程序設(shè)計能力培養(yǎng)體系建設(shè)與實踐

張先偉，曲志堅，張立紅，馬新娟，王海鵬，劉曉紅

（山東理工大學 計算機科學與技術(shù)學院，山東 淄博 255049）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，信息技術(shù)幾乎涵蓋了社會的方方面面，社會對計算機類專業(yè)的人才需求日益增加。據(jù)統(tǒng)計，截至2016 年，我國的計算機類專業(yè)布點數(shù)已經(jīng)達到2 956個，在校生數(shù)占整個工科在校生數(shù)的百分之十六七[1]。然而，對于計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)理念和教育教學方法上還存在諸多問題，尤其是面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的地方高校中更為明顯[2]。這些問題主要體現(xiàn)在專業(yè)培養(yǎng)理念上重理論、輕實踐，重知識、輕能力，重書本、輕創(chuàng)新；在授課方式上以教師為中心，通過課堂講授知識的方式對學生進行單向知識傳授；在對學生的評價方法上，通過使用紙質(zhì)試卷進行期末考試的方式衡量學生的學習狀況；在教學方法上采用板書加電子教案的形式。這些問題直接導致的結(jié)果是，培養(yǎng)出的學生無法擺脫眼高手低、好高騖遠的毛病，缺乏良好實踐能力、創(chuàng)新能力等專業(yè)基本素質(zhì)，缺乏專業(yè)競爭力難以滿足社會需求。

為了提升計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，迫切需要改變傳統(tǒng)教學理念，從傳統(tǒng)的以教為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W生能力發(fā)展為中心。應(yīng)用型人才的核心能力是工程實踐能力，工程實踐能力是一種綜合能力[3-4]。計算機類學生工程實踐能力的基礎(chǔ)和核心在于學生的編程能力、計算思維、算法能力、創(chuàng)新能力等基本程序設(shè)計能力的培養(yǎng)[5]。程序設(shè)計能力培養(yǎng)主要是在大一和大二階段，因此應(yīng)以計算機類專業(yè)人才的程序設(shè)計綜合能力培養(yǎng)為目標，建設(shè)包括程序設(shè)計基礎(chǔ)、離散數(shù)學、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法一體的程序設(shè)計能力課程體系和教學方法，突出對編程能力、計算思維和基本算法實現(xiàn)能力的培養(yǎng)，并在此基礎(chǔ)上通過組織學生參與各類大學生程序設(shè)計競賽激發(fā)優(yōu)秀學生算法能力和創(chuàng)新能力的進一步提升，實現(xiàn)競教相長的良性循環(huán)。

1 程序設(shè)計能力培養(yǎng)課程體系綜合改革

為提高學生的程序設(shè)計能力，在授課理念上應(yīng)改變以往局限于課程本身的狹隘的認識，把程序設(shè)計類課程放在專業(yè)體系中來認知，打通程序設(shè)計基礎(chǔ)、離散數(shù)學、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、編譯原理等課程之間的聯(lián)系，在教學設(shè)計中形成一個整體，充分發(fā)揮專業(yè)入門課程的引導作用。利用程序設(shè)計基礎(chǔ)培養(yǎng)學生基本的編程實踐能力，在離散數(shù)學課程中通過數(shù)學問題的編程實踐加深基本理論和算法的理解，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法課程中強化算法的實現(xiàn)能力，促進對算法和基本理論的掌握，通過編譯原理實踐對算法和理論進行綜合運用并加深對程序執(zhí)行過程的理解。利用程序設(shè)計類課程體系的設(shè)計充分培養(yǎng)學生的實踐動手能力，讓學生掌握知識在實際問題中的應(yīng)用和方法，實現(xiàn)對學生程序設(shè)計基本能力的有效培養(yǎng)，又可以促進學生良好的專業(yè)學習習慣、專業(yè)思維習慣以及專業(yè)實踐動手習慣的初步養(yǎng)成。程序設(shè)計能力培訓課程體系結(jié)構(gòu)和課程間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 程序設(shè)計能力培養(yǎng)課程體系結(jié)構(gòu)

