面向應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的Fortran語(yǔ)言教學(xué)改革實(shí)踐

葛坤朋， 謝基海， 龔育齡， 王彥國(guó)， 陳 曉， 鄧居智

(東華理工大學(xué) 地球物理與測(cè)控技術(shù)學(xué)院， 江西 南昌 330013)

Fortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)是地球物理學(xué)、勘查技術(shù)與工程、地球信息科學(xué)與技術(shù)等地學(xué)類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的主修課程，也是數(shù)值分析方法、數(shù)字信號(hào)處理、重磁勘探等后續(xù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)，在地球物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)體系中起著重要作用。隨著國(guó)內(nèi)地學(xué)高校對(duì)該課程的愈加重視，F(xiàn)ortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)已經(jīng)成為學(xué)生接觸的第一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的最后一門(mén)高級(jí)編程語(yǔ)言。如何培養(yǎng)學(xué)生利用該語(yǔ)言解決地學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的相關(guān)問(wèn)題，成為高水平應(yīng)用型創(chuàng)新人才，是該課程教學(xué)改革的重點(diǎn)[1，2]。

近年來(lái)，F(xiàn)ortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)改革已取得了一定進(jìn)展，提出了拓展教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化教學(xué)方式等教學(xué)改革措施[3，4]。然而,作為一種高級(jí)程序語(yǔ)言，F(xiàn)ortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)很容易被認(rèn)為是通識(shí)計(jì)算機(jī)課程的延伸，其專(zhuān)業(yè)性往往被忽視。這種忽視又進(jìn)一步造成程序語(yǔ)言知識(shí)的重復(fù)講授，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該課程的興趣不足，阻滯了其在專(zhuān)業(yè)上的拓展應(yīng)用。因此，F(xiàn)ortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)性和趣味性教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1 Fortran語(yǔ)言教學(xué)中存在的問(wèn)題

我們?cè)趯?duì)東華理工大學(xué)2014級(jí)和2015級(jí)地球物理學(xué)、勘查技術(shù)與工程2個(gè)年級(jí)2個(gè)專(zhuān)業(yè)的Fortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)與實(shí)踐總結(jié)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，教學(xué)效果不夠理想。由于本校學(xué)生在大一期間學(xué)習(xí)了《計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)》和《Visual Basic程序設(shè)計(jì)》，且缺乏對(duì)Fortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)重要性認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)態(tài)度比較差，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足。特別是Fortran程序作業(yè)獨(dú)立完成情況不佳，部分學(xué)生采取直接抄襲或上網(wǎng)搜索。另有部分成績(jī)優(yōu)秀的學(xué)生采用VB等其它語(yǔ)言解決問(wèn)題，直接導(dǎo)致本課程的教學(xué)目的和培養(yǎng)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。在Fortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)中存在的問(wèn)題，具體原因歸納如下。

(1)教學(xué)內(nèi)容存在問(wèn)題。教學(xué)內(nèi)容有大量篇幅用于Fortran語(yǔ)法規(guī)則、語(yǔ)句格式等記憶性?xún)?nèi)容的講授，實(shí)踐性、專(zhuān)業(yè)性?xún)?nèi)容偏少，容易使學(xué)生死記硬背，甚至出現(xiàn)畏難心理，進(jìn)而對(duì)Fortran語(yǔ)言的學(xué)習(xí)失去信心。

(2)教學(xué)方法和教學(xué)手段存在問(wèn)題。在具備計(jì)算機(jī)編程基本知識(shí)后，大部分學(xué)生能夠看懂簡(jiǎn)單程序，但在自己編寫(xiě)程序時(shí)仍無(wú)從下手。這是由于Fortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)較為抽象、枯燥，并且其與VB語(yǔ)言特征相近，基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容有較大重疊性。使學(xué)生產(chǎn)生Fortran語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)的判斷，但卻在編寫(xiě)形式上容易出錯(cuò)。最終導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降，教學(xué)效果不夠理想。

(3)考核評(píng)價(jià)方式存在問(wèn)題。目前較為單一的考核方式無(wú)法有效地考查學(xué)生編程的學(xué)習(xí)和應(yīng)用效果，并且因在作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告中存在程序抄襲等不誠(chéng)信行為，進(jìn)一步影響了學(xué)生對(duì)于Fortran語(yǔ)言程序的學(xué)習(xí)和應(yīng)用主動(dòng)性。

