課內(nèi)外融合的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)模式

郭衛(wèi)斌，羅勇軍，楊建國(guó)

（華東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系，上海 200237）

0 引 言

程序是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)問題求解最基本的方式，程序設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)、編制、調(diào)試程序的方法和過(guò)程，包括數(shù)據(jù)建模、算法分析與設(shè)計(jì)、代碼編寫、編譯調(diào)試、制作文檔等不同階段，內(nèi)容涉及相關(guān)基本概念、工具、技術(shù)、方法學(xué)等不同領(lǐng)域，是一項(xiàng)復(fù)雜的創(chuàng)造性的思維活動(dòng)，其過(guò)程貫穿著閱讀判斷、邏輯思維、抽象表達(dá)、工具利用、綜合創(chuàng)造等多項(xiàng)技能。程序設(shè)計(jì)能力，特別是問題的分析解決能力、語(yǔ)言和開發(fā)環(huán)境的綜合應(yīng)用能力，是各專業(yè)本科生最基本的能力，在其知識(shí)體系中占據(jù)重要的核心地位[1]。

對(duì)理工科高校各專業(yè)而言，開設(shè)程序設(shè)計(jì)類課程，不但可培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力，幫助學(xué)生建立計(jì)算思維和創(chuàng)新思維，而且對(duì)于算法設(shè)計(jì)與分析、系統(tǒng)分析、開發(fā)與應(yīng)用等其他學(xué)科基本能力的培養(yǎng)，都將奠定良好的基礎(chǔ)。

針對(duì)工科各專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，應(yīng)構(gòu)建科學(xué)的實(shí)踐教學(xué)體系，將程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)從課堂延伸至課外，從實(shí)驗(yàn)室延伸至實(shí)驗(yàn)室之外，從課堂學(xué)習(xí)—課外訓(xùn)練—綜合應(yīng)用3 個(gè)維度，建立一個(gè)跨越時(shí)間、空間的立體化開放式的程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)體系，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授與能力培養(yǎng)的課內(nèi)外貫穿融合，形成程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的量化反饋和持續(xù)改進(jìn)。

1 實(shí)踐教學(xué)中存在的主要問題

前期，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)本科生程序設(shè)計(jì)課程的實(shí)踐教學(xué)情況進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)高校相關(guān)課程的教學(xué)中普遍存在如下問題[2-4]。

（1）缺乏對(duì)“設(shè)計(jì)”的正確認(rèn)識(shí)。許多高校都在大學(xué)一年級(jí)就開設(shè)了高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程（如C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)），但大多數(shù)教師在教學(xué)中過(guò)分強(qiáng)調(diào)特定語(yǔ)言的語(yǔ)法細(xì)節(jié)介紹，而忽視了更重要的理論、算法等問題，導(dǎo)致出現(xiàn)學(xué)生簡(jiǎn)單地將“編程”看做翻譯，“程序設(shè)計(jì)”變成了“一種高級(jí)語(yǔ)言的程序編寫”的現(xiàn)象。

（2）缺乏運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。教師不重視問題分析與求解過(guò)程的邏輯思維訓(xùn)練以及綜合應(yīng)用能力訓(xùn)練，重理論學(xué)習(xí)，輕實(shí)踐訓(xùn)練，重課內(nèi)集中講授，輕課外自主學(xué)習(xí)，課內(nèi)外教學(xué)相脫節(jié)。學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)未能養(yǎng)成良好的習(xí)慣，往往盲目提筆“編程”，導(dǎo)致錯(cuò)誤百出，久而久之感到“編程”非常困難，甚至無(wú)從下手。

（3）缺乏設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)踐項(xiàng)目和實(shí)踐調(diào)試能力。實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)置不合理，實(shí)踐環(huán)節(jié)多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與程序設(shè)計(jì)的積極性。學(xué)生能夠編寫代碼，但是缺少調(diào)試能力。

（4）缺乏科學(xué)的能力測(cè)評(píng)體系和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。評(píng)價(jià)方式單一，不能客觀、量化評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)際的程序設(shè)計(jì)能力。現(xiàn)有反饋渠道和反饋方式無(wú)法形成程序設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。

因此，開展本科生計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)體系和教學(xué)方法改革與實(shí)踐，具有較好的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

2 課內(nèi)外融合的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)體系

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課內(nèi)課外相融合的開放式實(shí)踐教學(xué)體系（如圖1 所示），是一種以課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐為主體，以雙創(chuàng)訓(xùn)練和學(xué)科競(jìng)賽為輔助，多元并舉，以練促學(xué)、以賽代練，“學(xué)—練—用”互動(dòng)的程序設(shè)計(jì)實(shí)踐能力培養(yǎng)體系。該體系基于問題求解方式，通過(guò)設(shè)計(jì)有趣的工程或科學(xué)問題，在問題求解過(guò)程中循序漸進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)思想、方法及技術(shù)。

