基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程改革

林 姍,江 南,劉 偉

（湖北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430068）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,必然引起專業(yè)基礎(chǔ)課程內(nèi)容的調(diào)整和優(yōu)化。同時(shí),筆者所在學(xué)院正經(jīng)歷工程教育專業(yè)認(rèn)證的教學(xué)建設(shè)和改革,根據(jù)我國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)于2006年按照《華盛頓協(xié)議》的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和方法開始的工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)高校人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求,依照“以學(xué)生為中心,以產(chǎn)出為導(dǎo)向,持續(xù)改進(jìn)”的人才培養(yǎng)理念,課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)C++課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程以C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)為先修課程,以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為后續(xù)課程,包括封裝、繼承、多態(tài)、模板等內(nèi)容。

1 課程教學(xué)中存在的主要問題

目前,高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的教學(xué)中存在著諸多問題,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)教學(xué)內(nèi)容上C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的前導(dǎo)課程是C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì),兩門課程的教學(xué)內(nèi)容沒有有效地進(jìn)行銜接。導(dǎo)致有些學(xué)生由于C語(yǔ)言基礎(chǔ)較差,特別是對(duì)函數(shù)、指針、結(jié)構(gòu)體等內(nèi)容理解不夠清晰透徹,而對(duì)C++的學(xué)習(xí)造成了一些障礙。

另外,學(xué)生在學(xué)習(xí)C++時(shí),容易受C語(yǔ)言面向過程編程模式的影響,很難轉(zhuǎn)變到用面向?qū)ο蟮木幊棠Ｊ饺ソ鉀Q問題。面向?qū)ο蟮幕靖拍钍恰胺庋b”和“類”,需要學(xué)生能夠針對(duì)實(shí)際生活中的各類對(duì)象,對(duì)其特征進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象和功能抽象,而學(xué)生的思維停留在面向過程的程序設(shè)計(jì)思維方式上,無法很好地理解類的抽象、對(duì)象和類的關(guān)系等。

(2)傳統(tǒng)的教學(xué)方法不利于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握相關(guān)知識(shí)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是以語(yǔ)法為核心,教材設(shè)計(jì)的例題多半也是為了鞏固相關(guān)的語(yǔ)法,很少有實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的例子,不利于學(xué)生運(yùn)用面向?qū)ο蟮乃季S方式理解和解決問題。

(3)課程實(shí)驗(yàn)效果較差。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)針對(duì)性和實(shí)用性不強(qiáng),實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主,不能有效地激發(fā)學(xué)生的興趣和創(chuàng)新意識(shí)。

2 基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的課程改革實(shí)施

2.1 重構(gòu)課程體系

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程改革的第一步,就是根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證要求下新的培養(yǎng)目標(biāo)優(yōu)化課程體系,調(diào)整各門課程的教學(xué)內(nèi)容。課程組將原有的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)能力培養(yǎng)相關(guān)的課程整合為計(jì)算機(jī)科學(xué)與編程導(dǎo)論、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3門課程,這3門課程在內(nèi)容上緊密銜接。

計(jì)算機(jī)科學(xué)與編程導(dǎo)論的課程內(nèi)容側(cè)重計(jì)算機(jī)科學(xué)與編程方面的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí),并且能夠應(yīng)用C語(yǔ)言編寫程序,具有基本的編寫和調(diào)試程序的能力,同時(shí)掌握結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的方法,養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣,初步具備應(yīng)用高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序以解決實(shí)際問題的能力。計(jì)算機(jī)科學(xué)與編程導(dǎo)論以順序表的實(shí)現(xiàn)作為課程內(nèi)容的綜合性小結(jié)。

面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)側(cè)重 “面向?qū)ο蟆钡幕靖拍詈退季S方式,以及面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的開發(fā)方法和技術(shù),語(yǔ)言采用C++。在具體教學(xué)內(nèi)容上以順序表的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ),引入抽象、類的封裝、數(shù)據(jù)屬性、成員函數(shù)等概念,重新對(duì)順序表進(jìn)行封裝,實(shí)現(xiàn)一個(gè)順序表類。由于學(xué)生對(duì)順序表的基本功能在上一門課程中已經(jīng)熟悉并實(shí)現(xiàn),所以在這門課程中只需側(cè)重于面向?qū)ο笙嚓P(guān)的概念和實(shí)現(xiàn)即可。然后引導(dǎo)學(xué)生思考順序表在實(shí)際應(yīng)用中的局限性,從而引入動(dòng)態(tài)數(shù)組、模板、繼承與多態(tài)等內(nèi)容,并以鏈表類模板及基于該模板的棧、隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)作為課程內(nèi)容的綜合性小結(jié)。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程教學(xué)的基礎(chǔ)上,再進(jìn)一步介紹樹、圖等結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn),并能夠針對(duì)實(shí)際問題選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)清晰、正確易讀、復(fù)雜性較優(yōu)的算法。

