CS2013指導(dǎo)下的程序設(shè)計(jì)課程體系設(shè)計(jì)與精品資源共享課建設(shè)

蘇小紅　趙玲玲　王甜甜　張宏莉

摘 要：本文分析了CS2013及以往大綱發(fā)展變化的趨勢(shì)和脈絡(luò)，提取出程序設(shè)計(jì)課程相關(guān)知識(shí)領(lǐng)域和主題的體系設(shè)置、教學(xué)規(guī)劃、能力培養(yǎng)等核心內(nèi)容，突出編程實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力、問題求解和計(jì)算思維能力培養(yǎng)，結(jié)合國(guó)外一流大學(xué)的先進(jìn)教學(xué)理念、課程設(shè)置和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以已取得的教學(xué)成果為基礎(chǔ)，以CS2013為導(dǎo)向，對(duì)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后介紹了本校在程序設(shè)計(jì)課程群以及“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”國(guó)家級(jí)精品資源共享課建設(shè)中進(jìn)行的教學(xué)改革和取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計(jì)課程；CS2013；問題求解；計(jì)算思維；教學(xué)體系；教學(xué)改革

自1968年以來，ACM和IEEE相繼公布了國(guó)際性計(jì)算機(jī)學(xué)科教育領(lǐng)域的綱領(lǐng)性文件Curriculum 68、CS2001（Computer Science Curriculum 2001）和CS2008（Computer Science Curriculum 2008），迅速得到國(guó)內(nèi)外高等院校計(jì)算機(jī)教育行業(yè)的普遍認(rèn)可。CS2013（Computer Science Curriculum 2013）作為ACM/IEEE推出的第四部指導(dǎo)性大綱[1，2]，自醞釀之初便受到了高度關(guān)注，集合了眾多當(dāng)前全球計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域的靈魂人物，調(diào)研了全球201所院校，相繼發(fā)布了稻草人版本、鋼鐵人版本和最終版，成為2013年度計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域的標(biāo)志性事件。我國(guó)計(jì)算機(jī)高等教育領(lǐng)域的專家學(xué)者也紛紛結(jié)合我國(guó)的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育實(shí)踐對(duì)CS2013進(jìn)行了研究和探討。在CS2013中，程序設(shè)計(jì)課程相關(guān)知識(shí)、技能、應(yīng)用得到了持續(xù)的關(guān)注，同時(shí)，從與以往大綱的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)CS2013對(duì)程序設(shè)計(jì)課程提出了更新、更高、更廣的要求。

一、CS2013與程序設(shè)計(jì)課程

1.CS2013中的程序設(shè)計(jì)課程安排

CS2013中將計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)體系組織為18個(gè)知識(shí)領(lǐng)域。從各知識(shí)領(lǐng)域所涵蓋的知識(shí)單元來看，與程序設(shè)計(jì)課程相關(guān)的知識(shí)領(lǐng)域主要包括程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（Programming Languages，PL）和軟件開發(fā)基礎(chǔ)（Software Development Fundamentals，SDF），包括的知識(shí)單元和學(xué)時(shí)安排如表1所示。

表1中core（a，b）代表核心課程中有a 個(gè)Tier1級(jí)別學(xué)時(shí)，b個(gè)Tier2級(jí)別學(xué)時(shí)。Tier1級(jí)別的知識(shí)點(diǎn)要求100%的學(xué)生完成，Tier2級(jí)別要求80%～100%的學(xué)生完成。從表1可以看出，與程序設(shè)計(jì)相關(guān)的課程類型均為核心課，說明了程序設(shè)計(jì)課程在計(jì)算機(jī)科學(xué)體系中的重要程度。

