新工科背景下程序設(shè)計語言課程的探究式教學(xué)

摘? 要： 針對新工科背景下程序設(shè)計語言課程在實際教學(xué)中面臨的主要問題，結(jié)合探究式教學(xué)模式，建設(shè)程序設(shè)計語言課程的開放式教學(xué)體系。采用探究式教學(xué)，改革傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，利用在線學(xué)習(xí)平臺，支持學(xué)生進(jìn)行“自主學(xué)習(xí)”和“在線實驗”，開展競爭性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗的教學(xué)改革實踐。這些教學(xué)改革的探索，有效地提高了程序設(shè)計語言課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，有利于實現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 程序設(shè)計語言課程; 新工科; 探究式教學(xué); 教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）03-72-04

Inquiry teaching for programming language courses in the context of New Engineering

Ma Hua

（College of Information Science and Engineering， Hunan Normal University， Changsha， Hunan 410081， China）

Abstract： Aiming at the main problems in the practical teaching of programming language courses in the context of New Engineering， the inquiry teaching mode is applied to build the open teaching system of programming language courses. The traditional teaching contents and methods are reformed by using the inquiry teaching mode， and the online learning platforms are used to support students to carry out "autonomous learning" and "online experiment"， and the teaching reform practice with competitive learning and innovative experiment is put into effect. These explorations of teaching reform effectively improved the teaching quality and teaching effect of programming language courses， which are beneficial to achieve the goals of talents training in the context of New Engineering.

Key words： programming language course; New Engineering; inquiry teaching; teaching reform

0 引言

近年來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，新工科背景下的人才培養(yǎng)對高校的教育教學(xué)提出了新要求，需要我們更新人才培養(yǎng)體系，將新技術(shù)和發(fā)展前沿引入教學(xué)過程，更新課程體系和教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。對于計算機(jī)類本科專業(yè)的學(xué)生而言，新工科建設(shè)要求他們應(yīng)具有計算思維能力、程序設(shè)計與系統(tǒng)開發(fā)能力、算法設(shè)計與分析能力等。程序設(shè)計語言課程正是培養(yǎng)學(xué)生具備上述能力的重要途徑。以基于C或Python的程序設(shè)計基礎(chǔ)、基于C++或Java的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計等為代表的高級語言課程，具有較強(qiáng)的專業(yè)性和實踐性，這類課程的學(xué)習(xí)對于提高學(xué)生分析和解決工程實踐問題的能力有關(guān)鍵作用。然而，現(xiàn)有的教學(xué)過程仍通常采用以教師為中心的“單聲道”教學(xué)模式，難以滿足新工科背景下培養(yǎng)卓越工程師的需求[1-2]，因此，對現(xiàn)有教學(xué)模式進(jìn)行改革已成為當(dāng)前高校面臨的迫切需要。

目前，一些高校已對程序設(shè)計語言課程的教學(xué)進(jìn)行了改革[1-5]，但是，以新工科為背景的改革研究尚處于探索階段，如何調(diào)整適應(yīng)新工科發(fā)展需要的教學(xué)模式與方法仍是值得研究的重要問題。探究式教學(xué)是一種將研究與教學(xué)相融合的師生互動型教學(xué)，具有創(chuàng)新性、實踐性和開放性等特點，是現(xiàn)代高校在培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才中探索、建構(gòu)的互動型教學(xué)模式[6]。國內(nèi)一些高校通過創(chuàng)新探究式教學(xué)模式，已取得了具有代表性的成果[7]，從而為相關(guān)教學(xué)改革活動的開展提供了寶貴的經(jīng)驗。近年來，我們努力探索面向新工科人才培養(yǎng)的程序設(shè)計語言課程的探究式教學(xué)改革，以期不斷改進(jìn)相關(guān)課程的教學(xué)質(zhì)量和效果。

1 新工科背景下程序設(shè)計語言課程的教學(xué)改革現(xiàn)狀

新工科背景下程序設(shè)計語言課程的教學(xué)尚存在四個方面的不足[1-2]。①教學(xué)中理論和實驗課時不足，學(xué)生只能掌握基礎(chǔ)知識和教材中有限的例程。②傳統(tǒng)教學(xué)方法與當(dāng)前的培養(yǎng)目標(biāo)不相適應(yīng)，多數(shù)學(xué)生在實驗時停留在對教材例程進(jìn)行調(diào)試驗證，盡管學(xué)生能掌握基本的編程語法和程序的調(diào)試技巧，但遠(yuǎn)未達(dá)到自主分析和解決實際問題的程度。③教學(xué)質(zhì)量評價方式單一，與新工科背景下的人才培養(yǎng)理念不相符，當(dāng)前教學(xué)質(zhì)量評價仍普遍是依據(jù)學(xué)生的筆試與實驗報告成績，難以全面、客觀地反映學(xué)生對知識的掌握情況和對知識的靈活運用能力，從而容易出現(xiàn)高分低能的現(xiàn)象。④缺少與新工科背景下人才培養(yǎng)相適應(yīng)的線上教學(xué)資源，而優(yōu)秀的在線教學(xué)資源對于學(xué)生開展課前預(yù)習(xí)、課后輔導(dǎo)和答疑解惑具有重要作用。

