OBE模式下的程序設(shè)計與算法基礎(chǔ)課程改革探索

吳 勁，周 帆，王瑞錦，羅緒成

（電子科技大學(xué) 信息與軟件工程學(xué)院，四川 成都 610054）

0 引言

在OBE（Outcomes-Based Education，成 果導(dǎo)向教育）模式中，教育者必須對學(xué)生畢業(yè)時應(yīng)達到的能力及其水平有清楚的認知，然后尋求設(shè)計適宜的教育方法和手段來保證學(xué)生達到這些預(yù)期目標[1]。OBE理念從傳統(tǒng)的“以教師為中心”轉(zhuǎn)向“以學(xué)生為中心”，強調(diào)教學(xué)目標要先于教學(xué)內(nèi)容，掌握學(xué)生現(xiàn)有的學(xué)習(xí)能力水平，圍繞實現(xiàn)學(xué)生畢業(yè)時應(yīng)達到的能力和要求進行反向教學(xué)設(shè)計，教師循序漸進地進行“以學(xué)生為中心”的教學(xué)活動。

1 OBE模式對課程的要求

OBE工程教育模式是一項時間跨度長、牽涉面廣、改革縱深大的綜合教育改革，OBE不是對原有教學(xué)薄弱環(huán)節(jié)的縫縫補補，也不是在教學(xué)、課程或產(chǎn)學(xué)研教育中移入OBE的某個要素，而是以O(shè)BE蘊含的理念為指導(dǎo)，在充分借鑒、整合CDIO改革經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對培養(yǎng)目標、課程內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)評價進行變革[2]。

OBE設(shè)計思路如圖1所示，按照“反向”設(shè)計思路，首先確定專業(yè)人才培養(yǎng)目標，根據(jù)培養(yǎng)目標，細化到畢業(yè)要求；按照畢業(yè)要求，確定課程體系，再根據(jù)不同課程教學(xué)內(nèi)容和知識、能力培養(yǎng)要求，確定課程教學(xué)方法。在有效保障的基礎(chǔ)上，通過多元評價來評價人才培養(yǎng)效果的達成情況，并在此基礎(chǔ)上，形成教學(xué)反饋與改進措施，指導(dǎo)培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、課程體系以及教學(xué)方式的調(diào)適，形成持續(xù)改進、動態(tài)調(diào)整的人才培養(yǎng)機制[3]。

培養(yǎng)目標（Program Objective，PO）包括3個具體方面：知識結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)和素質(zhì)結(jié)構(gòu)，知識結(jié)構(gòu)包含PO1（具備自然科學(xué)知識）、PO2（具備專業(yè)基礎(chǔ)知識）、PO3（具備專業(yè)知識）；能力結(jié)構(gòu)包含PO4（獲取知識的能力）、PO5（應(yīng)用知識的能力）、PO6（團隊協(xié)作及項目管理的能力）；素質(zhì)結(jié)構(gòu)包含PO7（科學(xué)素養(yǎng)與職業(yè)道德）、PO8（人文素養(yǎng)和社會責(zé)任感）、PO9（創(chuàng)新意識和國際競爭力）。

圖1 OBE設(shè)計思路

以電子科技大學(xué)為例，軟件工程專業(yè)的畢業(yè)要求（Graduation Requirements,GR）分為了12條，每一條畢業(yè)要求又分解成幾個指標點。程序設(shè)計與算法基礎(chǔ)課程支持培養(yǎng)目標PO2和PO5，對應(yīng)支持兩個畢業(yè)要求：GR1（具備較完整的軟件工程知識結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、專業(yè)知識用于解決復(fù)雜軟件系統(tǒng)問題）的指標點GR1.2（掌握軟件工程、計算機及相關(guān)的基礎(chǔ)知識，能將其應(yīng)用于軟件工程中的系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信、支撐平臺等問題）；GR5（能夠針對復(fù)雜軟件系統(tǒng)，選擇與使用合適的開發(fā)環(huán)境、工具與技術(shù)標準，進行模擬和測試，并對輸出結(jié)果進行分析，得出相應(yīng)的評估結(jié)論）的指標點GR5.2（能夠根據(jù)軟件系統(tǒng)的應(yīng)用場景，選擇合適的開發(fā)環(huán)境、工具與技術(shù)標準進行軟件系統(tǒng)的開發(fā)）。