2.程序設(shè)計(jì)課程在CS2013中的變化

CS2013將CS2001、CS2008中的編程基礎(chǔ)重新整合形成了新的知識(shí)領(lǐng)域——軟件開發(fā)基礎(chǔ)（Software Development Fundamentals，SDF），但是，二者有著明顯區(qū)別。編程基礎(chǔ)（Programming Fundamentals，PF）側(cè)重于在工業(yè)實(shí)踐中需求的編程技能，而軟件開發(fā)基礎(chǔ)關(guān)注整個(gè)軟件開發(fā)過程，更強(qiáng)調(diào)求解問題的方法、算法的基本思想等計(jì)算思維方面的知識(shí)和能力要求。從學(xué)時(shí)分配來看，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（Programming Language，PL）在所有計(jì)算機(jī)核心課程（見表2）中所占學(xué)時(shí)比率穩(wěn)定（圖1-a）。雖然程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程學(xué)時(shí)數(shù)所占絕對(duì)比率（圖1-b rate1）在CS2013中較CS2008略有降低，但考慮到CS2013中新增加了安全與信息保障、并行與分布式計(jì)算等新興領(lǐng)域的學(xué)時(shí)安排，因此其相對(duì)于既有課程的比率仍然有明顯提升（圖1-b rate2）。

二、國(guó)外一流大學(xué)程序設(shè)計(jì)課程現(xiàn)狀分析

為了構(gòu)建合理的程序設(shè)計(jì)課程體系，對(duì)國(guó)外多所著名院校的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程（以C/C++為主）進(jìn)行了分析。主要包括Practical Programming in C（麻省理工學(xué)院）、Effective Programming in C and UNIX（卡耐基·梅隆大學(xué)）、Introduction to C和C++ Programming（康奈兒大學(xué)）、Fundamentals of Computer Programming（南加州大學(xué)）、Introduction to Computer Programming（in C）（西北大學(xué)）、Introduction to C/Unix/CGI Programming（哈佛大學(xué)）等。

在教學(xué)內(nèi)容安排方面，上述課程涵蓋了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的基礎(chǔ)知識(shí)，與CS2013中的知識(shí)單元基本保持一致。同時(shí)，普遍關(guān)注了內(nèi)存管理、線程、編譯預(yù)處理、查找和排序算法等，這些擴(kuò)展知識(shí)與CS2013中的算法與設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)等知識(shí)單元相吻合。

在教學(xué)方式和方法方面，普遍采用課堂講授、現(xiàn)場(chǎng)編程演示、課下作業(yè)或?qū)嶒?yàn)與項(xiàng)目相結(jié)合的方式，設(shè)定了較大比例的實(shí)驗(yàn)、作業(yè)和項(xiàng)目，以保證學(xué)生的編程能力得到充分訓(xùn)練。

在作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目實(shí)踐等方面，強(qiáng)調(diào)鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)實(shí)際編程能力的訓(xùn)練，遵循循序漸進(jìn)的原則，要求學(xué)生從解決簡(jiǎn)單問題入手，逐步擴(kuò)展到解決實(shí)際問題。項(xiàng)目大多具有挑戰(zhàn)性，學(xué)生需花費(fèi)一定的課外時(shí)間來完成。

在學(xué)習(xí)效果考核方面，多采用復(fù)合型和階段式的考核方式，即成績(jī)中包含多個(gè)時(shí)間點(diǎn)和多個(gè)考查點(diǎn)。如編程作業(yè)、項(xiàng)目、論文、期中和期末的筆試等，重視對(duì)學(xué)生解決實(shí)際問題能力的考核，注重對(duì)學(xué)習(xí)過程的考核。

從調(diào)研結(jié)果中可以看出，調(diào)研的國(guó)外高等院校程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置多與CS2013相吻合。這些課程強(qiáng)調(diào)通過實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、項(xiàng)目來鍛煉學(xué)生的實(shí)際編程技能，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際問題出發(fā)，逐步求解，并對(duì)問題的求解過程進(jìn)行評(píng)估。

三、基于CS2013的程序設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1.CS2013指導(dǎo)下的課程培養(yǎng)目標(biāo)

通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生學(xué)會(huì)用計(jì)算機(jī)處理問題的思維方法，增強(qiáng)解決問題的編程實(shí)踐能力，為將來從事軟件開發(fā)及后繼課程的學(xué)習(xí)和解決工程實(shí)際問題、科學(xué)技術(shù)問題奠定基礎(chǔ)。

2.CS2013指導(dǎo)下的程序設(shè)計(jì)課程體系

面向不同對(duì)象和培養(yǎng)目標(biāo)，制訂了分類、分層次、系統(tǒng)化的程序設(shè)計(jì)課程群的教學(xué)體系。計(jì)算機(jī)專業(yè)和非計(jì)算機(jī)專業(yè)的課程體系分別如圖2和圖3所示。

