程序設(shè)計(jì)課程中解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)

◆呂 迪 閆青霞 萬 英

程序設(shè)計(jì)課程中解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)

◆呂 迪 閆青霞 萬 英

（云南大學(xué)旅游文化學(xué)院 云南 674100）

本文研究工程教育認(rèn)證中提升解決復(fù)雜工程問題能力的方法，建立普通模型和復(fù)雜工程模型作為教學(xué)改革的基礎(chǔ)，運(yùn)用結(jié)合MOOC、項(xiàng)目驅(qū)動的混合教學(xué)模式，對標(biāo)工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)制定新的課程考核標(biāo)準(zhǔn)。通過教學(xué)實(shí)踐和持續(xù)改進(jìn)提出提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的措施和教改方案。

工程教育認(rèn)證；復(fù)雜工程問題；程序設(shè)計(jì)；能力培養(yǎng)

隨著我國教育改革深化，我國高等教育水平向著世界一流水平邁進(jìn)。在新時(shí)代環(huán)境下要求高校對新老問題和矛盾進(jìn)行改革與創(chuàng)新，以提高辦學(xué)質(zhì)量。2017年，教育部在“教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知”中指出，新工科研究和實(shí)踐圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系開展[1]。自我國加入《華盛頓協(xié)議》[2]之后，中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會制定了工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)”）。各高校以認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，積極開展教學(xué)改革實(shí)踐，借此契機(jī)提高教學(xué)教育質(zhì)量。截至2018年底，全國共有227所高等學(xué)校的1170個(gè)專業(yè)通過了工程教育認(rèn)證，分布于機(jī)械、化工與制藥等21個(gè)工科專業(yè)類[3]。

認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對畢業(yè)生提出12條具體要求，“分析/解決復(fù)雜工程問題”在標(biāo)準(zhǔn)中多次提及。從中可以看出如何在專業(yè)課程中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)是達(dá)到認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的核心基礎(chǔ)。認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)雜工程問題的定義有7條，最重要的是第1條即“必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決”，剩余6條是對第1條問題的補(bǔ)充說明。從教學(xué)設(shè)計(jì)的角度看，教學(xué)應(yīng)該注重“學(xué)習(xí)原理”和“分析問題”兩方面，將“解決復(fù)雜問題”的能力納入培養(yǎng)目標(biāo)當(dāng)中，同時(shí)要體現(xiàn)在教學(xué)實(shí)施環(huán)節(jié)中?！癑AVA程序設(shè)計(jì)”課程是云南大學(xué)旅游文化學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，近年來正以認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行該門課程的改革探索。

1 “解決復(fù)雜工程問題”能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀

關(guān)于程序設(shè)計(jì)類課程“復(fù)雜工程問題”的定義，國內(nèi)高校各有見解，未形成比較統(tǒng)一的認(rèn)定。認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為“解決復(fù)雜工程問題”給出的定義包含：①運(yùn)用深入的工程原理、②建立抽象模型、③涉及多方面技術(shù)和工程、④相關(guān)利益不一致、⑤標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為完全包含、⑥常用方法不能完全解決以及綜合性。可以看出要達(dá)到這些要求，大部分高校的課程設(shè)計(jì)未能達(dá)到這些要求。在課程教學(xué)中，理論教學(xué)一般不會考慮項(xiàng)目成本構(gòu)成、利益等內(nèi)容。實(shí)踐環(huán)節(jié)是進(jìn)行知識點(diǎn)、算法和設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，也會適當(dāng)加入綜合性設(shè)計(jì)的題目，但是缺少綜合考慮技術(shù)、工程、法律等多因素相互制約的復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 課程目標(biāo)的制定

程序設(shè)計(jì)類課程目標(biāo)的制定基于認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的三大教育理念展開即：倡導(dǎo)以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向（Outcome Based Education， OBE）、持續(xù)改進(jìn)（Continue Quality Improvement，CQI），具有解決復(fù)雜工程問題的能力是本科生必須具備的能力[4]。根據(jù)產(chǎn)出導(dǎo)向的理念采用反向設(shè)計(jì)的方式，先確定培養(yǎng)目標(biāo)，再制定培養(yǎng)計(jì)劃，再進(jìn)行教學(xué)活動，在教學(xué)過程中通過反饋，持續(xù)改進(jìn)實(shí)施中的教學(xué)細(xì)節(jié)。以“JAVA程序設(shè)計(jì)”課程為例，摘取部分指標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行說明：

指標(biāo)點(diǎn)2.3：掌握數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識、計(jì)算機(jī)專業(yè)知識并能夠?qū)⑵溥\(yùn)用到復(fù)雜工程問題的分析和求證。

