程序設(shè)計(jì)課程中學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力培養(yǎng)

潘雨青，毛啟容

（江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

工程教育認(rèn)證倡導(dǎo)以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向 （Outcome Based Education, OBE）、持續(xù)改進(jìn)（Continue Quality Improvement, CQI）三大教育理念。具有解決復(fù)雜工程問題的能力是四年制本科生必須具備的能力[1]。蔣宗禮在《本科工程教育:聚焦學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)》[2]和林健在《如何理解和解決復(fù)雜工程問題——基于<華盛頓協(xié)議>的界定和要求》[3]中都對復(fù)雜工程問題進(jìn)行了詳細(xì)的解讀，并針對在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題提出了有益的建議。

程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心課程之一，盡管學(xué)校和教師使用各種教學(xué)手段提高學(xué)生的程序設(shè)計(jì)水平，但學(xué)生在掌握基本編程語法后，表現(xiàn)出的編程能力卻仍然難以令人滿意，大部分學(xué)生依然缺乏《華盛頓協(xié)議》中提出的解決復(fù)雜工程問題的能力。

程序設(shè)計(jì)類課程的第一門課一般開設(shè)在大學(xué)一年級，在學(xué)生掌握的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及專業(yè)知識還有限的情況下，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力似乎存在一定的難度。但復(fù)雜工程問題與復(fù)雜技術(shù)問題不同[4]，可以通過仔細(xì)分析復(fù)雜工程問題的要求、不同大學(xué)一年級學(xué)生的特點(diǎn)以及程序設(shè)計(jì)課程的知識領(lǐng)域，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

1 程序設(shè)計(jì)類課程的課程目標(biāo)

根據(jù)OBE教育理念，首先確定專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，然后確定專業(yè)的畢業(yè)要求以及細(xì)化的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，接下來制定專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃，再進(jìn)行教學(xué)活動，進(jìn)而在教學(xué)過程中進(jìn)行不斷的評價(jià)和改進(jìn)。例如某大學(xué)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)承擔(dān)了如下指標(biāo)點(diǎn)：

指標(biāo)點(diǎn)1.5：具備將工程基礎(chǔ)知識、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識用于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程模型驗(yàn)證求解的能力。

指標(biāo)點(diǎn)4.3：能夠針對計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)和資源，并能夠了解其局限性。

根據(jù)指標(biāo)點(diǎn)，確定了程序設(shè)計(jì)課程的目標(biāo)，課程目標(biāo)包括知識方面和能力方面，其中①～⑥能夠很好地支持指標(biāo)點(diǎn)1.5，⑦～⑩支持指標(biāo)點(diǎn)4.3。

知識方面包括：①理解程序設(shè)計(jì)的基本類型、掌握程序設(shè)計(jì)中的運(yùn)算符和表達(dá)式；②掌握面向過程的3種基本結(jié)構(gòu)（順序、分支和循環(huán)）；③掌握數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)體等構(gòu)造類型；④掌握函數(shù)的定義和使用；⑤掌握程序設(shè)計(jì)中的基本算法和算法的描述方法。

能力方面包括: ⑥能夠利用程序?qū)?shù)學(xué)和物理模型進(jìn)行驗(yàn)證；⑦能夠熟練使用一種程序開發(fā)工具；⑧在程序設(shè)計(jì)中養(yǎng)成良好的程序書寫習(xí)慣；⑨掌握并應(yīng)用自頂向下、逐步細(xì)化的模塊化的程序設(shè)計(jì)方法；⑩設(shè)計(jì)程序解決數(shù)學(xué)、物理及實(shí)際問題，并判定結(jié)果的有效性。

2 在教學(xué)過程中循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程的能力

普通高校大學(xué)一年級的學(xué)生大部分沒有接觸過計(jì)算機(jī)編程，程序設(shè)計(jì)課程對大一新生還很陌生，教師需要在課程過程中培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，這要求教師必須在教學(xué)的過程中激發(fā)學(xué)生的興趣，注重教學(xué)方法，循序漸進(jìn)。

（1）掌握程序設(shè)計(jì)的基本原理，能夠利用程序驗(yàn)證基本數(shù)學(xué)物理模型。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容基本包括數(shù)據(jù)類型、控制結(jié)構(gòu)、數(shù)組、函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體和文件。各學(xué)校一般也是按照上述順序進(jìn)行教學(xué)的。在整個(gè)教學(xué)過程中，利用應(yīng)用習(xí)題提高學(xué)生程序設(shè)計(jì)的能力，有意識地結(jié)合數(shù)學(xué)、物理知識，練習(xí)設(shè)計(jì)程序完成數(shù)學(xué)物理模型的求解，具體安排見表1。

表1 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證層次案例

（2）深入分析，構(gòu)建模型，解決復(fù)雜工程問題。程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的第一層次通過數(shù)學(xué)物理模型任務(wù)案例解決了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用的問題，在第二層次，培養(yǎng)學(xué)生通過對一些實(shí)際問題的分析，綜合考慮各種要素，進(jìn)行建模，然后用計(jì)算機(jī)程序解決復(fù)雜問題，見表2。受到學(xué)生層次的限制，在設(shè)計(jì)題目的時(shí)候需要進(jìn)行必要的抽象和簡化，但在抽象和簡化的過程中，仍然需要考慮滿足復(fù)雜工程問題的條件。

表2 復(fù)雜工程問題訓(xùn)練案例

表2列出了針對不同知識點(diǎn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜工程問題，有些問題對于高年級的學(xué)生來說可能不夠“復(fù)雜”，但是針對大一的學(xué)生來說，是具有一定復(fù)雜程度的，這些問題都需要進(jìn)行工程原理分析，問題涉及不同的領(lǐng)域問題，同時(shí)貼近實(shí)際，通過這些問題不僅能提高編程水平而且能夠拓寬知識面，提高分析問題的能力。另外這些問題在設(shè)計(jì)的時(shí)候兼顧到了所學(xué)知識的前后順序，能夠保證大一學(xué)生經(jīng)過分析探索是可以解決的。

