從課堂教學(xué)到項目教學(xué)的跨越
——雙軌并行的程序設(shè)計教學(xué)改革探索與實踐

李駿揚，魏海坤

（東南大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引 言

在大數(shù)據(jù)和人工智能時代，程序設(shè)計能力越來越成為工科學(xué)生參與科研或工程不可或缺的技能。在計算機語言的教學(xué)中，越來越多的院校將項目教學(xué)作為課程設(shè)計的重要組成部分[1-2]，但在日常教學(xué)中，依然存在著一些問題。傳統(tǒng)的授課形式過分偏重以教師為中心，知識體系性強卻缺乏實際應(yīng)用，學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)在動力不足[3]；在教學(xué)內(nèi)容上，過分重視對語法知識的講授，輕視編程和調(diào)試能力的培養(yǎng)；單純的項目教學(xué)也往往導(dǎo)致學(xué)生知識體系上的不足[3]。另外，程序設(shè)計課程通常在大學(xué)一年級開設(shè)，此時學(xué)生的計算機基礎(chǔ)水平參差不齊，而程序設(shè)計本身邏輯上的嚴謹和語法上的瑣碎也客觀上導(dǎo)致“學(xué)生難學(xué)，教師難教”的現(xiàn)象[4]。

針對上述問題，在計算機語言課程的教學(xué)改革中，結(jié)合課堂與項目教學(xué)，優(yōu)勢互補、雙軌并行，能夠取得較好的成效。

1 教學(xué)改革總體設(shè)計

1.1 教學(xué)模式雙軌并行

傳統(tǒng)以課堂語法講授為主的授課模式，優(yōu)勢在于授課內(nèi)容具有體系性，但學(xué)生往往不知道所講授的知識技能與實際應(yīng)用的聯(lián)系，因此難以在實際項目中靈活應(yīng)用[5-6]；而項目制教學(xué)的優(yōu)勢在于可直接借助具有真實應(yīng)用背景的項目，實現(xiàn)對知識和技能的掌握。學(xué)以致用，使項目制教學(xué)可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和興趣，同時培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力、工程素養(yǎng)以及創(chuàng)新創(chuàng)造能力[7]。項目制教學(xué)也有缺點，主要在于學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性不夠，特別是對項目中未涉及的知識和技能易出現(xiàn)掌握不到位的情況[8]。

通過2種教學(xué)模式的優(yōu)勢互補，可實現(xiàn)“課堂授課+項目研討”雙軌并行。雙軌并行的教學(xué)模式（如圖1所示），一方面對傳統(tǒng)課堂教學(xué)內(nèi)容進行深化，在講授傳統(tǒng)語法知識的同時，突出與所布置項目相關(guān)知識和技術(shù)的講授；另一方面，為學(xué)生提供一批精心設(shè)計、具有一定深度和專業(yè)背景的團隊和個人項目，作為學(xué)生必須完成的任務(wù)。同時，在項目完成過程中，充分組織學(xué)生進行各種方式的課內(nèi)和課外、組內(nèi)和組間研討，促進學(xué)生互相學(xué)習(xí)和提高。

1.2 教學(xué)內(nèi)容逐層遞進

針對部分學(xué)生計算機語言入門困難的情況，將課堂教學(xué)進行5層遞進的設(shè)計：①以計算機基礎(chǔ)選修課程構(gòu)建學(xué)生認識與使用計算機的基礎(chǔ)（選修，16課時授課、8課時研討、16課時實驗）；②以Python語言課程培養(yǎng)學(xué)生的計算思維（必修，16課時授課、8課時研討、16課時實驗）；③以C語言課程提升學(xué)生編代碼的能力（必修，16課時授課、8課時研討、16課時實驗）；④以C++語言課程強化程序算法設(shè)計（必修，32課時授課、16課時研討、32課時實驗）；⑤借助多種進階語言與編程平臺的選修課程進一步提升學(xué)生的編程能力。課程教學(xué)內(nèi)容體系如圖2所示。

圖1 雙軌并行的教學(xué)模式

圖2 課程教學(xué)內(nèi)容體系

2 雙軌制教學(xué)模式構(gòu)建

2.1 明確課程地位，確立教學(xué)目標

首先，計算機語言是工科學(xué)生在未來的科研與工程中重要的工具。在針對碩士生、博士生、指導(dǎo)教師以及畢業(yè)學(xué)生就業(yè)企業(yè)的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，科研或工程中對計算機語言的需求不僅僅是語法與算法的掌握，更重要的是如何將思想轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦颍绾谓鉀Q工程中的實際問題，以及研究者或從業(yè)者面對問題的鉆研精神、快速的自主學(xué)習(xí)能力，以及對問題分析、剖析、審視、解決的能力。另外，自主學(xué)習(xí)、方案辨析、團隊協(xié)作、交流溝通同樣十分重要。

