工程化教學(xué)提升程序設(shè)計(jì)應(yīng)用能力的探索

摘要：本文旨在探索工程化教學(xué)對(duì)編程實(shí)踐和應(yīng)用能力的提升作用和方法。方法：使用了第三方開源硬件作為工程化教學(xué)的輔助手段。通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐提高初學(xué)者對(duì)編程語言基本知識(shí)點(diǎn)的理解進(jìn)而提升綜合應(yīng)用能力，真正將所學(xué)轉(zhuǎn)化為能力。結(jié)果：根據(jù)文中列舉的知識(shí)點(diǎn)做比較項(xiàng)統(tǒng)計(jì)掌握度對(duì)比結(jié)果，分為課程前自測(cè)、實(shí)測(cè)、課程結(jié)束后的項(xiàng)目評(píng)定三個(gè)階段，通過三階段的比較得到工程化教學(xué)對(duì)編程應(yīng)用能力提升的效果數(shù)據(jù)。結(jié)論：提升編程應(yīng)用能力是非常重要的教學(xué)目標(biāo)，提高學(xué)生實(shí)踐、學(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新的能力，并契合新工科教學(xué)改革目標(biāo)，培養(yǎng)符合行業(yè)與社會(huì)需求的復(fù)合型專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞：工程化教學(xué);程序設(shè)計(jì);編程語言;設(shè)計(jì)應(yīng)用

前言

國(guó)家對(duì)于“新工科”的大力支持與推進(jìn)是深化應(yīng)用型人才培養(yǎng)的堅(jiān)實(shí)后盾和方向指引，鼓勵(lì)創(chuàng)新工程教育方式與手段，探索新的實(shí)踐教學(xué)體系和結(jié)構(gòu)。對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生來說程序設(shè)計(jì)應(yīng)用能力是學(xué)生是否真正掌握“編程”這一技能的重要指標(biāo)，決定了學(xué)生在適應(yīng)社會(huì)需求與崗位能力所需的程度。如何能使教學(xué)適應(yīng)社會(huì)需求以及讓學(xué)生“編程”能力真正得到提升及達(dá)到崗位能力所需是計(jì)算機(jī)類學(xué)科在教學(xué)中必須重點(diǎn)關(guān)注和解決的問題。

一、程序設(shè)計(jì)教學(xué)問題與現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)學(xué)科基本上由數(shù)學(xué)和機(jī)械學(xué)科衍生而來，最大特征就是能不能做出來，這個(gè)方法（算法或設(shè)計(jì)）效率有多高。程序設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)學(xué)科中又處在基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，最大的特點(diǎn)是需要實(shí)踐才能掌握知識(shí)點(diǎn)，實(shí)踐能力也是用人單位考量學(xué)習(xí)者能力最重要的方面。

對(duì)于計(jì)算機(jī)學(xué)科來說知識(shí)是相關(guān)聯(lián)的，從教學(xué)目標(biāo)到各級(jí)各階段教學(xué)任務(wù)，從某級(jí)某階段知識(shí)點(diǎn)開始逐步加深對(duì)相關(guān)課程的理解。某個(gè)知識(shí)點(diǎn)是懂與不懂的問題，但是具體到實(shí)踐就是懂多少的問題（延伸如完成相同任務(wù)，解決方法數(shù)量與質(zhì)量是與實(shí)踐能力成正比的），隨著知識(shí)應(yīng)用廣度與深度的差別，工程化教學(xué)與普通教學(xué)將形成知識(shí)層面的“馬太效應(yīng)”差距會(huì)成倍增長(zhǎng)。

（一）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)學(xué)科的工程化借鑒了傳統(tǒng)工科標(biāo)準(zhǔn)化、工藝化、模塊化、平臺(tái)化的特點(diǎn)，旨在解決如何明確學(xué)習(xí)目的，提升學(xué)習(xí)興趣這類編程語言教學(xué)中的難點(diǎn)。國(guó)外工科學(xué)校對(duì)于創(chuàng)新教學(xué)方法的研究層出不窮，蒙特雷技術(shù)學(xué)院試圖通過腦電圖信號(hào)識(shí)別及互動(dòng)式的教學(xué)方法來改善較難課程的教學(xué)動(dòng)態(tài)[1]。林克平大學(xué)工科教育采用CDIO模式應(yīng)用在自動(dòng)控制學(xué)科及工程教育中，CDIO教學(xué)做一體化的教學(xué)模式對(duì)工科學(xué)校教學(xué)具有顯著作用[2]。