購物打折是第一個(gè)實(shí)施復(fù)雜工程問題，主要是利用分支結(jié)構(gòu)來解決問題的，它來源于實(shí)際。商場購物有打折和返券兩種，如A商家滿120返60禮券；B商家滿258返120禮券；C商家，滿300返200禮券；D商家滿300減100禮券；F商家打4折，請問在哪家購買劃算。再如物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合作業(yè)主要是運(yùn)用數(shù)組進(jìn)行計(jì)算，但卻首先應(yīng)建立數(shù)學(xué)模型（如最小二乘法），如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大的話，使用文件更加合理。再者在使用分形方法繪制雪花圖案例中更需要運(yùn)用數(shù)學(xué)、幾何知識、遞歸算法、繪圖知識等。

歸納起來復(fù)雜問題的題目設(shè)計(jì)思路如下：

（1）選題類型原則。復(fù)雜問題來源于實(shí)際，而不是簡單的抽象模型，這樣學(xué)生解決起來才有興趣。例如利用循環(huán)解決問題，一般練習(xí)的時(shí)候可能是1+2+3+4+…或者這種形式的變形的遞增或者遞減序列，這樣的問題必定會有學(xué)生提出為什么不用遞減序列的求和公式來解決？類似的購房問題綜合考慮工資的增長、消費(fèi)指數(shù)的上漲，以及房價(jià)上漲等多種因素，就會體現(xiàn)出利用計(jì)算機(jī)求解的優(yōu)越性，同時(shí)對一些經(jīng)濟(jì)術(shù)語有所了解。

（2）選題場景。問題選題最好選自不同的領(lǐng)域，如財(cái)務(wù)、管理、物理應(yīng)用等，這樣，既能和生活實(shí)際緊密相連，又能讓學(xué)生會體會到多學(xué)科背景的重要性。

（3）選題的難度問題。復(fù)雜工程問題不等于復(fù)雜性問題[4]，針對大一新生的題目難度不能太高，涉及的知識點(diǎn)要考慮到循序漸進(jìn)。如商品打折問題可以考慮判定都買一定價(jià)錢的物品，也可以要求給出不同價(jià)格的最佳選擇。

3 采用多樣的教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和現(xiàn)代的MOOC、微課等教學(xué)手段相結(jié)合可以提高學(xué)習(xí)的效果[5-7]，考核方式多樣化不僅可以檢測知識的掌握程度，而且能夠促進(jìn)各種能力的不斷提高?？己藢W(xué)生是否具備解決復(fù)雜工程問題的能力，考核內(nèi)容包括：理論知識考核（學(xué)生練習(xí)、課后作業(yè)、學(xué)生自測、期末考試）、實(shí)踐能力考核、創(chuàng)新能力考核、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力考核等幾方面。通過各個(gè)環(huán)節(jié)的全面考核，綜合評價(jià)學(xué)生成績。結(jié)合教學(xué)管理平臺完成理論知識的考核比較適合，考核評價(jià)要注意到題目類型的多樣性、試題的內(nèi)容是否與課程目標(biāo)以及畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)相一致。創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)能力考核與課程設(shè)計(jì)中考核評價(jià)相結(jié)合比較適合。不同的考核內(nèi)容采用不同的現(xiàn)代技術(shù)平臺能夠減輕教師和學(xué)生的負(fù)擔(dān)，特別是在線判題系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠大大提高考查的效率[8-9]。

對于程序設(shè)計(jì)課程來說，注重的是培養(yǎng)學(xué)生的編程水平和動手能力，并逐步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。因此對于實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核就非常重要。學(xué)生一般認(rèn)為程序設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核具有彈性，或者程序的結(jié)果正確就達(dá)到了目標(biāo)。針對程序課程的目標(biāo)和畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)，從問題分析、方案設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)、代碼書寫規(guī)范[10-11]、報(bào)告質(zhì)量5方面進(jìn)行規(guī)范，見表3。評分標(biāo)準(zhǔn)在開學(xué)初就公布在網(wǎng)站上，指導(dǎo)教師對典型的設(shè)計(jì)性報(bào)告根據(jù)規(guī)范進(jìn)行評價(jià)，最終的評分作為總體評價(jià)的一部分。表3列出的考核評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了評價(jià)過程，同時(shí)能夠促進(jìn)學(xué)生專業(yè)技能和業(yè)務(wù)素養(yǎng)的提高。

采用多種教學(xué)方式和考核方式后，學(xué)生程序設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)的效果明顯改善，不及格率由26%降低到7%，基礎(chǔ)知識錯(cuò)誤率明顯降低。學(xué)生編寫程序的能力顯著提高，代碼注釋率增加，程序中標(biāo)識符定義更加規(guī)范，并且后續(xù)課程教師普遍反映學(xué)生編程能力增強(qiáng)。

表3 程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)語

高等院校在工程教育認(rèn)證的過程中，首先要領(lǐng)會OBE的教學(xué)理念，真正理解“復(fù)雜工程問題”的內(nèi)涵，明確專業(yè)畢業(yè)要求和指標(biāo)點(diǎn)，確定課程目標(biāo)。在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核內(nèi)容、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上從課程的特點(diǎn)、學(xué)生的特征出發(fā)，因勢利導(dǎo)，遵循教育規(guī)律，循序漸進(jìn)。即使是在程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)這些公共課程中也完全可以逐步培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。