這樣,在3門課程學(xué)完后,學(xué)生就能夠運(yùn)用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的方法以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法知識(shí)求解實(shí)際中的工程應(yīng)用問題。在此基礎(chǔ)上,通過相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)課學(xué)習(xí),能夠?qū)⑾嚓P(guān)知識(shí)用于解決計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題,從而達(dá)到本專業(yè)制定的畢業(yè)要求。

2.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)內(nèi)容是課程教學(xué)大綱的主體部分,而課程教學(xué)大綱又是指導(dǎo)課程教學(xué)的綱領(lǐng)性文件。根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求,課程教學(xué)大綱明確指出課程教學(xué)目標(biāo)要對(duì)專業(yè)認(rèn)證中哪些畢業(yè)要求項(xiàng)提供支撐。因此,按照學(xué)院制定的專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求,面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的課程組結(jié)合本專業(yè)教學(xué)實(shí)際對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的重要程度進(jìn)行了多次討論,將對(duì)各項(xiàng)畢業(yè)要求的支撐細(xì)分到每一章節(jié),同時(shí)給出每一章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度和相應(yīng)的教學(xué)手段,進(jìn)一步明確課堂教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求。

以湖北工業(yè)大學(xué)為例,面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程支撐的畢業(yè)要求有4個(gè):①具備扎實(shí)的計(jì)算機(jī)工程基礎(chǔ)知識(shí),了解通過計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜工程問題的基本方法并遵循復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的工程化基本要求;②能夠根據(jù)給出的實(shí)際工程案例提出問題及分析問題;③在充分理解計(jì)算機(jī)軟硬件及系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,能夠設(shè)計(jì)針對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案,設(shè)計(jì)或開發(fā)滿足特定需求和約束條件的軟硬件系統(tǒng)模塊或算法流程,并能夠進(jìn)行模塊和系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化;④能夠在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的預(yù)測(cè)、建模、模擬或解決過程中,開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、軟硬件及系統(tǒng)資源、現(xiàn)代工程研發(fā)工具,提高解決復(fù)雜工程問題的能力和效率。

以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中的重要概念“繼承和多態(tài)”的教學(xué)為例,所涉及的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織以及對(duì)畢業(yè)要求的支撐見表1。

2.3 改進(jìn)教學(xué)方法

課堂教學(xué)不再以教師為中心,針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容可以采用不同的教學(xué)方法,如案例式、問題驅(qū)動(dòng)式等。

表1 “繼承和多態(tài)”教學(xué)安排

例如,在講解面向?qū)ο笞罨A(chǔ)的概念“類的封裝”時(shí),以日常生活中的各種時(shí)鐘對(duì)象為案例[1],讓學(xué)生思考各種不同外觀的時(shí)鐘具有哪些共同的、必需的數(shù)據(jù),以及需要完成哪些基本的功能。當(dāng)學(xué)生歸納出基本的數(shù)據(jù)和功能后,讓學(xué)生體會(huì)類的封裝的實(shí)質(zhì),然后結(jié)合C++的語(yǔ)法講解類的具體實(shí)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)鐘類實(shí)現(xiàn)后,可以在應(yīng)用程序中創(chuàng)建該類的一個(gè)對(duì)象,然后像日常生活中的時(shí)鐘一樣顯示具體的時(shí)間信息。通過這個(gè)案例教學(xué),學(xué)生可以結(jié)合實(shí)際生活中最常見的例子體會(huì)抽象、封裝、類、對(duì)象、實(shí)例化等面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的基本概念。