國(guó)內(nèi)學(xué)校對(duì)于如何提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力也有諸多的探索，程序語言教學(xué)中的諸多問題如代碼規(guī)范遵守、調(diào)試程序的能力[3]、團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力等等已經(jīng)作為教學(xué)的重要目標(biāo)。無論一周一個(gè)small projiect，每周上機(jī)測(cè)試，使用UCB查重，互測(cè)制度等，還是設(shè)計(jì)幾個(gè)huge project，每個(gè)project開始看上去難度都很高，通過長(zhǎng)期實(shí)踐來最終完成。各種方式的目的都是強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，最終可以極大地提升學(xué)生程序設(shè)計(jì)應(yīng)用能力。

（二）問題與改進(jìn)方案

傳統(tǒng)教學(xué)中課堂上大都采用分散的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)講解，使用各自的案例進(jìn)行解釋和運(yùn)用，但如何整合這些知識(shí)點(diǎn)的方法也大都采用同一個(gè)貫穿項(xiàng)目來解決，使得考核方式單一，考核結(jié)果雷同，不能體現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)實(shí)際掌握水平。對(duì)于這種情況當(dāng)然可以采用Version Contral工具等來制約，了解項(xiàng)目組渾水摸魚的情況。但抹殺了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，學(xué)生一門課下來沒寫幾行代碼，更不能讓學(xué)生主動(dòng)系統(tǒng)地理解知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，真正體現(xiàn)能力的所學(xué)有所用沒有合適的方式來實(shí)現(xiàn)。本文所述工程化教學(xué)方式可以在一定程度上修正傳統(tǒng)教學(xué)方式的弊端及提升學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。

二、工程化教學(xué)的理念與意義

知識(shí)工程化的概念出自19世紀(jì)泰勒的三個(gè)著名的科學(xué)管理實(shí)驗(yàn)。其采用實(shí)驗(yàn)方法研究管理問題，開創(chuàng)實(shí)證式管理研究先河，其科學(xué)地劃分工作元素的理念對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科的工程化教學(xué)有著極高的理論指導(dǎo)意義。

（一）工程化教學(xué)可以提供科學(xué)的學(xué)習(xí)曲線，具體到編程語言教學(xué)中編程語言本身有著自身的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)層次，理解和掌握基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)可以依照如下順序：

編程語言基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)：

數(shù)據(jù)抽象→→表達(dá)式表達(dá)邏輯與運(yùn)算→→循環(huán)和分支結(jié)構(gòu)控制邏輯與運(yùn)算→→單個(gè)功能封裝成函數(shù)→→函數(shù)調(diào)用與庫的定義

對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)按照以上順序結(jié)合工程化教學(xué)，輔助使用硬件工具，根據(jù)項(xiàng)目要求中特定的硬件反饋和功能實(shí)現(xiàn)來解釋和幫助理解。從而基礎(chǔ)概念和知識(shí)點(diǎn)可以很好地轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用能力。在打好基礎(chǔ)后對(duì)諸如對(duì)象、繼承、抽象數(shù)據(jù)、狀態(tài)儲(chǔ)存、狀態(tài)和行為的統(tǒng)一封裝等進(jìn)階知識(shí)點(diǎn)的理解將更清晰和深入。

（二） 工程化教學(xué)可以提供合理的教學(xué)規(guī)劃，教學(xué)目標(biāo)必須是一個(gè)有明確目的、過程、并經(jīng)過驗(yàn)證的計(jì)劃，不能是無法預(yù)測(cè)結(jié)果的嘗試。工程化教學(xué)的第一步是制定多個(gè)可行的學(xué)習(xí)目標(biāo)或任務(wù)，第二步是幫助學(xué)生制定學(xué)習(xí)路徑并了解目前所處位置及前進(jìn)方向，第三步是將完成目標(biāo)或任務(wù)的知識(shí)點(diǎn)按學(xué)習(xí)路徑融入課程和教學(xué)計(jì)劃，第四步是以完成目標(biāo)或任務(wù)的程度作為學(xué)業(yè)考核的標(biāo)準(zhǔn)。

（三）工程化教學(xué)可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生在學(xué)習(xí)之初大都抱有較高的求知欲，如何保持及提升這種主觀能動(dòng)性是關(guān)鍵，工程化教學(xué)的優(yōu)勢(shì)在于能夠提供給學(xué)生在教學(xué)知識(shí)框架內(nèi)自由發(fā)揮的空間并且能夠?qū)⒎稚⒌闹R(shí)點(diǎn)融合在項(xiàng)目中，將枯燥的概念轉(zhuǎn)變?yōu)楸仨毷褂玫墓ぞ摺Ｊ沟瞄L(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)產(chǎn)生厭煩情緒轉(zhuǎn)變?yōu)橥瓿身?xiàng)目滿足成功感的動(dòng)力。