從圖1可知，學生入校以后從程序設(shè)計基礎(chǔ)課程開始，始終強化程序設(shè)計能力。通過在不同課程中持續(xù)的強化編程能力，使學生在大學前兩年形成良好的編程習慣。此外，這種實踐能夠使學生在編程中理解理論，逐漸促進計算思維的形成并形成良好的算法設(shè)計和實現(xiàn)能力。通過在離散數(shù)學中引入實踐，一方面能夠使學生提高編程能力，更重要的是能理解數(shù)學理論與計算機求解問題之間的關(guān)系，降低學習數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的困難，更容易理解數(shù)據(jù)、算法和程序之間的聯(lián)系。

1.1 以學生為中心的授課方式改革

課堂授課過程中應(yīng)摒棄專業(yè)課以知識講解為主的教學方法，程序設(shè)計基礎(chǔ)課程實現(xiàn)理論實踐一體化的教學模式，所有內(nèi)容全部在機房授課，學生邊學邊練，讓教師成為教學過程的組織者與協(xié)調(diào)者，讓學生成為教學過程的參與者。通過離散數(shù)學、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、編譯原理課程加重實踐教學的比重，注重理論與實踐的結(jié)合；通過講練結(jié)合的教學模式，加強教學過程中教師與學生的實時互動、學生與學生的實時互動，通過程序競賽形式的上機練習，增強學生學習過程中的競技性、趣味性，提高學生參與學習的積極性與主動性。

以山東理工大學為例，程序設(shè)計能力培養(yǎng)課程體系中的課程實踐環(huán)節(jié)完全依托于自主開發(fā)的山東省高校第一個程序在線評測系統(tǒng)（SDUTOJ）。通過靈活的使用該系統(tǒng)，將程序設(shè)計類課程的實驗教學、實踐練習和考核結(jié)合在一起，學生可以隨時隨地登錄系統(tǒng)提交實驗代碼，有效調(diào)動了學生的實踐積極性，解決了課程原有實踐教學方法單一、受制于教學場地、實踐教學方法落后等原因造成的對學生實踐能力培養(yǎng)不足的問題（課程實驗可訪問SDUTOJ，在線注冊并登錄以后點擊Experiments查看：http://acm.sdut.edu.cn/onlinejudge2/index.php/Home）。

1.2 學生評價方式改革

在學生考核與評價的過程中，可以借助大學生程序設(shè)計競賽機制與SDUTOJ平臺，對程序設(shè)計基礎(chǔ)、離散數(shù)學、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法和編譯原理的課程的考核方式進行徹底的改革，突出對能力的考核與評價。以山東理工大學為例，程序設(shè)計基礎(chǔ)課程自2014年開始取消了理論考試，只保留平時實驗與期末機考兩個環(huán)節(jié)，建立了與課程目標一致的實踐能力考核框架。所有課程采用“抽測+補測”的機考模式，通過階段性的實驗抽測，充分保障了平時實驗考核結(jié)果的公平性、有效性，解決了原來對學生平時實踐能力無法準確考核評價的問題；通過后期定時對抽測不過關(guān)學生的補測，調(diào)動了學習基礎(chǔ)相對較弱的部分學生平時認真及時做題的積極性，真正發(fā)揮了平時“抽測+補測”這種新型考核模式對學生平時學習的驅(qū)動作用。離散數(shù)學、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法和編譯原理根據(jù)課程性質(zhì)，依托于在線測評系統(tǒng)實現(xiàn)課程的日常實驗和編程練習，借鑒程序設(shè)計競賽模式完成課程期末機考，考試成績由理論筆試成績、平時上機測驗成績和期末上機考試成績構(gòu)成，實現(xiàn)了理論考試與機考相結(jié)合的評價機制。截止2018年6月20日，通過在線測評系統(tǒng)進行實踐訓練和考核統(tǒng)計情況見表1。

