研究型大學(xué)計算機程序設(shè)計系列課程體系建設(shè)

徐明星 王瑀屏 鄔曉鈞 黃震春 姚海龍

文章編號：1672-5913（2015）11-0017-04

中圖分類號：G642

摘要：提出以培養(yǎng)計算思維為主線、以激發(fā)學(xué)術(shù)志趣為核心、以引領(lǐng)計算人生為目標(biāo)的指導(dǎo)思想，構(gòu)建以學(xué)生為中心的多維度、多層次、系統(tǒng)連貫的計算機程序設(shè)計系列課程體系，介紹系列課程中各個教學(xué)環(huán)節(jié)的具體改革措施。

關(guān)鍵詞：程序設(shè)計；計算思維；以學(xué)生為中心

1 背景 計算機程序設(shè)計是計算機專業(yè)和一些非計算機專業(yè)（如數(shù)學(xué)、數(shù)理基科班等院系與專業(yè)）的重要基礎(chǔ)，其教學(xué)體系一般是由幾門關(guān)系松散且相對獨立的課程構(gòu)成，如C語言程序設(shè)計、C++語言程序設(shè)計等。這些課程的教學(xué)通常以介紹某個特定程序設(shè)計語言（如C、C++）的語法知識為主。隨著計算機科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，這樣的課程組織與教學(xué)設(shè)計已經(jīng)跟不上時代步伐，不能滿足實際工作的需要。

作為一所研究型大學(xué)，清華大學(xué)一直以培養(yǎng)創(chuàng)新拔尖人才為己任。從2001年起，清華大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)系（以下簡稱“計算機系”）吳文虎教授主持了系本科生課程程序設(shè)計基礎(chǔ)的教學(xué)改革任務(wù)。經(jīng)過幾年的努力，課程被評為首批國家級精品課程，奠定了建設(shè)高水平計算機程序設(shè)計系列課程的良好基礎(chǔ)。2003年秋，我們針對計算機系本科生開設(shè)了C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程，當(dāng)年學(xué)生評教即進(jìn)入全校同類課程的前5%。2004-2009年，我們又在暑假小學(xué)期開設(shè)了C++程序設(shè)計實踐課程，初步形成了一個以講授程序設(shè)計為核心內(nèi)容的系列課程雛形。如何通過改革和調(diào)整，將這些彼此關(guān)聯(lián)的課程重新打造成一個更加緊密的有機課程體系；使之既能體現(xiàn)時代特色、跟上發(fā)展潮流，又能更好地服務(wù)于世界一流大學(xué)的建設(shè)需求，提高創(chuàng)新拔尖人才的培養(yǎng)水平，成為又一個擺在我們面前亟待解決的問題。

為此，我們認(rèn)真學(xué)習(xí)和借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)教學(xué)理念，深刻反思傳統(tǒng)計算機程序設(shè)計教學(xué)的不足之處（如實踐教學(xué)與理論教學(xué)脫節(jié)），著重研究、探討和解決了以下幾個問題。

（l）程序設(shè)計系列課程應(yīng)如何定位才能跟上時代發(fā)展的步伐，站在科技發(fā)展的前沿？

（2）作為研究型大學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，應(yīng)該采取什么樣的教學(xué)模式、方法和手段，教授哪些內(nèi)容，才能真正為學(xué)生的專業(yè)發(fā)展打好基礎(chǔ)，引領(lǐng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)志趣？

（3）面對不同專業(yè)發(fā)展要求、不同背景基礎(chǔ)的學(xué)生，如何實現(xiàn)以學(xué)生為中心的個性化教學(xué)？

通過對這些問題的反復(fù)研討和深入思考，我們明確了程序設(shè)計系列課程的建設(shè)思想——以培養(yǎng)計算思維為主線、以激發(fā)學(xué)術(shù)志趣為核心、以引領(lǐng)計算人生為目標(biāo)。自2009年以來，通過課程改革與新課程設(shè)置，我們建成了程序設(shè)計系列課程體系，包括多門課程、多個課堂：大一秋季程序設(shè)計基礎(chǔ)（48學(xué)時，兩個課堂）、大一春季面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計基礎(chǔ)（32學(xué)時，兩個課堂，其中一個是雙語教學(xué)小課堂）、夏季小學(xué)期程序設(shè)計實踐（32學(xué)時）等3門內(nèi)容連貫的專業(yè)基礎(chǔ)課，以及一門與ACM競賽相關(guān)的全校任選課程序設(shè)計藝術(shù)和實踐（48學(xué)時，全年開課）。