三、工程化教學(xué)與程序設(shè)計(jì)能力提升教學(xué)方式探索

（一） 教學(xué)方法設(shè)計(jì)

本次實(shí)踐的班級(jí)為4個(gè)共183名學(xué)生，課程包含《新工科試驗(yàn)》《工程認(rèn)知與創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)》兩門課。采用美科公司的mcookie開源硬件套件作為輔助，套件使用c和c++作為編程語言。為了更加接近培養(yǎng)計(jì)劃及更有針對(duì)性，本次實(shí)踐的學(xué)生都具有c語言基礎(chǔ)并不要求通過期末考試。首先以問卷與問答方式設(shè)計(jì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)內(nèi)容如下表，并在課程結(jié)束后再次采集相同選項(xiàng)數(shù)據(jù)作為工程化教學(xué)的效果對(duì)比，選項(xiàng)都與課程知識(shí)點(diǎn)相關(guān)。、

每個(gè)選項(xiàng)有3個(gè)分值，每個(gè)分值0-10分，分別對(duì)應(yīng)學(xué)生自評(píng)，課前評(píng)測(cè)，課后評(píng)測(cè)。學(xué)生自評(píng)主要了解學(xué)生在傳統(tǒng)教學(xué)后的自我能力評(píng)價(jià)，課前評(píng)測(cè)評(píng)價(jià)學(xué)生真正的應(yīng)用能力，采用問答、試卷、工程能力等多種方式。課后評(píng)測(cè)是在工程化教學(xué)之后進(jìn)行，檢驗(yàn)學(xué)生在工程化教學(xué)之后對(duì)選項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。

通過三個(gè)分值的統(tǒng)計(jì)比較，將會(huì)得到工程化教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握程度的差異數(shù)據(jù)。在課程中鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。在解決問題的過程中對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理和講解。

（二） 教學(xué)效果比較方案與結(jié)果分析

一個(gè)學(xué)期課程結(jié)束后各項(xiàng)分值統(tǒng)計(jì)如下：

知識(shí)點(diǎn)掌握人數(shù)

知識(shí)點(diǎn)分項(xiàng) 按學(xué)生填表和字?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)（工程化教學(xué)前） 實(shí)測(cè)（工程化教學(xué)前） 課程結(jié)束依據(jù)項(xiàng)目評(píng)定統(tǒng)計(jì)（工程化教學(xué)后） 增長(zhǎng)率（（教學(xué)后-實(shí)測(cè)）/實(shí)測(cè)）%

通過增長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)可以看出，經(jīng)過一學(xué)期的工程化教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的應(yīng)用能力得到明顯地提升，原本散亂的知識(shí)點(diǎn)歸納到有序的知識(shí)框架中并得到了項(xiàng)目應(yīng)用鍛煉。各項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中得以聯(lián)結(jié)，項(xiàng)目的完成也對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心起到了極大的鼓舞作用。

四、結(jié)語

工程化教學(xué)區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)在于不是死記硬背，而是理論聯(lián)系實(shí)際，看得見的成果和能力的體現(xiàn)。項(xiàng)目壓力與實(shí)踐過程奠定了編寫代碼的能力，通過。。。是學(xué)生掌握和理解項(xiàng)目流程、架構(gòu)、軟件工程所涉及的方方面面等等書本上的知識(shí)很好的途徑，并在學(xué)習(xí)過程中保持學(xué)習(xí)熱情，理論和實(shí)踐的緊密聯(lián)系能引發(fā)強(qiáng)烈的求知欲，引發(fā)求知欲是教學(xué)的重要目的，亦是工程化教學(xué)的初衷。

[1]Ricardo Zavala Yoé，? Ricardo A. Ramírez Mendoza.International Journal on Interactive Design and Manufacturing （IJIDeM）， 2019， Vol.13 （4）， pp.1353-1365

[2]Svante Gunnarsson. Automatic Control Education in a CDIO Perspective[J]. IFAC PapersOnLine，2017，50（1）.

[3]高赟，張?bào)K先，孔兵，張學(xué)杰.C語言程序設(shè)計(jì)課程中應(yīng)用能力的培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2017（08）：61-63.

作者簡(jiǎn)介：

季萌（1973.7-），男，漢，籍貫：江蘇南通;助教，碩士;單位：上海杉達(dá)學(xué)院? 研究方向：數(shù)據(jù)工程