2 具體的教學(xué)改革

2.1 教學(xué)內(nèi)容

基于學(xué)生已具備的高級(jí)語(yǔ)言基礎(chǔ)知識(shí)，F(xiàn)ortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)應(yīng)采取以專(zhuān)業(yè)性應(yīng)用為導(dǎo)向的教學(xué)方式，啟發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)Fortran語(yǔ)言知識(shí)。在重視理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)突出專(zhuān)業(yè)性實(shí)踐教學(xué)特色。

以培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才為目標(biāo)，重新對(duì)Fortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合歸納，分為初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)應(yīng)用三大模塊，并對(duì)中高級(jí)應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)講授。在理論知識(shí)講授時(shí)，將重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)分散其中，并把相對(duì)抽象枯燥的語(yǔ)法知識(shí)貫穿在與學(xué)生專(zhuān)業(yè)息息相關(guān)的地球物理類(lèi)應(yīng)用問(wèn)題之中進(jìn)行講解(表1)。同時(shí)緊跟實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在學(xué)生編寫(xiě)程序解決具體的地球物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)問(wèn)題中深化其對(duì)Fortran語(yǔ)言基礎(chǔ)知識(shí)的掌握以及對(duì)該語(yǔ)言的專(zhuān)業(yè)重要性認(rèn)識(shí)。

表1 Fortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容

2.2 教學(xué)方法和教學(xué)手段

基于應(yīng)用型創(chuàng)新人才的教育理念，以工程任務(wù)為原始驅(qū)動(dòng)，將理論知識(shí)逐步引入到教學(xué)活動(dòng)。在課堂講授過(guò)程中，以應(yīng)用為主，強(qiáng)調(diào)學(xué)生能動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)即學(xué)即用。以專(zhuān)業(yè)性案例為引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生提高分析解決問(wèn)題的能力。對(duì)于較復(fù)雜的專(zhuān)業(yè)性問(wèn)題，組織學(xué)生成立任務(wù)小組，分擔(dān)問(wèn)題分析、流程圖設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)、程序調(diào)試、成果分析等任務(wù)，學(xué)生在對(duì)問(wèn)題分析的過(guò)程中，培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)并提煉問(wèn)題的能力，逐漸形成提取問(wèn)題核心要點(diǎn)的意識(shí)。流程圖是為解決問(wèn)題所設(shè)計(jì)的具體操作流程，通過(guò)流程圖能夠更加形象直觀地明確解題思路，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生清晰明確的邏輯思維。隨后，根據(jù)流程圖通過(guò)Fortran語(yǔ)言將算法實(shí)現(xiàn)，在編程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，學(xué)生可根據(jù)問(wèn)題需求進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)Fortran語(yǔ)言，真正達(dá)到即學(xué)即用的目的。在編程后需對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，保證程序能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地運(yùn)行。此間學(xué)生需要根據(jù)實(shí)際問(wèn)題先自行查找資料解決，并由教師加以輔助，這既培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，又提升了教學(xué)的時(shí)空靈活性。最后，學(xué)生可針對(duì)程序的易讀性、可重用性、可維護(hù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，針對(duì)程序不足的地方進(jìn)行改進(jìn)并完善，提升程序的綜合性能。并將安排于下次解決問(wèn)題時(shí)輪換角色，在提升學(xué)生編程能力的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)。啟發(fā)學(xué)生思考，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。課下使用超星爾雅等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，與學(xué)生分享專(zhuān)業(yè)性教學(xué)資源。同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，隨時(shí)與學(xué)生分析討論地球物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生開(kāi)創(chuàng)性思維，鼓勵(lì)學(xué)生交流學(xué)習(xí)心得體會(huì)。

在程序編寫(xiě)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生自主選擇編程風(fēng)格，在保證程序易讀性、可重用性、可維護(hù)性的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生的Fortran語(yǔ)言學(xué)習(xí)興趣。