系列課程的教學(xué)內(nèi)容包含基礎(chǔ)算法設(shè)計與實現(xiàn)、基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、設(shè)計模式、并行與異步程序設(shè)計的基本思路與方法、實踐與提高等，使用的計算機語言為C/C++。系列課程以大班教學(xué)為主，課堂選課人數(shù)在150名左右，授課對象包括計算機專業(yè)學(xué)生和數(shù)學(xué)專業(yè)學(xué)生；為滿足國際交流需要，作為主課堂的補充，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計基礎(chǔ)課程還同時開設(shè)了雙語教學(xué)的小班課堂；ACM競賽選修課程每年培養(yǎng)60名左右的學(xué)生參與日常訓(xùn)練和競賽。

在多年實際教學(xué)的研究與探索過程中，我們努力貫徹落實先進(jìn)的教學(xué)思想和教育理念，在系列課程的各個教學(xué)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了相應(yīng)的改革和實踐，取得了具有先進(jìn)性、前瞻性以及可復(fù)制性的教育教學(xué)成果，建設(shè)了一個完整的程序設(shè)計系列課程體系。該系列課程以國家級精品課程為基礎(chǔ)不斷延伸，把枯燥的編程技巧提升到程序設(shè)計藝術(shù)和科學(xué)方法論的層次，引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生對計算科學(xué)的興趣和志向，配合實踐訓(xùn)練課程形成了多維度、多層次、系統(tǒng)連貫的課程體系。該體系時間跨度大，內(nèi)容覆蓋廣，受益學(xué)生多。

2 以計算思維培養(yǎng)為主線，科學(xué)合理地設(shè)置系列課程內(nèi)容

計算思維是人類求解問題、設(shè)計系統(tǒng)、理解個體行為的一種思想和方法，也是近年來在計算機教育領(lǐng)域討論的熱點話題。隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，計算的方法與模型日益豐富和復(fù)雜，這極大地推動了數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。

程序設(shè)計系列課程以計算思維培養(yǎng)作為貫穿各門課程的主線，把教學(xué)的主要內(nèi)容和精力用來拓展學(xué)生思維模式，提升學(xué)生對復(fù)雜事物進(jìn)行高度抽象的認(rèn)知水平和思維能力。在能力和素質(zhì)的提升過程中形成和發(fā)展計算思維，感受計算機程序算法的科學(xué)性與設(shè)計實現(xiàn)的藝術(shù)性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)境界，為學(xué)生未來的專業(yè)發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。

在知識傳授的基礎(chǔ)上，我們強調(diào)理論與實踐相結(jié)合，解決實際問題。通過在系列課程的每一個環(huán)節(jié)中貫徹“理性思維結(jié)合理性實踐”的教學(xué)理念，使學(xué)生脫離紙上談兵的學(xué)習(xí)狀態(tài)，著力引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究式學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等，讓他們在解決實際問題的過程中體會和提升程序設(shè)計的思想和境界。

系列課程教學(xué)要注重前后關(guān)聯(lián)銜接，以層層深入的知識體系為載體，逐步深化思想的交流，在潛移默化中引領(lǐng)學(xué)生的計算人生。

程序設(shè)計基礎(chǔ)課程以如何用計算機解題來組織各章節(jié)內(nèi)容，強調(diào)思維模式的更新與轉(zhuǎn)換；面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計基礎(chǔ)注重如何分析思考變與不變的辯證關(guān)系，強調(diào)建立面向接口的思維模式；程序設(shè)計實踐課程則通過如何表達(dá)復(fù)雜的同步與異步的時序關(guān)系，深化和完善計算思維，強調(diào)集成創(chuàng)新；程序設(shè)計藝術(shù)和實踐課程通過算法設(shè)計與編程實踐進(jìn)一步鞏固和提升計算思維能力，強調(diào)團隊協(xié)作和算法創(chuàng)新。