該培養(yǎng)體系將實(shí)踐教學(xué)體系分為課內(nèi)實(shí)踐、課外實(shí)踐及學(xué)科競(jìng)賽兩大模塊，每個(gè)模塊的實(shí)踐分為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)踐3 個(gè)層次，形成了以問題求解為驅(qū)動(dòng)的多元化開放式的實(shí)踐能力培養(yǎng)體系，全方位培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力[5-10]。其中，第1 層次的實(shí)踐從認(rèn)識(shí)熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境開始，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，逐步增加設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生具備一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰统醪降某绦蛟O(shè)計(jì)能力；第2 層次的實(shí)踐包括課程設(shè)計(jì)、興趣小組活動(dòng)、科技俱樂部活動(dòng)等環(huán)節(jié)，開設(shè)綜合型、創(chuàng)新型實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)；第3 層次包括畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合實(shí)踐、科研實(shí)踐、學(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練活動(dòng)等，培養(yǎng)學(xué)生的研究能力、工程創(chuàng)新能力。

2.1 將競(jìng)賽融入課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外訓(xùn)練

以學(xué)科競(jìng)賽為切入點(diǎn)，將課程教學(xué)與競(jìng)賽相結(jié)合，推動(dòng)教學(xué)改革，積極鼓勵(lì)學(xué)生參加程序設(shè)計(jì)類競(jìng)賽，形成學(xué)生自覺參加實(shí)踐活動(dòng)的機(jī)制：①?gòu)膶W(xué)科競(jìng)賽中抽取一些典型案例應(yīng)用到理論教學(xué)中，或作為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)或綜合實(shí)踐的題目，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)概念及理論的理解；②課外實(shí)踐采用自主訓(xùn)練或小組合作方式，學(xué)生通過(guò)在線程序自動(dòng)評(píng)判系統(tǒng)完成編碼和調(diào)試、提交和評(píng)判；③創(chuàng)建在線比賽或虛擬比賽，進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋并給出即時(shí)排名，形成學(xué)生自覺參加實(shí)踐活動(dòng)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)常態(tài)化的實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生在壓力下的問題解決能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)與合作精神[3]；④選拔優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)入各類集訓(xùn)隊(duì)，開展集中訓(xùn)練并參加程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽；⑤開設(shè)ACM 國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)選修課程，教授學(xué)生常用算法的基本原理，并進(jìn)行編程訓(xùn)練。

圖1 課內(nèi)外融合的大學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力實(shí)踐教學(xué)體系

2.2 依托雙創(chuàng)平臺(tái)培養(yǎng)跨界綜合能力

以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練平臺(tái)為依托，培養(yǎng)綜合實(shí)踐能力。以國(guó)家級(jí)、上海市級(jí)、校級(jí)和學(xué)院級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)為依托，根據(jù)學(xué)生興趣愛好，采取個(gè)人和團(tuán)隊(duì)相結(jié)合的方式，通過(guò)綜合性項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)演練，結(jié)合問題分析、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)、代碼設(shè)計(jì)等一系列過(guò)程，循序漸進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生的理解問題能力、歸納程序能力、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法能力、用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法描述能力、編譯與調(diào)試能力以及測(cè)試程序能力。項(xiàng)目類型方面，注意驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)踐的合理比例。對(duì)綜合性項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)與“企業(yè)”與“科研”的結(jié)合，注重培養(yǎng)和提高學(xué)生的獨(dú)立工作、合作研究、協(xié)同開發(fā)大型軟件能力以及跨界綜合能力。

此外，還應(yīng)建設(shè)完成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)案例庫(kù)、習(xí)題庫(kù)、在線答疑與訓(xùn)練等課外學(xué)習(xí)實(shí)踐資源，提供課件、習(xí)題解答、在線訓(xùn)練、資料下載等功能，開發(fā)程序設(shè)計(jì)輔助教學(xué)APP，用以進(jìn)行信息查詢、發(fā)布通知通告、布置實(shí)踐任務(wù)、代碼自評(píng)等。

3 實(shí)踐教學(xué)方法與考核機(jī)制

3.1 實(shí)踐教學(xué)方法創(chuàng)新

以需求為導(dǎo)向、以問題求解為主線的實(shí)踐教學(xué)方法改革如下。

（1）改革實(shí)踐教學(xué)方法。通過(guò)分組討論、頭腦風(fēng)暴、逆向思考等形式，有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握程序思維方法，重視計(jì)算思維、工程思維、系統(tǒng)思維、創(chuàng)新思維、“互聯(lián)網(wǎng)+”思維的理解和掌握，強(qiáng)化對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)一般方法和技術(shù)的演練，突出創(chuàng)新能力與綜合能力的訓(xùn)練[11]。