指標(biāo)點(diǎn)3.2：能夠就計(jì)算機(jī)運(yùn)用領(lǐng)域中的復(fù)雜工程問題進(jìn)行開發(fā)、選擇合適的技術(shù)解決問題同時(shí)理解其局限性。

課程目標(biāo)明確了著重培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)和能力提高，具體知識方面包括：①掌握程序語言的運(yùn)算符及表達(dá)式；②掌握J(rèn)AVA的三種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；③掌握面向?qū)ο蟮暮x、類的定義；④掌握類的三大特性；⑤掌握抽象類和接口的使用。能力方面包括：⑧能夠建立事件模型并通過類進(jìn)行描述；⑥能夠運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)思想解決困難問題；⑦能夠掌握模塊化設(shè)計(jì)思想；⑧熟練使用開發(fā)環(huán)境和調(diào)試；⑨能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法解決問題；⑩有良好的程序設(shè)計(jì)邏輯思維。其中①至⑤能夠支撐指標(biāo)點(diǎn)2.3；⑥至⑦能夠支撐指標(biāo)點(diǎn)4.3。

3 在教學(xué)過程中實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力

為培養(yǎng)學(xué)生的能力，不能在教學(xué)過程中強(qiáng)迫的授課，教師應(yīng)該在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)思維和解決復(fù)雜工程的方法。教學(xué)過程應(yīng)該以學(xué)生為中心，循序漸進(jìn)地進(jìn)行授課。

（1）講解程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識過程中融入數(shù)學(xué)和物理知識，構(gòu)建驗(yàn)證型的模型。程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識點(diǎn)包括數(shù)據(jù)類型、表達(dá)式、控制結(jié)構(gòu)、類及其特性、抽象類和接口以及異常。在這些知識點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和作業(yè)設(shè)計(jì)上就可以融入數(shù)學(xué)和物理相關(guān)的知識，針對性的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)和物理模型。通過模型的求解，滿足教育認(rèn)證的要求并鍛煉學(xué)生求解問題的能力，設(shè)計(jì)案例如表1所示。

表1 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證案例

（2）提升案例難度，構(gòu)建復(fù)雜工程的模型。數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證只為提升學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，在第二階段，我們利用實(shí)際工作需求設(shè)計(jì)訓(xùn)練模型。設(shè)計(jì)模型過程中將重點(diǎn)放在關(guān)鍵知識點(diǎn)的運(yùn)用，基礎(chǔ)知識內(nèi)容不再作為練習(xí)的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)過程中同時(shí)兼?zhèn)浞蠌?fù)雜工程的特點(diǎn)。復(fù)雜工程問題案例如表2所示。

表2 復(fù)雜工程模型案例

圍繞課程重要知識點(diǎn)，設(shè)計(jì)難度較高的案例，進(jìn)一步提升對重點(diǎn)內(nèi)容的理解和運(yùn)用。案例的求解需要學(xué)生深入分析程序的結(jié)構(gòu)，同時(shí)案例設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)用場景一樣。通過練習(xí)能夠提升學(xué)生的編程能力，擴(kuò)展知識面，提高分析問題的能力。案例設(shè)計(jì)的難度能夠達(dá)到全國計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟件專業(yè)技術(shù)資格考試[5]初級的難度，這樣同時(shí)滿足國家對從業(yè)人員技能的要求。以銀行管理系統(tǒng)為例：首先學(xué)生需要設(shè)計(jì)三個(gè)類的屬性，考慮如何進(jìn)行封裝；其次需要設(shè)計(jì)三個(gè)類之間繼承關(guān)系；再有考慮設(shè)計(jì)類里面的方法，權(quán)衡方法應(yīng)該如何調(diào)用；最后考慮可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤輸入和輸出，設(shè)計(jì)對應(yīng)的異常處理。案例的設(shè)計(jì)需要學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識的前提下設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，反復(fù)測試才能順利完成設(shè)計(jì)。

復(fù)雜工程問題案例設(shè)計(jì)的思路如下：

（1）案例設(shè)計(jì)應(yīng)該貼近實(shí)際運(yùn)用，程序設(shè)計(jì)本身就源于生活，所以將實(shí)際問題設(shè)計(jì)到案例中，可以更好地提高學(xué)習(xí)興趣。例如數(shù)學(xué)中常見的等比、階乘等問題，學(xué)生實(shí)踐過程難免覺得枯燥。如果將房價(jià)問題、工資計(jì)算、消費(fèi)能力計(jì)算等問題設(shè)計(jì)在案例中，學(xué)生可以結(jié)合經(jīng)濟(jì)和數(shù)學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行分析，體現(xiàn)出學(xué)科交叉運(yùn)用的能力。