2 競教相長的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式

程序設(shè)計類課程改革保證了計算機類專業(yè)學生有較高的實踐能力，為了不斷激發(fā)學生的學習興趣和動力，為優(yōu)秀學生提供良好的發(fā)揮空間，促進創(chuàng)新能力的進一步提升，可以通過組織學生參加各類大學生程序設(shè)計競賽，實現(xiàn)程序設(shè)計類課程教學與ACM大學生程序設(shè)計競賽的有機結(jié)合，形成以教學帶動競賽以競賽促進教學的良性循環(huán)[6]。教師應(yīng)將科技競賽視為學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)，本著人才培養(yǎng)的理念參加科技競賽，認為大學生創(chuàng)新活動源于教學、源于專業(yè)又能夠促進教學、融入專業(yè)能力的培養(yǎng)過程，注重學生良好的自我約束能力和誠信比賽的品質(zhì)培養(yǎng)，注重團隊意識與協(xié)作能力的訓練。

為了更好地組織管理學生參加競賽，促進學生更快成長，我們構(gòu)建了科學完整的ACM創(chuàng)新培養(yǎng)體系，制訂了從第一學期到第五學期詳細的訓練計劃。該訓練計劃包含了每個周末與寒暑假的訓練安排，包含大一、大二、大三各個年級學生的不同訓練內(nèi)容，也包含了專業(yè)與非專業(yè)學生的不同訓練計劃。該訓練培養(yǎng)體系涵蓋了ACM國際大學生程序設(shè)計競賽所需要的全部內(nèi)容，知識點的分布按照不同培訓階段由易到難，訓練題目借鑒了國際國內(nèi)最高質(zhì)量的題目標準，保障了只要學生能夠按照體系要求認真努力的訓練，就一定可以顯著的提升個人能力。

表1 山東理工大學程序設(shè)計能力培養(yǎng)課程體系實踐訓練和考核情況統(tǒng)計

此外，建設(shè)了合理的ACM梯隊對學生進行分類指導和訓練，目前集訓梯隊主要包含以下幾個：梯隊一：程序設(shè)計基礎(chǔ)一（主要面向所有有意愿加入的大一學生）；梯隊二：程序設(shè)計二（主要面向從梯隊一選拔的、參與大一寒假集訓的大一學生）；梯隊三：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（主要面向經(jīng)梯隊二選拔的、參與大一第二學期集訓的學生）；梯隊四：算法初級（主要面向經(jīng)梯隊三選拔的、參與大一暑期集訓的隊員）；梯隊五：算法中級（主要面向經(jīng)梯隊四選拔的、參與大二第一學期集訓的主力隊員）；梯隊六：算法高級（主要面向經(jīng)梯隊五選拔的、參與大二寒假及以后集訓的主力隊員）。最后，還成立了“智能數(shù)據(jù)工程與分析學實驗室”和“運維技術(shù)中心”兩個實驗室，對退役后有志于學術(shù)研究與技術(shù)訓練的學生開放，跟著指導老師做研究或者項目開發(fā)。

3 程序在線測評系統(tǒng)

程序設(shè)計能力培養(yǎng)體系建設(shè)的重要支撐平臺是我們設(shè)計的程序在線測評系統(tǒng)（http://acm.sdut.edu.cn/onlinejudge2/），其支撐了課程體系建設(shè)的實踐教學改革和實施，支撐了大學生程序設(shè)計競賽的訓練和組織。該系統(tǒng)自2009年上線以來，不斷對系統(tǒng)進行維護與升級，不斷地補充練習題目。目前該系統(tǒng)包含適合各個水平學生的不同難度的4 000多道在線編程測試題目，題目包含程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、編譯原理和離散數(shù)學等課程的編程練習題，也包括部分各類大學生程序設(shè)計競賽的真題，在練習和作業(yè)時為各個層次的學生提供了選擇的余地。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成為目前省內(nèi)高校中注冊用戶最多、題目數(shù)量最大的程序在線測評系統(tǒng)，截止2019年5月13日該系統(tǒng)累計提交量已達6 013 649 次。通過該在線測評系統(tǒng)，學生可以在有網(wǎng)絡(luò)的地方登陸平臺練習并在線測評所提交代碼是否正確。作為一種創(chuàng)新的實踐教學平臺，允許學生根據(jù)自身水平和興趣，選擇適合的編程訓練方式、數(shù)量和難度，提高實踐教學的學習效率，極大地激發(fā)了學生的編程興趣，激勵了學生的個性化自主實踐訓練；同時教師可以查看學生提交的代碼，有效地監(jiān)督學生并及時發(fā)現(xiàn)學生編程中的問題并予以指導，使課程的實踐效果得到了明顯的加強和提高。