3.CS2013指導(dǎo)下的程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)CS2013中對(duì)程序設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)領(lǐng)域和主題的規(guī)劃，結(jié)合我校實(shí)際，整體規(guī)劃適合我校計(jì)算機(jī)教學(xué)的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容，見表3。

4.CS2013指導(dǎo)下的學(xué)生能力培養(yǎng)方案

（1）強(qiáng)化編程實(shí)踐能力。CS2013更為強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的實(shí)際運(yùn)用，即如何在實(shí)際問題中利用掌握的知識(shí)進(jìn)行編程實(shí)踐，同時(shí)能夠?qū)Σ捎玫姆椒ā?shí)現(xiàn)過程、實(shí)現(xiàn)效果等多方面進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估，進(jìn)而合理選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)編程實(shí)踐能力的更深層次鍛煉。

（2）突出問題求解能力。CS2013中明確提出學(xué)生應(yīng)當(dāng)具備求解問題的技能，要求學(xué)生能夠?qū)⑸钪械膶?shí)際問題轉(zhuǎn)化為可以運(yùn)用已掌握的知識(shí)來予以求解的模型，進(jìn)行合理的假設(shè)和抽象，還要求學(xué)生對(duì)同一問題掌握多種求解方法。

（3）重視自主學(xué)習(xí)能力。將終身學(xué)習(xí)能力作為畢業(yè)生應(yīng)具備的專業(yè)素質(zhì)之一明確列入CS2013中。這種終身學(xué)習(xí)能力的需求來源于計(jì)算機(jī)學(xué)科的快速發(fā)展特性，從向?qū)W生傳授知識(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，最后使之形成終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣，是程序設(shè)計(jì)課程的重要任務(wù)。

（4）隱含計(jì)算思維能力。雖然在CS2013中沒有顯式地將計(jì)算思維能力培養(yǎng)列入其中[3]，但對(duì)問題求解技能的反復(fù)強(qiáng)調(diào)，對(duì)方法的選擇和計(jì)算代價(jià)的評(píng)估以及對(duì)封裝、抽象、系統(tǒng)級(jí)視角解決問題等思維方式的引入，都蘊(yùn)含了對(duì)計(jì)算思維能力的著力培養(yǎng)和強(qiáng)化。

四、國(guó)家級(jí)精品資源共享課建設(shè)

1.與國(guó)家精品課程的不同之處

我校“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程于2005年被評(píng)為省級(jí)精品課程，2006年被評(píng)為微軟精品課程，2007年被評(píng)為國(guó)家精品課程，2008年被評(píng)為國(guó)家雙語(yǔ)教學(xué)示范課程。為響應(yīng)教育部促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源共享和教育公平的號(hào)召，該課程于2013年轉(zhuǎn)型升級(jí)為國(guó)家級(jí)精品資源共享課立項(xiàng)項(xiàng)目，并于當(dāng)年10月在愛課程網(wǎng)（http：//www.icourses.cn）正式上線。

截至目前為止，課程在所有精品資源共享課人氣榜中一直保持在前十以內(nèi)的位置，說明該課程在學(xué)生中具有廣泛的認(rèn)可度。學(xué)生在課程答疑中的提問也比較踴躍，并對(duì)課程給予了較高評(píng)價(jià)。

與國(guó)家精品課程不同的是，國(guó)家級(jí)精品資源共享課更強(qiáng)調(diào)精品資源的共享以及師生之間的互動(dòng)。例如，學(xué)生注冊(cè)課程以后不僅可以瀏覽課程的所有資源，還可以與課程教師進(jìn)行互動(dòng)交流（包括課程答疑、學(xué)習(xí)筆記和課程評(píng)論等）。相對(duì)于評(píng)審專家的評(píng)價(jià)，它更注重的是社會(huì)和課程參與者的評(píng)價(jià)，也就是說不再是“一評(píng)定終身”。這種評(píng)價(jià)方法不但公平，而且能有效地避免課程評(píng)審?fù)旰缶筒辉倮^續(xù)建設(shè)的問題，給課程的可持續(xù)發(fā)展注入了不竭的動(dòng)力，并且學(xué)習(xí)者的積極參與也將給課程注入新的活力。