課程根據(jù)需要支撐的培養(yǎng)目標和指標點，確定課程目標（Curriculum Objective，CO）：CO1，了解軟件工程、計算機的基本概念；CO2，掌握結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法；CO3，選擇合適的開發(fā)環(huán)境、工具，用C語言進行軟件系統(tǒng)的開發(fā)；CO4，訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力，培養(yǎng)其嚴謹?shù)乃季S方式和良好的程序設(shè)計風(fēng)格。

按知識點把課程分成9個課程模塊（Curriculum Modular，CM）：CM1，程序設(shè)計導(dǎo)論，了解計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成，程序運行的基本原理，C語言的歷史和特點；CM2，掌握C語言的格式化輸入輸出方法；CM3，掌握C語言的表達式的使用方法；CM4，掌握程序的3種基本結(jié)構(gòu)——順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)；CM5，掌握C語言中的基本數(shù)據(jù)類型；CM6，掌握數(shù)組和結(jié)構(gòu)這兩種數(shù)據(jù)類型，能夠應(yīng)用這兩種數(shù)據(jù)類型來描述實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)；掌握這兩種數(shù)據(jù)類型的成員訪問方法；CM7，正確理解指針的概念、掌握兩個運算符*和&的用法，熟練掌握指針與數(shù)組的關(guān)系，能運用指針解決實際問題；CM8，函數(shù)，掌握函數(shù)的定義和調(diào)用，領(lǐng)悟參數(shù)傳值和傳址的本質(zhì)，學(xué)會使用模塊化程序設(shè)計解決問題；CM9，掌握字符串的用法，掌握字符串數(shù)組和字符串指針。

課程支撐的培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求及其指標點與課程模塊的關(guān)系見表1，程序設(shè)計基礎(chǔ)課程模塊CM1、CM2、CM3、CM4、CM5支撐課程目標CO1、CO2，支撐畢業(yè)要求GR1的指標點GR1.2，支撐培養(yǎng)目標PO2；課程模塊CM6、CM7、CM8、CM9支撐課程目標CO3、CO4，支撐畢業(yè)要求GR5的指標點GR5.2，支撐培養(yǎng)目標PO5。

表1 課程支撐關(guān)系

2 構(gòu)建良性教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進模式

OBE工程教育是一個持續(xù)改進的過程，它要求建立一種有效的持續(xù)改進機制，從而實現(xiàn)如下功能：能夠持續(xù)地改進培養(yǎng)目標，以保障其始終與內(nèi)、外部需求相符合；能夠持續(xù)地改進畢業(yè)要求，以保障其始終與培養(yǎng)目標相符合；能夠持續(xù)地改進教學(xué)活動，以保障其始終與畢業(yè)要求相符合[4]。課程也在實踐中構(gòu)建了良性教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進模式，從階段一的CDIO理念與課程的融合，過渡到階段二的打破課程壁壘、多課程深度融合。

2.1 CDIO理念與課程融合

對軟件工程專業(yè)學(xué)生而言，實踐動手能力更多地體現(xiàn)在上機利用程序設(shè)計語言解決軟件工程領(lǐng)域的實際問題，為了讓學(xué)生能盡快進入角色，需要解決如下幾方面的問題。

（1）理論與實踐聯(lián)系不夠緊密。先上理論課、后上機實踐的教學(xué)方式，對程序設(shè)計類課程而言，特別是對于經(jīng)過題海戰(zhàn)術(shù)洗禮的大學(xué)新生而言，很容易讓他們把程序設(shè)計課程當成文科課程來學(xué)習(xí)，背語法、輕實踐。

（2）計算機和軟件知識體系的實踐性、實用性、探索性和趣味性在教學(xué)中沒有充分地體現(xiàn)出來。程序設(shè)計類語言種類繁多，但就其本質(zhì)可分為面向過程、面向?qū)ο髢深?，因此在課程設(shè)置上，開設(shè)面向過程的C語言程序設(shè)計作為入門課程，將面向?qū)ο蟮腏ava或C++課程作為項目訓(xùn)練階段的進階課程。

這一階段的具體改革措施如下。

（1）課程針對的是零基礎(chǔ)的大學(xué)新生，擔(dān)負導(dǎo)論課的要求，引導(dǎo)新生對計算機系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)有個初步的認知，引導(dǎo)其課前、課后的自我學(xué)習(xí)能力。