系列課程的教學(xué)內(nèi)容在組織編排上層層遞進(jìn)、前后呼應(yīng)，始終遵循程序設(shè)計課程的教學(xué)規(guī)律和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。例如：第一學(xué)期課程重點是基礎(chǔ)算法思維，旨在培養(yǎng)學(xué)生初步建立計算思維，使他們掌握基本問題的分析和求解方法；第二學(xué)期課程則強調(diào)抽象思維，要求學(xué)生掌握復(fù)雜問題的分析與程序?qū)崿F(xiàn)的基本方法；實踐課程以及ACM訓(xùn)練課程則開展有強度、有深度的上機編程訓(xùn)練，強調(diào)對思想、知識與技能的靈活運用，要求學(xué)生融會貫通。

3 多個環(huán)節(jié)和多種措施全面發(fā)力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)志趣

以任務(wù)驅(qū)動形式，從學(xué)生熟知的學(xué)習(xí)和生活經(jīng)驗中提煉問題，強調(diào)引導(dǎo)式教學(xué)，鍛煉學(xué)生主動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)他們探究未知的習(xí)慣，提升學(xué)習(xí)的境界。例如：對新知識介紹均從問題切入，在示例的分析講解中進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，設(shè)置課堂討論環(huán)節(jié)進(jìn)行深入互動，等等。

在課堂示例的講解過程中，剖析具體問題的深刻內(nèi)涵，闡述問題形式化與數(shù)學(xué)建模對問題求解的重要性，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力；從多種角度、多個層次來分析復(fù)雜事物之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成對比研究和辯證思考的認(rèn)知習(xí)慣。

強調(diào)抽象的理論思考與實際的上機實踐相結(jié)合，要求理性思維下的理性實踐，使學(xué)生不懼程序錯誤、善用程序錯誤，進(jìn)而增強程序調(diào)試能力，培養(yǎng)探究未知和追求真理的科學(xué)精神。例如，針對學(xué)生寫程序時經(jīng)常發(fā)生的錯誤，考慮到很多初學(xué)者會因此感到強烈的挫折感和學(xué)習(xí)“門檻”，教師在課堂演示過程中可以故意出現(xiàn)一些常見的打字錯誤或算法錯誤，如少敲一個分號、少寫一個大括號、漏掉某個重要判斷或預(yù)處理等，在出現(xiàn)編譯錯誤或運行錯誤后故作驚慌，然后為學(xué)生示范如何根據(jù)提示信息進(jìn)行分析，最終找到并修正錯誤。這種當(dāng)堂的發(fā)生錯誤和分析解決的互動過程，使得同學(xué)們了解了程序設(shè)計過程中難免出現(xiàn)的各種錯誤，并認(rèn)識到這些錯誤并不可怕，重要的是要注重積累經(jīng)驗并冷靜分析。此外，我們還設(shè)置了常見錯誤分享的教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生把學(xué)習(xí)過程中遇到的錯誤以及解決過程與全體同學(xué)分享，使同學(xué)們懂得錯誤是一種寶貴的財富，鼓勵他們不要僅停留在老師講的正確寫法上，而要更多地嘗試其他寫法，看看會發(fā)生什么，探究問題背后的原因。

課程以上機編程解題為主要考核形式，強化實踐，反復(fù)訓(xùn)練學(xué)生理解和分析問題、建立模型、設(shè)計算法、上機編程、全面測試和理性調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的科學(xué)作風(fēng)。