4 程序設(shè)計能力培養(yǎng)效果

2006年到2019年5月9日，本專業(yè)學生參與各類大學生程序設(shè)計競賽獲銅獎（三等獎）以上情況統(tǒng)計見表2。

表2 山東理工大學計算機類專業(yè)學生參與各類大學生程序設(shè)計競賽獲獎情況統(tǒng)計表

截止2019年5月13日，山東理工大學計算機類專業(yè)學生在各類大學生程序設(shè)計競賽中獲得國家級銅獎以上獎勵76項，其中2016年11月舉行的第41屆ACM/ICPC國家大學生程序設(shè)計競賽亞洲區(qū)域賽（青島）以學校排名11位的成績獲得金獎；此外，還在山東省大學生程序設(shè)計競賽中獲得三等獎以上獎勵50項。值得注意的是在能夠反映各個高校計算機專業(yè)教學水平的中國大學生計算機競賽團體程序設(shè)計天梯賽中，我校在2016年、2017年和2019年分別以全國第六名、全國第七名（珠峰爭鼎組）和全國第七名（珠峰爭鼎組）的成績獲得高校一等獎，在2018年獲全國（珠峰爭鼎組）第14名，高校三等獎。2016年7月和2019年5月，我校受邀在中國大學生程序設(shè)計競賽研討會上做了“競教相長”的經(jīng)驗交流報告。

山東理工大學從2006年開始首次參加ACM國際大學生程序設(shè)計競賽，獲得優(yōu)勝獎，2007和2008年未參加比賽，直到2011年才獲得區(qū)域賽的首個銅獎，2014年獲得首個銀獎，2016年獲得首個金獎。對于2015年才開始的中國大學生程序設(shè)計競賽，獲獎數(shù)量和質(zhì)量也在逐漸提高。從上述獲獎數(shù)量和質(zhì)量的統(tǒng)計中可以發(fā)現(xiàn)，從2014年課程綜合改革并構(gòu)建了較為完善的程序設(shè)計能力培養(yǎng)體系以后，學生的程序設(shè)計能力有了顯著提高。

5 結(jié)語

程序設(shè)計能力培養(yǎng)課程體系建設(shè)與改革從2014年秋季程序設(shè)計基礎(chǔ) (C語言)課程開始，到目前為止歷經(jīng)4年，從開始的計算機科學與技術(shù)專業(yè)學生逐漸擴展到軟件工程和通信工程專業(yè)的學生。以程序設(shè)計基礎(chǔ)綜合課程改革的方式和經(jīng)驗為借鑒，進而將計算機科學與技術(shù)和軟件工程專業(yè)的課程改革逐漸擴展到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、離散數(shù)學和編譯原理等課程，并且在逐漸地納入面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、操作系統(tǒng)等課程形成更為完善的課題體系結(jié)構(gòu)，保證計算機類專業(yè)學生從大一到大三有不間斷的上機實踐機會。此外，通過完善大學生程序設(shè)計競賽訓練和管理機制，進一步提高優(yōu)秀學生的創(chuàng)新能力。

綜上所述，山東理工大學計算機程序設(shè)計能力培養(yǎng)體系的建設(shè)與實踐對提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力具有良好的促進作用，相關(guān)的做法和經(jīng)驗可以為面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的地方高校計算機類專業(yè)的人才培養(yǎng)提供些許可借鑒的方法和經(jīng)驗。鑒于篇幅限制，對各門課程綜合改革的方法和經(jīng)驗以及競教相長的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式并未展開論述，下一步我們將繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗，提出更具體的程序設(shè)計能力培養(yǎng)方法。