据库和云数据存储的特点和区别，能够利用一种聚类算法进行数据分析；能够使用问卷网站、电子表格进行数据采集和分析，利用程序语言进行数据可视化；知晓人工智能的概念，理解人工智能技术及其典型应用，能够利用机器学习平台开展
分类。
根据课程目标，在实践环节将Python语言贯穿始终，通过大量编程实例强化学生计算思维能力培养，增强学生对新一代信息技术的理解能力，具体设计了16个实验案例（表1）。这些案例分为认知、设计和创新3个层次。在每个案例中，根据实验内容，给出了采用的实验方法和实验的基本要求。
不同专业可以根据专业特点进行选择，其中，通过虚拟仿真开展计算机的工作原理、计算机网络的数据封装等实验；通过平台应用开展二维条形码生成及其应用、调查问卷设计与分析、手写字体识别等实验；通过数据分析开展数据聚类算法、空间位置数据可视化等实验；通过工具应用开展电子邮箱、数据库系统、Python语言环境实验；通过软件编程开展中文字形编码、一维条形码、贪吃蛇游戏、分形图等实验。
5 结 语
新一代信息技术驱动的大学计算机课程实践模式与方法是在新工科背景下进行的面向全体大学生开展的基础课程教学改革，该模式与方法对于提高全体大学生的计算思维和“互联网+”应用能力具有重要支撑作用，其中，三梯度递进的实验内容符合与时俱进的教育理念，可循序渐进地提升学生的实践能力；五差异化的实验方法契合不同专业的差异化需求，可提高学生参与实践的积极性和主动性。在今后的教学中，将不断补充新的实践教学内容与实践案例，进一步完善该实践模式，以便为各个高校开展计算机基础课程的实验教学提供参考。
参考文献：
[1] 中华人民共和国中央人民政府. 国务院通过加快培育和发展战略性新兴产业的决定[EB/OL]. (2010-09-08)[2022-09-21].
http://www.gov.cn/ldhd/2010-09/08/content_1698604.htm.
[2] 蒋宗礼. 计算思维之我见[J]. 中国大学教学, 2013(9): 5-10.
[3] 桂小林. 大学计算机: 计算思维与新一代信息技术[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2022.
[4] 桂小林. 面向四新专业的大学计算机通识课程改革思路探索[R]. 西安: 2021年中国计算机学会软件教育年会, 2021.
基金项目：教育部新文科研究与改革实践项目“信息技术赋能的新文科通识交叉型课程体系与教材建设”（2021070072）；陕西省教学改革项目“面向‘四新’专业的大学计算机通识课程改革研究”（21BY001）；教育部新工科研究与改革实践项目“面向赋能教育的大学计算机课程改革”（E-JSJRJ20201344）；西安交通大学教改项目（2008Z）。
作者简介：桂小林，男，西安交通大学教授，计算机教学实验中心主任，教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会秘书长，研究方向为智能教育及计算机类专业课程教学研究，xlgui@mail.xjtu.edu.cn。
引文格式：桂小林. 新一代信息技术驱动的大学计算机实践体系与方法 [J].计算机教育,2023(1):1-7.
转自：“计算机教育”微信公众号
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