其次，作為學(xué)生進入大學(xué)本科的第一門實踐性課程，程序設(shè)計課程具有讓學(xué)生逐步適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)方式、轉(zhuǎn)被動應(yīng)試學(xué)習(xí)為主動探究學(xué)習(xí)的天然使命。程序設(shè)計課程改革以學(xué)生為本，針對學(xué)生學(xué)習(xí)的每一門課程，不僅是知識的學(xué)習(xí)與技能的訓(xùn)練，還應(yīng)該在相關(guān)的學(xué)習(xí)方法、思維方式、價值理念方面給予學(xué)生正確的引導(dǎo)。

因此，確立了計算機語言課程的教學(xué)目標：學(xué)會編程、學(xué)會學(xué)習(xí)、理解工程、解決問題，即培養(yǎng)學(xué)生通過計算機語言解決實際科研或工程問題的能力，并通過該課程的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和綜合工程素養(yǎng)。

為了達到課程教學(xué)目標，針對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的各種問題，可以建立 “課堂授課+項目研討”雙軌并行的教學(xué)模式，并采取“自主探究、專業(yè)融合、項目研討、團隊協(xié)作”的實施路徑。

2.2 課堂教學(xué)逐層深入，以服務(wù)工程為導(dǎo)向

針對一年級新生學(xué)習(xí)C++語言困難重重的情況，引入Python先修語言以解決入門級編程和最基礎(chǔ)的計算思維學(xué)習(xí)，而將完整的語法、內(nèi)存管理等高階知識留到C語言和C++語言中講授。通過這種方式，將計算思維、代碼風(fēng)格、工程理念、程序調(diào)試內(nèi)容融入各個課程模塊的教學(xué)環(huán)節(jié)中，為項目的實施做好準備。多層次多語言教學(xué)模塊如圖3所示。

2.3 項目設(shè)置以專業(yè)為背景，以解決問題為導(dǎo)向

首先，向各專業(yè)教師征集科研與工程中的真實項目案例。與專業(yè)相結(jié)合的真實項目能讓學(xué)生快速理解各知識點在解決具體問題時的作用，同時也有助于學(xué)生更快地融入本專業(yè)的學(xué)習(xí)。

圖3 多層次多語言教學(xué)模塊

其次，項目應(yīng)具有深度和一定的挑戰(zhàn)性。計劃引入個人項目和團隊項目兩種項目方式，其中個人項目是具有工程背景的小型項目，目的是鍛煉學(xué)生的個人編程能力和調(diào)試能力，要求每個學(xué)生獨立完成；團隊項目是需要3～4人合作完成的項目，目的是通過團隊合作鍛煉學(xué)生完成較大項目的能力，并具有系統(tǒng)性、完整性的特點。項目完成情況應(yīng)不僅考慮正確性，還必須考慮系統(tǒng)性、可靠性、可維護性等因素。項目中所涉及的知識點大部分會在授課中講解，但也有相當(dāng)一部分需要學(xué)生查閱資料、自主學(xué)習(xí)。在項目的實施中，教師不是講授者，而是項目的引導(dǎo)者。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以小組為單位，自主探索項目所要解決的架構(gòu)、算法等問題。部分項目案例如圖4所示。

為了切實鍛煉學(xué)生的基礎(chǔ)算法能力，項目中的核心算法部分必須深入分析，自主實現(xiàn)。

2.4 構(gòu)筑從授課到項目的橋梁

由于項目具有較高的難度，因此需要引導(dǎo)學(xué)生逐步從課堂教學(xué)遞進到高難度、具有挑戰(zhàn)性的項目。

圖4 部分項目案例

首先，在課程架構(gòu)中，除了課堂教學(xué)與項目教學(xué)（團隊項目）外，還在其間設(shè)置 “實驗”和“個人項目”兩個臺階。平時實驗每周一次，強調(diào)對知識的初步運用，理解基本算法。個人項目每學(xué)期設(shè)置5次，每個學(xué)生單獨完成小型項目，這些項目注重算法的深入，在其中必須對較為復(fù)雜的算法進行辨析、分解、改進、調(diào)試，并將整個過程撰寫成簡單的文檔。通過這兩個臺階的設(shè)置，學(xué)生可以更好地融入具有挑戰(zhàn)性的團隊項目。從課堂授課到團隊項目的遞進如圖5所示。

其次，在實施層面，項目激勵與進度把控并行至關(guān)重要。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生確立項目的實現(xiàn)目標，對存在問題進行剖析，對軟件系統(tǒng)進行構(gòu)架，對團隊進行激勵，對重要技術(shù)進行研討，對編程經(jīng)驗進行分享。團隊項目的實施過程與激勵如圖6所示。