（2）通過直接在機房上課，講和練緊密結(jié)合，幫助初學(xué)者學(xué)會調(diào)試、運行程序，調(diào)試時能夠發(fā)現(xiàn)錯誤、糾正錯誤，快速提升學(xué)生編程能力。

（3）采用螺旋式的方式，先從最簡單的內(nèi)容入手，在后續(xù)章節(jié)進行擴展講解，逐漸增加細節(jié)。強調(diào)軟件工程，著眼于如何運用C語言來處理程序設(shè)計過程中產(chǎn)生的問題，強調(diào)程序的易讀、可維護。

（4）建立以自動評測系統(tǒng)和實踐動手能力考核為主的多元化考核體系，程序設(shè)計課程的考核成績由3部分組成：①Online Judge平臺編程作業(yè)成績；②期末考試，題目類型強調(diào)學(xué)生讀程序、寫程序能力的考核；③綜合實驗成績。

（5）強調(diào)程序設(shè)計語言的工具特點，要求學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)中繼續(xù)上機實踐，設(shè)計與實現(xiàn)如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)課程的內(nèi)容。

（6）與工程項目相結(jié)合，特別是在程序設(shè)計的進階課程面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程中，編寫相對大型的軟件系統(tǒng)，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生參加各類競賽，在實踐中提升編程能力。

2.2 多課程深度融合

傳統(tǒng)教育的課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)時數(shù)是依據(jù)教材確定的。按學(xué)科需求構(gòu)建的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)，被課程割裂成一個個獨立的知識體系，并被固化在一本本“教材”之中[5]。OBE模式的核心就是以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，促使知識的內(nèi)涵和外延不斷擴大，如何構(gòu)建有效的知識圖譜，是教育工作一線的廣大教師需要認真思考的問題。

程序設(shè)計與算法基礎(chǔ)是計算導(dǎo)論、C語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法基礎(chǔ)等課程內(nèi)容的深度融合，從構(gòu)建有效的知識圖譜的角度，打破課程壁壘，對原有課程進行整合，不是簡單、機械地課程內(nèi)容堆積，而是系統(tǒng)性整合與深度優(yōu)化。

第一學(xué)期開設(shè)程序設(shè)計與算法I：以程序設(shè)計基礎(chǔ)為主，承擔(dān)導(dǎo)論課程的任務(wù)，適當引入軟件工程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)算法的內(nèi)容。

第二學(xué)期開設(shè)程序設(shè)計與算法II：以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法基礎(chǔ)為主線，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

程序設(shè)計與算法基礎(chǔ)課程定位于計算機、軟件工程專業(yè)的大學(xué)新生，是引導(dǎo)學(xué)生建立計算思維方式的重要課程，因此采用“人工智能+教育”新模式，以學(xué)生為中心，通過在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、系統(tǒng)支撐等方面進行探索和實踐，可以構(gòu)建基于“人工智能+教育”的以學(xué)生為中心的智慧學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)。

該模式以學(xué)生為中心、以問題分析為導(dǎo)向，不是讓學(xué)生去單純學(xué)習(xí)語法規(guī)則，而是分析和理解為何會形成相應(yīng)的規(guī)則，這些規(guī)則可以解決什么問題、不能解決什么問題，怎么基于規(guī)則、重組規(guī)則解決復(fù)雜工程問題。

構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)人機合理的分工，將單調(diào)、重復(fù)的工作交給計算機系統(tǒng)，教師負責(zé)具有情感性、創(chuàng)造性的工作，教師通過對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行采集、分析和評測，實施對學(xué)生的精準教學(xué)。

課程目標是普惠絕大多數(shù)學(xué)生，能夠使初期水平不夠的學(xué)生，在合理的知識圖譜導(dǎo)航下找到適合自己的學(xué)習(xí)方式。需要教師探索基于人工智能的新教學(xué)模式，重構(gòu)教學(xué)流程，并運用人工智能開展教學(xué)過程監(jiān)測、學(xué)情分析和學(xué)業(yè)水平診斷，建立基于大數(shù)據(jù)的多維度綜合性智能評價，精準評估教與學(xué)的績效，實現(xiàn)因材施教，進行“程序設(shè)計與算法基礎(chǔ)”課程“人工智能+教育”模式的探索與實踐。

