高校程序設(shè)計(jì)課程的分層教學(xué)研究與實(shí)踐

傅川　羅杰　趙鳴

摘 要： 在充分調(diào)研目前計(jì)算機(jī)專業(yè)程序設(shè)計(jì)課程中諸多教與學(xué)的不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于實(shí)際教學(xué)的分層教學(xué)模式，即啟蒙-進(jìn)階-提高銜接-拔優(yōu)四個(gè)層次，同時(shí)評(píng)價(jià)其效果。分層教學(xué)模式有效地激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了專業(yè)課程間的連貫性，發(fā)揮了程序設(shè)計(jì)在各課程間的聚核作用。程序設(shè)計(jì)能力訓(xùn)練的自動(dòng)評(píng)測(cè)系統(tǒng)最大程度地解放了老師的機(jī)械批改工作。有效的分層教學(xué)模式體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，提高了學(xué)生整體的程序設(shè)計(jì)能力和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞： 分層教學(xué)； 自動(dòng)評(píng)測(cè)系統(tǒng)； 程序設(shè)計(jì)； 以學(xué)生為中心

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）11-90-03

Abstract： On the basis of full investigation of many of the lack in current teaching and learning of computer programming course， a hierarchical teaching mode is proposed based on the teaching practice， namely the enlightening， advancing， improving and excellence selecting four levels， and its effect is evaluated. The hierarchical teaching mode can effectively stimulate students' professional learning interest， enhance the coherence between the professional courses， make computer programming course to play an aggregation role in between the various courses. The automatic evaluation system of programming ability training maximizes the liberation of the teacher's workload of mechanical correction. The hierarchical teaching mode reflects the student-centered teaching idea， improves the students' programming ability and social competitiveness.

Key words： hierarchical teaching mode； automatic evaluation system； programming language； student-centered

0 引言

信息社會(huì)的高速發(fā)展，軟硬件產(chǎn)品及服務(wù)的朝夕瞬變，使高素質(zhì)程序設(shè)計(jì)人才需求與日劇增，高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)也時(shí)刻面臨更新更高的要求。在計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)體系中，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程具有啟蒙、銜接和聚核的作用。對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中貫穿閱讀判斷、分析思考、抽象表達(dá)、綜合創(chuàng)造等多項(xiàng)技能[1]。因此，如何提高大學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力一直是計(jì)算機(jī)專業(yè)教師研究和考慮的問(wèn)題。

1 現(xiàn)狀分析

基于多年的程序設(shè)計(jì)課程教授經(jīng)歷，我們歸納總結(jié)了大學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)和訓(xùn)練方面存在的一些問(wèn)題或不足。

⑴ 實(shí)踐環(huán)節(jié)時(shí)間太少。

⑵ 傳統(tǒng)教學(xué)手段不適合程序設(shè)計(jì)課程，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)。

⑶ 教師人工判題評(píng)閱課后作業(yè)、上機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及試卷的負(fù)擔(dān)沉重，而且對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)時(shí)效性差，學(xué)習(xí)效果受到影響。

⑷ 相關(guān)課程多但課程之間聯(lián)系少。

⑸ 目前的學(xué)生課程評(píng)價(jià)體系不夠完善。

2 具體改革內(nèi)容

著名的教育學(xué)家Gagné R.M說(shuō)過(guò)：“教育的中心目標(biāo)就是教會(huì)人們思考，運(yùn)用他們的理性，成為更好的問(wèn)題解決者[2]。”針對(duì)以上的不足點(diǎn)，結(jié)合目前我校計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)規(guī)劃和學(xué)生不同階段程序設(shè)計(jì)能力特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下層次教育模式，并初見(jiàn)成效。

2.1 層次化教育模式

啟蒙層次（第一學(xué)期）：目標(biāo)是使一年級(jí)的學(xué)生具備基本的程序設(shè)計(jì)能力，掌握一些基礎(chǔ)算法，知曉如何編寫(xiě)程序解決一些生活和科學(xué)的問(wèn)題。

進(jìn)階層次（第二學(xué)期，第三學(xué)期，第四學(xué)期）：目標(biāo)是通過(guò)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的銜接和滲透，讓學(xué)生理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算思維，引導(dǎo)解決綜合型系統(tǒng)級(jí)別的應(yīng)用型問(wèn)題。