圖5 從課堂授課到團隊項目的遞進設(shè)計

圖6 團隊項目的實施過程與激勵

最后，在團隊項目實施過程中嵌入研討型教學(xué)模式。研討形式包括組內(nèi)研討、組間研討、集體研討，其中組內(nèi)研討和組間研討由學(xué)生自主安排；集體研討主要安排在項目開題、中期檢查和項目結(jié)題階段，目的是促進學(xué)生之間的互相交流，并使指導(dǎo)教師了解各組的項目進展以推進項目。對項目開題，研討內(nèi)容包括項目的研究現(xiàn)狀、存在問題、項目難點、擬采取方案等；對項目結(jié)題，研討的內(nèi)容包括項目的實際解決方案、軟件功能演示等。研討時學(xué)生是主角，教師的作用主要是控制研討進程，并記錄學(xué)生表現(xiàn)以便于后面的過程化評價。研討的目的在于促使學(xué)生互相借鑒和提高，更重要的是將課程的教學(xué)模式真正轉(zhuǎn)向以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)模式。

2.5 建立過程化學(xué)生成績評價模式

針對教學(xué)目標，應(yīng)結(jié)合工程教育認證的要求，對學(xué)生學(xué)習(xí)的全過程進行過程性評價[9]。評價要綜合考查學(xué)生的平時作業(yè)、個人項目與團隊項目，并形成知識技能、解決問題能力、學(xué)習(xí)研究能力、工程規(guī)范和團隊協(xié)作5項評價輸出。多維度評價輸出如圖7所示。

其中，知識技能考查學(xué)生的基礎(chǔ)程序編寫能力與算法設(shè)計運用能力；解決問題考查學(xué)生在項目的系統(tǒng)分析、構(gòu)架設(shè)計、方案實施、測試迭代等解決實際問題的能力；學(xué)習(xí)研究考查學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、自主探究、資料收集、方案對比、文檔撰寫等方面的綜合學(xué)習(xí)能力；工程規(guī)范考查學(xué)生在從設(shè)計、實施、測試到交付的過程中，對架構(gòu)、接口、代碼、文檔等的規(guī)范化能力；團隊協(xié)作考查學(xué)生在項目實施過程中的團隊領(lǐng)導(dǎo)與協(xié)作能力。

圖7 多維度評價輸出

該評價體系根據(jù)平時作業(yè)、個人項目、團隊項目、上機考試等教學(xué)過程的16項教學(xué)輸出，針對12項內(nèi)容進行考查，并最終形成多個維度的考核指標。

3 課程實施

依托計算機教學(xué)實驗中心，課程組啟動教學(xué)改革，以部分工科院系為試點單位，此后逐漸推廣至全校各工科專業(yè)。

在教學(xué)改革的實施中，學(xué)生程序設(shè)計能力提升明顯，完成項目的總體難度和復(fù)雜度有了顯著提高。在改革之前，學(xué)生完成計算機綜合課程設(shè)計的平均難度是類似于簡單計算器的程序；而改革后大部分學(xué)生在綜合課程設(shè)計階段，完成的課題主題涵蓋圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸、文件壓縮、統(tǒng)計分析等領(lǐng)域。

經(jīng)過多年努力，課程組建設(shè)了豐富的課程資源，包括精品教材、課程網(wǎng)站、課程項目庫、研討型教學(xué)資料、過程化考核文檔等。另外，為加強課程網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，設(shè)計了課程云平臺；向全校各工科專業(yè)的科研與工程團隊征集項目案例，在專業(yè)教師的幫助下，根據(jù)學(xué)生的實際能力，對案例進行簡化和落地，轉(zhuǎn)換為項目可實施的案例；建立在線評價系統(tǒng)，面對復(fù)雜的教學(xué)過程中的評價數(shù)據(jù)搜集與統(tǒng)計工作，與教務(wù)系統(tǒng)對接，提高教師工作效率。

學(xué)生參加中國大學(xué)生計算機設(shè)計大賽等軟件設(shè)計類競賽的成績也有大幅度提升。在多次教學(xué)評估與工程認證中，學(xué)生一致反映C++程序設(shè)計課程是他們印象最深、收獲最大的課程之一。

4 結(jié) 語

雙軌制的教學(xué)改革是計算機基礎(chǔ)教學(xué)中的一次重要探索。以學(xué)生為中心，以學(xué)好、用好計算機語言工具為根本任務(wù)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與綜合素養(yǎng)為重要理念的雙軌制程序設(shè)計課程教學(xué)改革，也將在未來的道路上不斷地接受各方的反饋，持續(xù)進行改進。