2.可持續(xù)的課程精品資源建設(shè)

國(guó)家級(jí)精品資源共享課的共享資源包括基本資源和拓展資源?；举Y源中除全程課程錄像外，還包括教學(xué)要求、教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、重點(diǎn)難點(diǎn)、教學(xué)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)考核、學(xué)習(xí)指南、演示文稿、例題、習(xí)題作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、教學(xué)案例、媒體素材、教學(xué)課件、學(xué)生作品、常見問題、名詞術(shù)語(yǔ)等完整的教學(xué)資源，這些都免費(fèi)提供給注冊(cè)用戶使用。拓展資源中包括試題庫(kù)、作業(yè)系統(tǒng)、考試系統(tǒng)等，供用戶選擇付費(fèi)使用。

在基本資源建設(shè)中，我們主要是持續(xù)建設(shè)了多套程序設(shè)計(jì)教材（詳見課程教材網(wǎng)站：http：//book.sunner.cn）。為了保持教學(xué)內(nèi)容的與時(shí)俱進(jìn)，我們平均每隔2～3年更新一次教材，并且對(duì)與教材配套的多媒體教學(xué)資源和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源進(jìn)行了同步更新。2013年，我們以CS2013為指導(dǎo)思想重新修訂了教學(xué)大綱和教材，在教學(xué)內(nèi)容中強(qiáng)化了CS2013新增的軟件開發(fā)基礎(chǔ)涉及的知識(shí)點(diǎn)，尤其強(qiáng)化了代碼風(fēng)格、防御式編程以及算法效率分析等內(nèi)容。

在拓展資源建設(shè)方面，為了支持課程的實(shí)踐教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生的編程實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力，歷經(jīng)10余年的不斷努力，我們建設(shè)了全方位、多元化的實(shí)踐教學(xué)支撐環(huán)境，覆蓋了課堂以外的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，如在線作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、答疑討論、機(jī)上考試、自動(dòng)閱卷等，支持學(xué)生線上學(xué)習(xí)。這些資源主要包括：

（1）基于Moodle的交互式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)[4]。該平臺(tái)主要用于在線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，為教師和學(xué)生之間搭建一個(gè)“教與學(xué)”的互動(dòng)平臺(tái)。

（2）C語(yǔ)言編程題自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)[5，6]。在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助下相繼開發(fā)研制了基于程序理解技術(shù)的編程題考試自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的C/S版和B/S版，主要用于C語(yǔ)言課程的上機(jī)考試和自動(dòng)閱卷，并具有考試全程監(jiān)控和防作弊功能。C/S版的系統(tǒng)自2004年開始使用，目前已被國(guó)內(nèi)100余所院校免費(fèi)試用。B/S版的系統(tǒng)自2012年開始使用，目前已有國(guó)內(nèi)4所高校購(gòu)買使用。

（3）C語(yǔ)言試卷和題庫(kù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持教師設(shè)計(jì)和管理作業(yè)、實(shí)驗(yàn)和考試題目。題庫(kù)中有二千余道不同類型的題目，題型包括單選、多選、判斷正誤、程序填空、普通編程、復(fù)雜編程、一般改錯(cuò)、附加改錯(cuò)。另外，系統(tǒng)還具有試卷管理功能，如答案模版自動(dòng)生成、測(cè)試用例自動(dòng)生成、抽題組卷、考試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、試卷查重等。目前，該系統(tǒng)已有國(guó)內(nèi)4所高校購(gòu)買使用。

（4）面向?qū)W生自主學(xué)習(xí)的作業(yè)在線測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在支持和鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真正做到“我的學(xué)習(xí)我做主”。教師只需設(shè)定學(xué)生每日完成作業(yè)的數(shù)量上限、題目的最長(zhǎng)完成時(shí)間等基本條件，其余如作業(yè)的內(nèi)容、作業(yè)的數(shù)量、完成時(shí)間、完成過程都由學(xué)生自主選擇和決定，培養(yǎng)學(xué)生自主規(guī)劃學(xué)習(xí)過程的良好習(xí)慣。此外，系統(tǒng)還引入了習(xí)題市場(chǎng)機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)題目并獲得積分，獲得積分后可以查看作業(yè)答案，同時(shí)還引入多種排名和相對(duì)分機(jī)制，鼓勵(lì)多勞多得，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。學(xué)生使用教材可通過書后的刮刮卡獲取該系統(tǒng)的免費(fèi)賬號(hào)在線測(cè)試書后習(xí)題。