近年來，一些高校對新工科背景下程序設(shè)計語言課程的教學(xué)進(jìn)行了改革實踐。桂林理工大學(xué)基于C程序設(shè)計課程，進(jìn)行了針對非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計算思維能力的“一線三層四維”培養(yǎng)模式教學(xué)改革，在教學(xué)實踐活動中以“創(chuàng)設(shè)環(huán)境、項目引導(dǎo)、講授新知、合作探究、總結(jié)拓展”為主線，對學(xué)生的思維能力分層培養(yǎng)，并從多維度啟發(fā)學(xué)生思維，激發(fā)其興趣[2]。西安工程大學(xué)充分發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)線上教學(xué)相結(jié)合的優(yōu)勢，按照程序設(shè)計語言課程的“教學(xué)目標(biāo)、學(xué)習(xí)重點與難點、線上資源和學(xué)生個人能力”等四個方面綜合分析實現(xiàn)混合式教學(xué)的新思想、新模式[1]。河南大學(xué)在Java程序設(shè)計課程教學(xué)中提出了以“過程性評價、項目驅(qū)動”為核心的新教學(xué)體系改革[3]。武漢理工大學(xué)在Python程序設(shè)計課程中開展交叉融合案例教學(xué)的改革實踐[4]。蘭州理工大學(xué)結(jié)合MOOC和SPOC來改革教學(xué)模式，設(shè)計了工程領(lǐng)域的教學(xué)案例[5]。

2 新工科背景下探究式教學(xué)改革的理論基礎(chǔ)

探究式教學(xué)由芝加哥大學(xué)教授施瓦布倡導(dǎo)。在探究式教學(xué)過程中，學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，對教學(xué)內(nèi)容中的重要知識點進(jìn)行“自主學(xué)習(xí)”、“深入探究”、“小組合作交流”，以實現(xiàn)課程教學(xué)的認(rèn)知目標(biāo)與情感目標(biāo)。隨著建構(gòu)主義、人本主義等思想的普及，探究式教學(xué)凸顯出其重要的理論和實踐價值，受到了全球教育改革者的關(guān)注。通過近幾十年的發(fā)展，探究式教學(xué)在美國已成為最有影響力的科學(xué)教育方法之一。在我國，教育部印發(fā)的《基礎(chǔ)教育課程改革指導(dǎo)綱要（試行）》大力提倡了探究式學(xué)習(xí)，在《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》中，也強(qiáng)調(diào)要積極推動研究型教學(xué)。當(dāng)前，許多高校已把探究式教學(xué)模式作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑之一。例如，汕頭大學(xué)結(jié)合CDIO工程教育改革背景進(jìn)行了工科課程的探究式教學(xué)改革的實踐[8];天津大學(xué)在材料力學(xué)課程的探究式教學(xué)改革結(jié)果顯示，基于問題學(xué)習(xí)的探究式教學(xué)有利于統(tǒng)一教與學(xué)兩個過程，有利于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識，可為培養(yǎng)高素質(zhì)工程技術(shù)人才打好基礎(chǔ)[9]。近年來，四川大學(xué)正是以“探究式--小班化”課程改革為突破口，在2018年獲得了國家級教學(xué)成果特等獎[7]。這些工作為開展新工科背景下程序設(shè)計語言課程的教學(xué)改革提供了關(guān)鍵的理論支撐和實踐指導(dǎo)。