然而,在課堂中,案例教學(xué)并不適用于所有的教學(xué)內(nèi)容。有些教學(xué)內(nèi)容,如果案例較小,學(xué)生會(huì)認(rèn)為案例不實(shí)用,因而沒有興趣思考和完成。如果案例過大,涉及的知識(shí)和技術(shù)過多,教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)就不突出。這種情況可以考慮問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方式。具體實(shí)施時(shí),學(xué)生按照老師預(yù)先給出的學(xué)習(xí)的內(nèi)容以及相關(guān)的參考書籍和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)[2]。在學(xué)習(xí)過程中如果遇到困難,建議首先采用網(wǎng)上搜索和同學(xué)之間相互討論交流來解決問題。如果還有無法解決的問題,可以通過QQ等方式與教師討論交流,教師在解決個(gè)別問題的同時(shí)也可以掌握學(xué)生的難點(diǎn)問題,在課堂教學(xué)時(shí)即可有針對(duì)性地突出重點(diǎn)難點(diǎn)。采用這種教學(xué)方式,學(xué)生通過課前的知識(shí)學(xué)習(xí)和討論,在課堂上就能夠更好地帶著重點(diǎn)和難點(diǎn)聽講,并能夠跟隨老師的節(jié)奏互動(dòng)和提出問題,而在解決問題過程中與同學(xué)和老師的討論交流,可以讓學(xué)生體驗(yàn)自主學(xué)習(xí)的樂趣,更能激發(fā)不同學(xué)生個(gè)體的學(xué)習(xí)興趣和成就感,充分發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,同時(shí)還可以培養(yǎng)交流能力和表達(dá)能力。

2.4 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

按照工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求,實(shí)踐教學(xué)的目的不僅僅是驗(yàn)證已知的理論,訓(xùn)練基本實(shí)驗(yàn)技能,更重要的是要培養(yǎng)學(xué)生具有實(shí)踐動(dòng)手能力,以及根據(jù)所學(xué)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力。

目前面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)仍采用兩種方式:上機(jī)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)。但是實(shí)踐內(nèi)容已進(jìn)行了改革,在不同層次上培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。上機(jī)實(shí)驗(yàn)分成驗(yàn)證型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生編寫測(cè)試程序、調(diào)試程序的能力。在此基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),該類型的實(shí)驗(yàn)以實(shí)際項(xiàng)目基礎(chǔ)部分的實(shí)現(xiàn)作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。最后,將設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目擴(kuò)展成課程設(shè)計(jì),實(shí)踐內(nèi)容的復(fù)雜性和綜合性逐步遞增,不斷提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

仍以“繼承與多態(tài)”章節(jié)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)為例,驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生測(cè)試教材上的雇員“Employee”類的例子[3],并給出不同的數(shù)據(jù)完成調(diào)試,理解繼承與多態(tài)的基本概念和實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的題目則是參考這個(gè)例子,實(shí)現(xiàn)一個(gè)人員基類,包括屬性姓名、性別、年齡,再由該基類派生出教師類和學(xué)生類,教師類增加工號(hào)、職稱和工資,學(xué)生類增加學(xué)號(hào)、年級(jí)、專業(yè)和入學(xué)成績(jī)。要求完成應(yīng)用程序,利用vector存放一組“人員”類指針,并根據(jù)人員類型的不同顯示不同的內(nèi)容,如教師除了顯示姓名、性別和年齡外,還要顯示工號(hào)、職稱和工資,學(xué)生則除了顯示姓名、性別和年齡外,還要顯示年級(jí)、專業(yè)和入學(xué)成績(jī)。以此實(shí)驗(yàn)的完成為基礎(chǔ),學(xué)生可以將其擴(kuò)展成一個(gè)人員管理信息系統(tǒng),并作為課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)的不足,進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、團(tuán)結(jié)合作和創(chuàng)新的能力,本課程也開設(shè)了課程設(shè)計(jì)。通過課程設(shè)計(jì)可以使學(xué)生加深理解所學(xué)的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí),并培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

針對(duì)不同學(xué)生的興趣,課程設(shè)計(jì)的題目分成三大類:管理信息系統(tǒng)類、應(yīng)用類和游戲類[4]。目前已經(jīng)開發(fā)的課程設(shè)計(jì)題目見表2。

表2 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（C++）課程設(shè)計(jì)類別與題目

3 結(jié) 語(yǔ)

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)中非常重要, 近3年進(jìn)行的教學(xué)改革,將案例教學(xué)、問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法付諸實(shí)施,同時(shí)擴(kuò)展了課程設(shè)計(jì)選題所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。這些措施有利于學(xué)生理解和掌握面向?qū)ο蟮木幊趟枷?也有利于提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。以課程目標(biāo)達(dá)成度為例,2017級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程的成績(jī),相對(duì)2016級(jí)的學(xué)生而言,對(duì)應(yīng)4個(gè)畢業(yè)要求的課程目標(biāo)的指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度平均提升0.1。