銜接層次（第五學(xué)期，小學(xué)期實(shí)踐）：目標(biāo)通過(guò)與軟件工程課程的銜接和滲透，培養(yǎng)學(xué)生的綜合程序設(shè)計(jì)能力，讓學(xué)生具有利用程序解決綜合性問(wèn)題的能力。

拔優(yōu)層次（二年級(jí)，三年級(jí)）：目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。從對(duì)程序設(shè)計(jì)感興趣的學(xué)生中選拔出一批算法運(yùn)用設(shè)計(jì)能力較強(qiáng)的學(xué)生，進(jìn)行ACM競(jìng)賽訓(xùn)練，以及更高級(jí)算法的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，培養(yǎng)出一批具有榜樣作用的創(chuàng)新人才。

2.2 程序在線評(píng)測(cè)激勵(lì)系統(tǒng)及其模式的建立

培養(yǎng)程序設(shè)計(jì)能力的關(guān)鍵是動(dòng)手編程實(shí)踐，一般程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)課與理論課的比例是1：1，從教學(xué)安排上，實(shí)踐類(lèi)課時(shí)已經(jīng)很多了，但是僅靠課時(shí)要真正掌握好一門(mén)程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。雖然絕大部分學(xué)生都較重視理論課的學(xué)習(xí)，但課內(nèi)實(shí)驗(yàn)就不那么理想了。

根據(jù)實(shí)際教學(xué)的情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了程序在線評(píng)測(cè)激勵(lì)系統(tǒng)化訓(xùn)練平臺(tái)。根據(jù)不同層次需求，配置了不同內(nèi)容的題庫(kù)和具體機(jī)制。我們將其用于實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，這個(gè)作為學(xué)生練習(xí)程序編制的平臺(tái)，在提高學(xué)生編程水平的同時(shí)，大大減少了教師的工作量；而且較之人工，機(jī)器自動(dòng)評(píng)測(cè)更具嚴(yán)格性和客觀性。同時(shí)加入了激勵(lì)策略，輕松激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如：提交解答后系統(tǒng)會(huì)對(duì)提交的代碼自動(dòng)進(jìn)行評(píng)判，并同時(shí)給出時(shí)間占用和內(nèi)存占用等相關(guān)信息，如果排名在前三，就給予首頁(yè)彩帶滾屏獎(jiǎng)勵(lì)，提升學(xué)生的自我榮譽(yù)感。又或給予學(xué)績(jī)考核的額外加分等。

在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。學(xué)生提交一個(gè)程序源代碼后，評(píng)測(cè)程序就對(duì)代碼進(jìn)行編譯，然后執(zhí)行，將執(zhí)行結(jié)果和評(píng)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)正確的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果答案和后臺(tái)數(shù)據(jù)完全相同則AC（Accept），說(shuō)明你的程序是正確的；否則返回錯(cuò)誤信息，對(duì)不同的錯(cuò)誤類(lèi)型給出不同的提示。同時(shí)源代碼的評(píng)測(cè)結(jié)果保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。教師如需要結(jié)果列表，也可一次性導(dǎo)出。

目前程序設(shè)計(jì)的教學(xué)過(guò)程中很需要這樣的自動(dòng)評(píng)測(cè)平臺(tái)。它既減輕了教師繁重的程序代碼批改工作量，也可更客觀和高效地給出評(píng)判結(jié)果。國(guó)際最重要的程序設(shè)計(jì)大賽ACM-ICPC[4]使用的就是這樣的模塊來(lái)測(cè)評(píng)結(jié)果。在實(shí)際教學(xué)中我們也真實(shí)地感受到了這個(gè)系統(tǒng)帶給我們教師的便捷，學(xué)生也體會(huì)到了實(shí)時(shí)高效評(píng)測(cè)的興奮和成就感。

2.3 構(gòu)建軟件設(shè)計(jì)課程群[3]