3 OBE達成度計算

從2018年秋季學(xué)期開始，筆者進行了課程融合后的“程序設(shè)計與算法基礎(chǔ)”第一輪實踐，指標點達成度評價依賴課程的達成度，課程的達成度依賴期末考試、平時作業(yè)和綜合實驗，其計算方法見表2—表4，筆者以最近一次課程的數(shù)據(jù)來說明計算方法。

為了強調(diào)實踐，期末考試的試題分三大類：①讀程序按要求寫結(jié)果；②讀程序補齊代碼（代碼填空）；③按要求寫程序。表2是期末考試各個小題對應(yīng)的課程模塊和課程目標的關(guān)系表，并根據(jù)相應(yīng)分數(shù)計算出的期末考試達成度。

表2 期末考試評價

表3 平時作業(yè)評價

表4 綜合實驗評價

表3是平時作業(yè)評價表，對應(yīng)了4組實驗，每組實驗又包含若干上機實驗題目，每組實驗對應(yīng)一個課程目標。所有的上機實驗題目要求學(xué)生提交到電子科技大學(xué)卓越工程師實踐教育平臺的代碼在線測評系統(tǒng)中，由系統(tǒng)自動根據(jù)程序源碼判分，這部分內(nèi)容允許學(xué)生在截止時間之前反復(fù)刷分，鼓勵學(xué)生積極上機練習(xí)實踐。

課程最后有一個綜合應(yīng)用所學(xué)知識點和算法解決實際工程問題的綜合課程實驗，表4中計算了綜合實驗的達成度。

根據(jù)表2、表3和表4的內(nèi)容，可以計算出課程達成度，課程達成度評價見表5。這次的計算模型與課程融合加強了上機實踐環(huán)節(jié)的考評，對學(xué)生的整體能力提升起到了促進作用。CO3指標全部由實踐環(huán)節(jié)（平時上機作業(yè)+綜合課程實驗）支撐，充分體現(xiàn)了新工科的思路，強調(diào)做中學(xué)。語法基礎(chǔ)部分的權(quán)重系數(shù)降低，綜合知識應(yīng)用部分的權(quán)重系數(shù)升高，進一步鼓勵學(xué)生上機實踐。

基于OBE和新工科要求下的課程融合的需要，在原有的“C語言程序設(shè)計”課程內(nèi)容和課程深度上進行了擴展，課程名稱改為“程序設(shè)計與算法基礎(chǔ)I”。表6是指標點達成度評價表，表中權(quán)重系數(shù)指本課程對某項指標點達成度（一個指標點的達成度通常由多門課程支撐）的貢獻度。與課程融合之前比較，語法基礎(chǔ)部分講授進度加快，跟不上進度的學(xué)生可以課后學(xué)習(xí)“程序設(shè)計基礎(chǔ)”MOOC課程，該課程在學(xué)堂在線與課程同步上線，支持本課程的混合教學(xué)模式的嘗試；增加了在線測評系統(tǒng)，平時作業(yè)全部提交到在線測評系統(tǒng)上，強化課后上機實驗，強調(diào)做中學(xué)；在課程和實驗中引導(dǎo)學(xué)生理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)算法的初步應(yīng)用。

表5 課程達成度評價

表6 指標點達成度評價

4 結(jié)語

電子科技大學(xué)信息與軟件工程學(xué)院結(jié)合國家“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，堅持以學(xué)生為中心、以創(chuàng)新求發(fā)展的人才培養(yǎng)理念，培養(yǎng)專業(yè)知識厚、綜合素質(zhì)高、創(chuàng)新能力強、具有良好職業(yè)素養(yǎng)、擁有國際視野和社會競爭力強的工程型軟件人才。積極貫徹“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”三大理念，主動對標《華盛頓協(xié)議》和中國工程教育認證標準要求，修訂培養(yǎng)目標、重組課程體系、深化課堂改革、明晰教師責(zé)任、健全評價機制、完善條件保障，著力建立持續(xù)改進的質(zhì)量文化，使人才培養(yǎng)質(zhì)量明顯提升。2016年軟件工程專業(yè)一次通過了中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會的工程教育認證。

在OBE模式下，程序設(shè)計與算法基礎(chǔ)課程持續(xù)改進的第2階段探索與實踐才剛剛開始，課程融合后的第一輪實踐，從達成度計算的結(jié)果和學(xué)生的評教反饋可以看出效果良好，課程群將再接再厲，持續(xù)改進，對課程內(nèi)容按OBE要求進一步深度融合。