在線評測系統(tǒng)實現(xiàn)自動批改學(xué)生提交的作業(yè)，只記（錄）成功，不計（較）失敗。評測系統(tǒng)允許同學(xué)們在截止時間前多次提交，最終成績按照獲得最高分的一次提交來計算。這種機制不僅符合軟件開發(fā)的實際情況，還能有效鼓勵學(xué)生不畏失敗和困難、越挫越勇，逐步養(yǎng)成追求卓越和完美的精神，為未來的學(xué)習(xí)研究工作打下基礎(chǔ)。在歷年的教學(xué)實踐中，這個措施最受學(xué)生歡迎，甚至出現(xiàn)過為完成一道有一定難度的問題，反復(fù)提交20多次后終于獲得該題滿分的情形。此外，在線評測系統(tǒng)還能顯示學(xué)生各自的學(xué)習(xí)進(jìn)度（如作業(yè)完成情況在全年級中的排名），有效激發(fā)學(xué)生之間的良性競爭，引導(dǎo)學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、主動鉆研和反復(fù)實踐。

在課堂教學(xué)、課外閱讀、課后作業(yè)中，我們有針對性地提供一些需要用后續(xù)課程的知識才能解答的“開放”問題，激發(fā)學(xué)生持續(xù)深入學(xué)習(xí)，逐步形成鉆研問題的品質(zhì)。例如，我們在講完變量一章中故意設(shè)置“求從1到n的平方和”這樣的問題，盡管用已知的數(shù)學(xué)公式和已有的編程知識能夠完成，但它能夠使同學(xué)們隱隱體會到后續(xù)章節(jié)會出現(xiàn)的“循環(huán)”概念；而在講完函數(shù)一章后則提出“函數(shù)能否調(diào)用自己”的問題，引發(fā)同學(xué)思考，鼓勵同學(xué)嘗試，為后續(xù)章節(jié)的難點“遞歸”作好鋪墊。

各課程根據(jù)不同側(cè)重點精心設(shè)置小組大作業(yè)，要求各小組獨立開展調(diào)研，組織討論，協(xié)作完成大作業(yè)的程序設(shè)計與實現(xiàn)，最后安排課堂時間挑選優(yōu)秀小組進(jìn)行成果匯報，模擬學(xué)術(shù)交流過程，使學(xué)生體驗研究工作的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)術(shù)精神。

通過小組大作業(yè)來培養(yǎng)團隊協(xié)作能力，幫助大一學(xué)生盡快適應(yīng)大學(xué)的學(xué)習(xí)和生活。選拔和組織有基礎(chǔ)的學(xué)生，以3人為一隊進(jìn)行日常訓(xùn)練并參加ACM競賽，引導(dǎo)學(xué)生定位團隊角色，磨合團隊協(xié)作模式，在充分有效溝通的基礎(chǔ)上，分工合作，研究并解決問題。

4 以學(xué)生為主體進(jìn)行個性化教學(xué)，實現(xiàn)因材施教

在本系列課程的學(xué)生中，既有沒接觸過程序設(shè)計的，也有中學(xué)期間就獲得信息學(xué)大賽金牌的；既有計算機專業(yè)的，也有非計算機專業(yè)的。他們在計算思維方面的基礎(chǔ)差異大且專業(yè)發(fā)展方向不同，因此在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置上，我們準(zhǔn)備了多種教學(xué)預(yù)案。

在開課前對選課學(xué)生進(jìn)行計算機基礎(chǔ)調(diào)查和專業(yè)背景調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果調(diào)整部分教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)和考核要求，使不同課堂之間既遵循共同的教學(xué)理念和思路，又各有特色，滿足不同專業(yè)學(xué)生的專業(yè)發(fā)展需求。例如，數(shù)學(xué)專業(yè)的學(xué)生通常會在高年級時學(xué)習(xí)和使用Mathmatica語言，我們針對他們經(jīng)常遇到的問題，講解類似問題在C語言中如何解決，讓他們認(rèn)識到問題其實出在數(shù)學(xué)思路上。這樣，一方面為他們將來的課程學(xué)習(xí)打下好的基礎(chǔ)，照顧到他們專業(yè)發(fā)展的特殊性；另一方面又使他們加深了對計算思維的理解和認(rèn)識。