3.以精品資源建設(shè)為支撐的教學(xué)改革

以上述精品資源為支撐，面向不同對(duì)象和培養(yǎng)目標(biāo)，以CS2013為指導(dǎo)，我們先后實(shí)施了一系列教學(xué)改革。

（1）教學(xué)方法改革。如圖5所示，其核心是培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，并在解決問題的實(shí)踐中培養(yǎng)計(jì)算思維，強(qiáng)化編程實(shí)踐能力。因此，在與時(shí)俱進(jìn)不斷更新教材的同時(shí)，教學(xué)中強(qiáng)調(diào)以生活中的實(shí)際問題和工程實(shí)際應(yīng)用為背景來選擇典型的教學(xué)案例，注重對(duì)教學(xué)內(nèi)容的組織，利用版本逐步升級(jí)的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)例，訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維和問題求解能力，使課堂講授從講授程序設(shè)計(jì)方法為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詥l(fā)學(xué)生的計(jì)算思維為主。同時(shí)將一些課內(nèi)學(xué)時(shí)遷移到課外，給學(xué)生更多的自主學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間，布置教材上的擴(kuò)展內(nèi)容讓學(xué)生在課外閱讀，并通過建設(shè)多種網(wǎng)絡(luò)資源和教輔系統(tǒng)完善實(shí)踐教學(xué)的保障體系，為學(xué)生提供一個(gè)有利于自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)，對(duì)學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)的效果進(jìn)行監(jiān)督和指導(dǎo)。

（2）成績(jī)?cè)u(píng)定方式改革。改革成績(jī)?cè)u(píng)定方法，建立以機(jī)試和能力測(cè)試為主的客觀評(píng)價(jià)體系。主要包括：改革作業(yè)和實(shí)驗(yàn)程序的成績(jī)?cè)u(píng)定方法，引入了相對(duì)分考核機(jī)制，打破了以往平時(shí)成績(jī)相當(dāng)于白送分的格局；借助于交互式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，改革作業(yè)和實(shí)驗(yàn)程序的評(píng)判方法；改革答疑的方法，從課堂答疑改為網(wǎng)絡(luò)在線答疑；利用作業(yè)在線測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生每天自主從題庫(kù)中隨機(jī)抽題限時(shí)完成作業(yè)，從以懲罰為主的程序查雷同“反抄襲”模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨膭?lì)為主的隨機(jī)作業(yè)“防抄襲”模式。

（3）考試方法改革。建立以機(jī)試自動(dòng)評(píng)分和實(shí)踐能力考核為主的多重累加式成績(jī)考核體系，如圖6所示。主要措施是：完全取消了卷面筆試，改為上機(jī)考試，利用C語(yǔ)言編程題考試自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)閱卷實(shí)時(shí)給出評(píng)分，更加客觀公正地考核學(xué)生的編程實(shí)踐能力，尤其是錯(cuò)誤程序的調(diào)試能力。

由于我們開發(fā)的幾個(gè)教輔系統(tǒng)經(jīng)過了多次版本升級(jí)，功能一直在不斷完善，因此上述教學(xué)改革也歷經(jīng)了10余年的時(shí)間，我們?cè)趯?shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)方案。目前在應(yīng)用于全校C語(yǔ)言公共基礎(chǔ)課的教學(xué)改革中取得了較好的實(shí)踐效果。2009年我們獲得了國(guó)家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，并于近幾年連續(xù)獲得多項(xiàng)省級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)和多項(xiàng)軟件著作權(quán)登記。

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[基金項(xiàng)目：教育部大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革項(xiàng)目（2-2-ZXM-01），黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（JG2013010260）]

[責(zé)任編輯：余大品]