（2）以問題求解為驅(qū)動(dòng)。教授學(xué)生進(jìn)行問題分析、算法設(shè)計(jì)、代碼編寫并學(xué)會(huì)程序的運(yùn)行與調(diào)試，且能分析程序的運(yùn)行結(jié)果，實(shí)現(xiàn)問題的最終解決。

（3）開展全方位討論。圍繞實(shí)踐內(nèi)容，講解一些知識(shí)點(diǎn)的關(guān)鍵原理，幫助學(xué)生理解難點(diǎn)問題，鞏固基礎(chǔ)知識(shí)；利用啟發(fā)式提問以及重點(diǎn)分析的方式進(jìn)行引導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生深度思考，舉一反三，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散性思考，培養(yǎng)學(xué)生的探索能力。

（4）實(shí)施跨學(xué)科協(xié)同合作學(xué)習(xí)。創(chuàng)建虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，將合作或協(xié)作學(xué)習(xí)策略整合到課程實(shí)踐中，鼓勵(lì)創(chuàng)建學(xué)習(xí)社區(qū)，重視不同學(xué)科教師和學(xué)生參與實(shí)踐過(guò)程，激發(fā)學(xué)生與教師的積極討論[12]。

3.2 注重能力的綜合評(píng)價(jià)

（1）突出綜合能力的考核。建立先進(jìn)的綜合能力考核與評(píng)價(jià)機(jī)制，改革考核方式與考試內(nèi)容，減少客觀題型，增加有利于能力提高的主觀設(shè)計(jì)類題目的比例，重視對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的評(píng)價(jià)，通過(guò)多元方式對(duì)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力進(jìn)行考核和評(píng)價(jià)。

（2）引入自動(dòng)評(píng)判系統(tǒng)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)代碼質(zhì)量。積極鼓勵(lì)學(xué)生參加程序設(shè)計(jì)類競(jìng)賽，建立專門的在線測(cè)試與程序自動(dòng)評(píng)判系統(tǒng)，對(duì)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，并給予及時(shí)反饋[13]。

（3）基于量化評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制的持續(xù)改進(jìn)。建立課內(nèi)學(xué)生評(píng)教、教師評(píng)學(xué)、課程達(dá)成度評(píng)價(jià)機(jī)制，以及課外評(píng)價(jià)興趣小組、科技俱樂部、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)評(píng)價(jià)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)課內(nèi)、課外的評(píng)價(jià)融合，并將評(píng)價(jià)結(jié)果融入教學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系之中。其中，課程的達(dá)成度計(jì)算以支撐該課程的所有考核材料作為評(píng)價(jià)依據(jù)，對(duì)其達(dá)成畢業(yè)要求的情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，逐次計(jì)算出單項(xiàng)指標(biāo)點(diǎn)、單個(gè)畢業(yè)要求和總體畢業(yè)要求的達(dá)成度評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 教學(xué)效果

實(shí)踐能力培養(yǎng)體系在華東理工大學(xué)各專業(yè)本科生教學(xué)中實(shí)施，每年修讀學(xué)生超過(guò)3 000 人，使不同專業(yè)學(xué)生在各自層面上學(xué)習(xí)、理解和掌握了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、程序測(cè)試、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、算法設(shè)計(jì)與分析等方面的理論、方法和技術(shù)。應(yīng)用結(jié)果表明，學(xué)生參與程序設(shè)計(jì)的積極性及能力得到了很大提高。每年有超過(guò)300 名學(xué)生參加程序設(shè)計(jì)類集訓(xùn)，學(xué)生在ACM國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽、中國(guó)大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽、藍(lán)橋杯、上海市大學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力大賽等競(jìng)賽中成績(jī)優(yōu)異，年均獲得國(guó)家級(jí)、省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)100 余項(xiàng)。華東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)近年來(lái)也先后獲得上海市級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)2 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3 項(xiàng)，完成或正在進(jìn)行國(guó)家級(jí)、市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目21 項(xiàng)，出版了實(shí)踐教材1 本。

該體系有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的跨界綜合能力，實(shí)現(xiàn)課內(nèi)課外實(shí)踐活動(dòng)的良好銜接，使絕大部分學(xué)生能在本科階段得到工程教育、創(chuàng)新能力與科學(xué)研究的良好訓(xùn)練。這種改革思路和方法對(duì)于其他學(xué)科專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有較好的借鑒意義和推廣價(jià)值。