3 新工科背景下教學(xué)改革的主要內(nèi)容

⑴ 構(gòu)建基于探究式教學(xué)模式的開放式程序設(shè)計語言課程教學(xué)體系

針對傳統(tǒng)封閉型教學(xué)體系的不足，我們基于探究式教學(xué)模式摸索適用于程序設(shè)計語言課程的開放式教學(xué)體系。該體系以“小組協(xié)作在線學(xué)習(xí)”為主要方式，形成一個有利于開展個性化教學(xué)、探究式學(xué)習(xí)和實踐創(chuàng)新活動的綜合平臺。通過應(yīng)用“及時教學(xué)”模式，形成教學(xué)“反饋鏈”，將學(xué)生的課前預(yù)習(xí)、課中協(xié)作和交流、課后總結(jié)等三個環(huán)節(jié)有機(jī)整合，充分調(diào)動學(xué)生作為教學(xué)過程中的“雙主體”之一的積極性，也充分發(fā)揮教師作為教學(xué)組織者和參與者（但不是領(lǐng)導(dǎo)者）的作用。從而，適應(yīng)新工科背景下培養(yǎng)實踐能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新素質(zhì)的高層次人才的需求。以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程為例，鑒于當(dāng)前計算機(jī)類本科專業(yè)班級人數(shù)規(guī)模大多在50～60人的現(xiàn)狀，摸索在“探究式教學(xué)”中實施基于公共在線教學(xué)平臺的“小組協(xié)作學(xué)習(xí)”，在學(xué)習(xí)中，注重強(qiáng)化落實工程案例討論、開源項目源碼分析、軟件系統(tǒng)重構(gòu)、分組協(xié)作與競爭、全過程學(xué)業(yè)評價和非標(biāo)準(zhǔn)答案考試、學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)等。

⑵ 面向項目探究式教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革

結(jié)合新工科對本科教育提出的新要求，我們通過探究式教學(xué)模式改革程序設(shè)計語言課程的現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容和方法。從情境構(gòu)建、任務(wù)分解、獨立探究、協(xié)作學(xué)習(xí)、綜合評價等方面研究教學(xué)方法的設(shè)計要素和教學(xué)步驟的指導(dǎo)性原則。我們緊密結(jié)合現(xiàn)實的軟件項目需求，構(gòu)建適用于探究式教學(xué)的項目環(huán)境，從面向?qū)W生工程應(yīng)用能力發(fā)展的角度進(jìn)行任務(wù)分解，促進(jìn)學(xué)生在完成任務(wù)過程中做到學(xué)以致用和活學(xué)活用。

在具體的實踐方面，我們利用在線教學(xué)平臺和開源軟件社區(qū)的學(xué)習(xí)資源，豐富教學(xué)內(nèi)容;利用在線學(xué)習(xí)社區(qū)，組織多樣化的學(xué)習(xí)協(xié)作小組，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與團(tuán)隊協(xié)作能力;通過增設(shè)研究生助教的形式來強(qiáng)化對學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的線下和線上輔導(dǎo)，以緩解實驗課時不足的矛盾。同時，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法方面也進(jìn)行了重點改革。①基于EduCoder系統(tǒng)（educoder.net）設(shè)計游戲通關(guān)式的練習(xí)與測試資源庫，引導(dǎo)學(xué)生從游戲中學(xué)習(xí)、在學(xué)習(xí)中競爭，引導(dǎo)學(xué)生真正喜歡編程。近年來我們已在EduCoder建設(shè)了多門課程，構(gòu)建了可以支撐探究式教學(xué)的較為完善的資源庫。②從開源中國和GitHub等開源軟件社區(qū)引入一些具有新意的開源軟件，幫助學(xué)生快速體驗到程序設(shè)計的樂趣感與成就感。以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程教學(xué)中的游戲作品開發(fā)環(huán)節(jié)為例，我們不再拘泥于要求學(xué)生手工編寫作品的全部代碼，而是引導(dǎo)學(xué)生自主性地探究一個給定的代碼行在2000到5000行左右的開源游戲源碼，完成一系列針對該開源項目的Bug分析與修復(fù)、系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)、游戲功能的擴(kuò)展與完善等開放性任務(wù)。我們以學(xué)習(xí)小組為單位，組織“游戲測試與開發(fā)迭代”的開放式挑戰(zhàn)賽，營造小組間的競爭與相互學(xué)習(xí)氛圍。通過引入設(shè)計模式的原理和思想，教師以具體的項目案例為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生直觀地體會編碼的藝術(shù)性，理解實現(xiàn)系統(tǒng)的可維護(hù)、可重用的重要性，讓學(xué)生身臨其境地感受經(jīng)典的代碼編寫模式、高效的程序開發(fā)框架、強(qiáng)大的界面表現(xiàn)力等，從而快速培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 新工科背景下教學(xué)改革的實踐