選拔有基礎(chǔ)、有意愿的同學(xué)擔(dān)任課程小教員，分組輔導(dǎo)身邊的同學(xué)。針對不同編程基礎(chǔ)的同學(xué)設(shè)計不同層次的題目，為不同專業(yè)的同學(xué)設(shè)計不同的示例。例如，針對數(shù)學(xué)專業(yè)同學(xué)設(shè)計示例時盡量選用數(shù)學(xué)問題進(jìn)行講解，如用二元一次方程組的求解過程講解分支結(jié)構(gòu)與邏輯思維的關(guān)系，用存儲素數(shù)表的應(yīng)用需要來講解文件操作等。在講解思路上也側(cè)重類比數(shù)學(xué)中的常用方法，如類比數(shù)學(xué)歸納法與遞歸的解題思路。在教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生就某個感興趣的問題深入鉆研，并在課堂上展示交流。我們每年都組織課程成績優(yōu)異且學(xué)有余力的學(xué)生參加校際的程序設(shè)計競賽，如“北京郵電大學(xué)校賽”“北京理工大學(xué)校賽”等。

開設(shè)雙語課堂，課程以英語講授為主，重點難點輔以中文解釋，為留學(xué)生和外語基礎(chǔ)好的學(xué)生提供更合適的學(xué)習(xí)環(huán)境；采用討論式教學(xué)方式，組織學(xué)生進(jìn)行課上報告，促進(jìn)課堂內(nèi)交流互動，分享編程經(jīng)驗與心得，彼此學(xué)習(xí)、共同提高；發(fā)揮英語教學(xué)優(yōu)勢，依據(jù)并切合學(xué)生實際編程能力，引入經(jīng)典英文學(xué)術(shù)論文（部分論文Google引用次數(shù)達(dá)30 000次以上）的閱讀與實現(xiàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)興趣。

依托計算機系學(xué)生創(chuàng)新實驗室組建清華大學(xué)ACM競賽代表隊，為有很好基礎(chǔ)并希望繼續(xù)提高算法水平的同學(xué)提供平臺，提供與國內(nèi)外高校程序設(shè)計高手競技和交流的機會。

5 效果

以上教學(xué)改革措施在實踐中取得了很好的效果，主要體現(xiàn)在：

（1）相關(guān)系列課程的教學(xué)效果和學(xué)生評教均很好。學(xué)生反映，系列課程的學(xué)習(xí)不僅使他們覺得具體專門的知識是非常有趣和實用的，還從中深刻領(lǐng)悟了做人做事的道理。

（2）清華大學(xué)ACM競賽代表隊的競賽成績近年來一直穩(wěn)定在世界前列，學(xué)生在競賽過程中切實感受到了追求卓越的學(xué)校傳統(tǒng)，領(lǐng)悟到了計算的科學(xué)之美與算法的藝術(shù)之美。

（3）在國家精品資源共享課程項目的申報與建設(shè)過程中，本成果的應(yīng)用對于申報立項成功也發(fā)揮了重要作用，保證了精品資源在理念與內(nèi)容上的先進(jìn)性和獨特性。

（4）在成果建設(shè)過程中形成的《程序設(shè)計基礎(chǔ)（第3版）》被評為國家“十二五”規(guī)劃教材。

（5）經(jīng)過本成果中系列課程的學(xué)習(xí)培養(yǎng)，學(xué)生提高了學(xué)習(xí)能力，為后續(xù)課程（如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Java語言編程等）的學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

（6）本系列課程大大加強了學(xué)生解決實際問題的設(shè)計與實現(xiàn)能力，一些同學(xué)參加國際大學(xué)生超級計算機競賽、挑戰(zhàn)杯項目等，均取得了優(yōu)異成績。

6 結(jié)語

要建成一個好的系列課程體系，必須“用心”，從科教興國的戰(zhàn)略高度，對教育對象負(fù)責(zé)，對建設(shè)世界一流大學(xué)的目標(biāo)負(fù)責(zé)。教育最重要的是要喚醒學(xué)生的力量，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，使他們樹立終身學(xué)習(xí)的觀念。對此，我們深感責(zé)任重大。課程建設(shè)只有起點，沒有終點，未來我們會不懈努力，勇于探索，以取得更好成績。