（2）案例設(shè)計(jì)的難度應(yīng)該進(jìn)行控制。案例開始應(yīng)該簡單，而后循序漸進(jìn)的提升復(fù)雜度，同時(shí)開放性的設(shè)計(jì)一些學(xué)生能夠自己優(yōu)化的內(nèi)容。例如設(shè)計(jì)購物折扣問題，除了按照規(guī)定的折扣方案設(shè)計(jì)以外，學(xué)生可以思考在控制成本的前提下自己設(shè)計(jì)活動的方案。

4 融合多種教學(xué)方式進(jìn)行混合教學(xué)

將傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式和慕課、微課等教學(xué)手段想融合可以提高學(xué)習(xí)的效果[6-7]。授課前教師根據(jù)課時(shí)，錄制教學(xué)視頻并將作業(yè)布置在視頻中，課前學(xué)生通過視頻自主學(xué)習(xí)知識點(diǎn)，上課過程中教師只作為輔導(dǎo)的角色對課程內(nèi)容進(jìn)行解答和開展案例實(shí)踐。這樣很大程度節(jié)約上課時(shí)間，同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

結(jié)合工程教育認(rèn)證對畢業(yè)生的12條標(biāo)準(zhǔn)制定考核方案，具體考核內(nèi)容包括：基礎(chǔ)知識（學(xué)生學(xué)習(xí)筆記、課程作業(yè)、期中考試和期末考試）、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等?？己诉^程中學(xué)習(xí)筆記、課程作業(yè)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作應(yīng)該全程考核，實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的考核通過期中和期末考試來體現(xiàn)。我校Java程序設(shè)計(jì)課程的期中和期末考試，采用綜合性的項(xiàng)目實(shí)踐進(jìn)行考核，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自主完成，制作過程可以自主學(xué)習(xí)、查找資料和相互討論的方式進(jìn)行。為避免項(xiàng)目抄襲的發(fā)生，提交項(xiàng)目之后需通過答辯的方式進(jìn)行考核。答辯過程中教師可就項(xiàng)目本身、基礎(chǔ)知識、算法、測試等多方面進(jìn)行提問，根據(jù)答辯的情況進(jìn)行量化打分，所以項(xiàng)目的成績由項(xiàng)目基礎(chǔ)成績和答辯成績兩部分組成。項(xiàng)目基礎(chǔ)打分可以從5個(gè)方面進(jìn)行，即項(xiàng)目分析、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、代碼實(shí)現(xiàn)、代碼編寫規(guī)范、項(xiàng)目報(bào)告進(jìn)行考察。綜上，我們將項(xiàng)目案例考核指標(biāo)量化，詳見表3所示。

表3 項(xiàng)目考評指標(biāo)

通過混合教學(xué)模式和新的考核方式之后，由于授課過程的變化，學(xué)生必須提前學(xué)習(xí)進(jìn)而培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的能力，項(xiàng)目案例的考核方式讓學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考和分析，最后答辯方式的考核機(jī)制又將課程難度提高，學(xué)生必須在充分理解項(xiàng)目細(xì)節(jié)才能通過答辯。通過教學(xué)改革學(xué)生學(xué)習(xí)效果明顯提升，不及格率由27%下降到16%，課程知識點(diǎn)由理解原理上升到實(shí)際運(yùn)用。同時(shí)規(guī)范代碼書寫格式，專業(yè)素養(yǎng)得到提高。學(xué)生反饋的情況是：由原來的盲目學(xué)習(xí)變?yōu)閹в?jì)劃的、循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)方式，反饋情況良好。

5 結(jié)語

計(jì)算機(jī)專業(yè)要達(dá)到教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，首先要充分理解它的教育理念，認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中最重要也最難實(shí)現(xiàn)的就是解決“復(fù)雜工程問題”。制定教改方案時(shí)應(yīng)該反向設(shè)計(jì)，先確定教學(xué)目標(biāo)再自頂而下分解教育認(rèn)證的指標(biāo)，尤其在課程設(shè)計(jì)過程中著重考慮“復(fù)雜工程問題”如何實(shí)現(xiàn)。通過多輪的反復(fù)實(shí)踐和論證，持續(xù)改進(jìn)，最后形成完善的、可參考的教學(xué)改革方案。

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2018年云南大學(xué)旅游文化學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目“程序設(shè)計(jì)類課程工程教育認(rèn)證教學(xué)模式研究”（編號：XYJG201812）；2018年云南大學(xué)旅游文化學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目“以項(xiàng)目驅(qū)動的軟件能力培養(yǎng)模式研究”（編號：XYJG201811）。