近年來，我們在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程的教學(xué)中進(jìn)行了改革實踐。該課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求確定為：①基于Java語言講授面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計，進(jìn)行面向?qū)ο笏季S、方法的訓(xùn)練;②通過學(xué)習(xí)、設(shè)計及編程實現(xiàn)，學(xué)生能熟練使用UML類圖和常用的設(shè)計模式，具有一定的面向?qū)ο笤O(shè)計、開發(fā)能力;③通過開源項目分析與重構(gòu)訓(xùn)練，為后續(xù)課程及大型應(yīng)用軟件的研究、設(shè)計打下基礎(chǔ)。

教學(xué)過程采用多媒體教室授課和實驗室實踐相結(jié)合，分組學(xué)習(xí)與課堂討論相結(jié)合，學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)與分組匯報相結(jié)合，進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動的探究式教學(xué)。在具體教學(xué)實施時，我們基于EduCoder平臺開展線上與線下教學(xué)下結(jié)合的混合式教學(xué)方式。

⑴ 基于平臺的“試卷”模塊，通過設(shè)計多次知識能力測試和綜合能力測試，以對學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知能力分析和綜合素質(zhì)診斷。一方面，這些分析與診斷結(jié)果將直接用于指導(dǎo)任課教師優(yōu)化現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)過程，可有針對性地對學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)和指導(dǎo)。另一方面，根據(jù)測試所獲得的學(xué)生在學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)狀態(tài)和協(xié)作能力等方面的量化評分?jǐn)?shù)據(jù)，按照“組間同質(zhì)、組內(nèi)異質(zhì)”的原則，指導(dǎo)任課教師構(gòu)建更加合理的學(xué)習(xí)小組[10]，以更高效的開展合作學(xué)習(xí)。

⑵ 基于平臺的“實訓(xùn)作業(yè)”模塊，導(dǎo)入平臺現(xiàn)有的豐富“實訓(xùn)”資源，并發(fā)布給學(xué)生在課后針對“面向?qū)ο缶幊獭毕嚓P(guān)的知識點進(jìn)行全覆蓋的密集式訓(xùn)練，以確保學(xué)生能夠扎實地理解封裝、繼承、多態(tài)等基本概念，正確地運用重載和重寫、抽象類和接口、常用的工具類等。

⑶ 基于平臺的“普通作業(yè)”模塊，手工新建十余個“實驗”項目，任課教師在實驗課時可對學(xué)生進(jìn)行涉及重點、難點知識的針對性輔導(dǎo)，尤其強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生利用UML進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計的能力，也要求學(xué)生至少熟練應(yīng)用工廠模式、建造者模式、單例模式、適配器模式、橋接模式、組合模式、裝飾模式、外觀模式、命令模式、策略模式等經(jīng)典設(shè)計模式。

⑷ 通過“分組作業(yè)”模塊手工新建兩個“作品設(shè)計”項目（包括一個擁有1000多行代碼的坦克大戰(zhàn)游戲和一個擁有數(shù)十萬行代碼的工作流系統(tǒng)開源項目），組織學(xué)生進(jìn)行開源項目的源碼分析、Bug識別與修復(fù)、系統(tǒng)重構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)、功能擴(kuò)展與完善等，并鼓勵和落實作品的合作學(xué)習(xí)及相互點評，啟發(fā)學(xué)生自主思考和自我提升，實現(xiàn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。

⑸ 利用平臺的“統(tǒng)計”模塊，定期公布學(xué)生在線學(xué)習(xí)情況的綜合排名及得分，點評有代表性的學(xué)生在平臺上的表現(xiàn)，這樣能對大多數(shù)學(xué)生起到督促和導(dǎo)向作用，并且，對于改進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和提高在線學(xué)習(xí)的活躍程度也均是有益的。

5 結(jié)束語

通過近年來的努力，我們在新工科背景下基于程序設(shè)計語言課程的探究式教學(xué)過程取得了較好的改革效果，主要表現(xiàn)在：學(xué)生對于程序設(shè)計語言的學(xué)習(xí)興趣較濃;學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的意識不斷提升;學(xué)生解決實際應(yīng)用問題的能力有一定程度的增強(qiáng);學(xué)生期末考核的不及格率呈明顯下降趨勢;參加省級學(xué)科競賽的學(xué)生人數(shù)持續(xù)增加，特別是軟件工程專業(yè)學(xué)生，近三年來均取得了多項省級大學(xué)生程序設(shè)計競賽的一、二、三等獎;不少學(xué)生獲得了校級或省級大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目資助，人才培養(yǎng)質(zhì)量得以提升。接下來，我們將進(jìn)一步結(jié)合校企合作背景來構(gòu)建與大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等相關(guān)的教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科、跨專業(yè)的遷移學(xué)習(xí)。

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