程序類(lèi)課程教學(xué)中重視語(yǔ)法結(jié)構(gòu)和案例，很少能從程序設(shè)計(jì)的基本方法和思想進(jìn)行引導(dǎo)，使學(xué)生停留在照樣畫(huà)瓢的程度，缺少抽象思維、邏輯思維能力，難以編程解決實(shí)際問(wèn)題。我們希望在學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)過(guò)程中激發(fā)起學(xué)生的軟件工程興趣。因此，在本學(xué)年新一階段的程序設(shè)計(jì)課程中，安排軟件工程的原理討論。討論的目的當(dāng)然不是代替獨(dú)立的軟件工程課程，而是將基本的軟件工程原理引入早期的學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生能更好地為以后正式參與項(xiàng)目開(kāi)發(fā)做好準(zhǔn)備；同時(shí)起到一個(gè)承上啟下的銜接作用。如果一開(kāi)始就將邏輯簡(jiǎn)單清晰、易讀易懂作為程序編寫(xiě)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生就不會(huì)在以后被強(qiáng)迫忘卻壞習(xí)慣和重新學(xué)習(xí)。他們能在以后的課程中更好地理解軟件的涵義，了解軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程。

以下是主要的實(shí)施環(huán)節(jié)。

⑴ 按照上面構(gòu)建的程序設(shè)計(jì)能力層次化教育模式的框架，制定出每個(gè)層面的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)大綱，匯聚有層次差別的各種教學(xué)資源。

⑵ 在線訓(xùn)練激勵(lì)系統(tǒng)與學(xué)生實(shí)踐評(píng)價(jià)體系相配合。及時(shí)激勵(lì)先進(jìn)，樹(shù)立榜樣。

⑶ 配置有層次化的學(xué)習(xí)輔導(dǎo)及習(xí)題集資料。豐富目前BlackBoard網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上內(nèi)容的質(zhì)與量。

⑷ 軟件工程環(huán)境映襯整個(gè)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了分層化教學(xué)改革，我們的總體目標(biāo)是針對(duì)程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的啟蒙入門(mén)、發(fā)展提高和開(kāi)發(fā)應(yīng)用三個(gè)階段，研究和設(shè)計(jì)軟件程序設(shè)計(jì)課程體系的分階段學(xué)習(xí)模式，建立以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的課外程序設(shè)計(jì)激勵(lì)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)大學(xué)四年平均每位學(xué)生累計(jì)達(dá)到1萬(wàn)行程序編寫(xiě)量，并能獨(dú)立完成千行以上的較大規(guī)模的程序設(shè)計(jì)。

我院從2009年開(kāi)始就在探索學(xué)生程序?qū)哟位逃呐囵B(yǎng)模式，就前面講到的第四層次的學(xué)生群的實(shí)踐來(lái)看，已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。在這些比較出色的程序設(shè)計(jì)的愛(ài)好者中，我們挑選了部分學(xué)生每年參加ACM-ICPC國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽[4-5]。其作為世界最高水平的競(jìng)賽，有獨(dú)特的氛圍和形式，吸引了無(wú)數(shù)愛(ài)好者，也鍛煉了一大批具有超強(qiáng)問(wèn)題求解能力的人才。其中在2014年9-11月的比賽中，我院的隊(duì)伍獲得了亞洲賽區(qū)的5個(gè)銅獎(jiǎng)。由于在ACM比賽中近幾年的良好賽績(jī)以及學(xué)生高漲的ACM熱情，我院還在2015年3月承辦了首屆全國(guó)中醫(yī)院校程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽，采用的就是ACM-ICPC的競(jìng)賽規(guī)則與形式。接繼這樣的成果，我們接下來(lái)準(zhǔn)備將層次細(xì)化到其他相關(guān)專業(yè)課程，希望通過(guò)這樣的實(shí)施過(guò)程，能達(dá)到預(yù)期的最大化目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 韓建民，王麗俠，賈泂.大學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的層次化培養(yǎng)模

式[J].計(jì)算機(jī)教育，2012.3：15-18，22

[2] Jonassen， D.H. Toward a Design Theory of Problem

Solving[J]. Educational Technology： Research & Development，2000.48（4）：63-85

[3] 傅川，沈鑫，蔣巍巍.軟件工程環(huán)境下的C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)[J].

計(jì)算機(jī)教育，2011.13：96-99

[4] Wikipedia. ACM International Collegiate Programming

Contest[EB/OL]. https：//en.wikipedia.org/wiki/ACM_

International_Collegiate_Programming_Contest.2015

[5] The ACM-ICPC International Collegiate Programming

Contest [EB/OL].http：//icpc.baylor.edu/，2015.