2.3 考核評(píng)價(jià)方式

為發(fā)揮專(zhuān)業(yè)與行業(yè)產(chǎn)業(yè)緊密聯(lián)系的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合本課程的實(shí)際情況，制定了行之有效的考核評(píng)價(jià)方式。包括以下兩個(gè)部分：形成性考核和終結(jié)性考核。其中，形成性考核從學(xué)生的課堂測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、回答問(wèn)題、團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)、個(gè)人表現(xiàn)、出勤率等對(duì)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行全方位考核，能夠?qū)崟r(shí)有效地反映學(xué)生實(shí)際專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的解決能力，占總成績(jī)的40%。其中，課堂測(cè)驗(yàn)內(nèi)容主要是針對(duì)某一具體問(wèn)題先進(jìn)行筆試，以學(xué)生獨(dú)立或幾人合作的形式完成對(duì)程序的編寫(xiě)，隨后在課堂上隨機(jī)抽取學(xué)生的程序進(jìn)行講解，針對(duì)學(xué)生在編程過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行細(xì)致的分析，幫助學(xué)生完善其程序。其后在下次上機(jī)實(shí)驗(yàn)課堂上由學(xué)生單獨(dú)地將自己編寫(xiě)的程序進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證程序的正確性，最終編程內(nèi)容將作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的一部分進(jìn)行評(píng)價(jià)。終結(jié)性考核主要以筆試的形式完成，是對(duì)學(xué)生掌握Fortran語(yǔ)言?xún)?nèi)容的綜合性考核，能夠有效地反映學(xué)生的Fortran語(yǔ)言綜合編程能力，占總成績(jī)的60%。同時(shí)，為了促成學(xué)生良好的編程習(xí)慣，考核學(xué)生程序編寫(xiě)時(shí)，對(duì)程序的正確性和易讀性同時(shí)進(jìn)行考評(píng)。

此外，在Fortran語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中，學(xué)生抄襲現(xiàn)象是一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題。對(duì)此，國(guó)外及部分國(guó)內(nèi)高校使用抄襲檢測(cè)軟件對(duì)學(xué)生編制的程序進(jìn)行檢測(cè)。然而兩個(gè)程序的相似程度較大并不能一定得出抄襲結(jié)論。因此，我們將程序理解程度作為一個(gè)考核方式。對(duì)程序的理解力既是一個(gè)重要的考核指標(biāo)，又能夠有效地防止抄襲。

程序理解力考核，主要貫穿于實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課堂測(cè)驗(yàn)等形成性考核之中。即當(dāng)學(xué)生編寫(xiě)應(yīng)用型程序時(shí)，使用的編程方式雖然可能一樣，但對(duì)每一句命令的理解各有不同。因此，要求學(xué)生在每一句命令后通過(guò)注釋添加自己的理解，這種方法能夠有效區(qū)分相似度較大的程序。對(duì)于程序和語(yǔ)句理解同時(shí)雷同的程序，其發(fā)生抄襲的嫌疑較大，可逐題進(jìn)行確認(rèn)。這樣既能保證考核的公正性，又減輕了教師的批改負(fù)擔(dān)。

3 具體的教學(xué)效果

基于以上提出的教學(xué)改革方案，依托學(xué)校專(zhuān)業(yè)性教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)和社交軟件，我們?cè)跂|華理工大學(xué)2016級(jí)地球物理學(xué)和勘查技術(shù)與工程專(zhuān)業(yè)進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，獲得了良好的教學(xué)效果。(1)學(xué)生出勤率明顯提高，尤其是勘查技術(shù)與工程專(zhuān)業(yè)平均出勤率達(dá)到了99%，課堂氣氛活躍，表明學(xué)生聽(tīng)課興趣明顯增加。

(2)學(xué)生在形成性考核和終結(jié)性考核中持續(xù)表現(xiàn)良好，對(duì)上機(jī)測(cè)試題目能夠很好地注釋?zhuān)w現(xiàn)了對(duì)程序本身理解力的提升。

(3)有多組同學(xué)申報(bào)基于Fortran語(yǔ)言的數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽和校級(jí)專(zhuān)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目，體現(xiàn)了學(xué)生能夠活學(xué)活用Fortran語(yǔ)言解決應(yīng)用問(wèn)題和專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合多年的課堂教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、科研實(shí)踐和學(xué)生實(shí)際情況，以培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才為目標(biāo)，我們提出了針對(duì)性的Fortran語(yǔ)言教學(xué)改革方案。教學(xué)實(shí)踐證明，這種教學(xué)改革方案，不僅能夠切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣，還提高了專(zhuān)業(yè)問(wèn)題的分析和解決能力，為培養(yǎng)現(xiàn)代應(yīng)用型創(chuàng)新人才打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。接下來(lái)，我們將依據(jù)后續(xù)的實(shí)際教學(xué)情況，進(jìn)一步完善該教學(xué)改革方案。