程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)的多元混合式教學(xué)研究

陳壽宏　侯杏娜　何 鋒 曾麗珍 胡 聰

程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)的多元混合式教學(xué)研究

陳壽宏1侯杏娜2何 鋒1曾麗珍3胡 聰1

（1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.桂林電子科技大學(xué)研究生院，廣西 桂林 541004）

在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，以“產(chǎn)出為導(dǎo)向”的OBE教育理念越來越受到重視。程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)工科本科生及研究生的編程能力、解決復(fù)雜工程問題的重要基礎(chǔ)課程。針對(duì)現(xiàn)有教學(xué)中仍存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法較為傳統(tǒng)、學(xué)生自主編程意識(shí)較弱等問題，提出構(gòu)建課前課后、現(xiàn)場及線上教學(xué)過程融入課程思政等多元混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。實(shí)踐表明，該研究改進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量，提升了本科生及研究生的程序設(shè)計(jì)能力、解決實(shí)際問題能力及創(chuàng)新能力。

混合式教學(xué)；程序設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證提出OBE教育理念已被各學(xué)校推廣和運(yùn)用[1,2]。程序設(shè)計(jì)類的實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)工科研究生和大學(xué)生編程創(chuàng)新、解決復(fù)雜工程問題的基礎(chǔ)課程[3]。在專業(yè)認(rèn)證和創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求背景下[4]，如何提升課程的教學(xué)質(zhì)量和效果，進(jìn)而提升本科生及研究生的創(chuàng)新能力，是需要解決的重要問題[5]。在自動(dòng)化類和儀器類專業(yè)中，程序設(shè)計(jì)類相關(guān)的課程有C語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論課程及對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，還有程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練等課程，涉及的課程學(xué)時(shí)和門數(shù)較多，相互之間的關(guān)系也緊密，文章以程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，開展多元混合式研究，以達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，滿足工程教育認(rèn)證和提升本科生及研究生創(chuàng)新能力需要。

1　程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)思維解決復(fù)雜工程問題的重要方法[6]。然而，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在著許多問題，未有效達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。主要有如下兩個(gè)方面問題。

（1）多延用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，導(dǎo)致學(xué)生過度依賴課堂講授，課后缺乏自主能力，編程意識(shí)淡薄，無法提高學(xué)生的獨(dú)立自主思考能力。

（2）由于學(xué)時(shí)有限，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般僅開展針對(duì)理論課程講授的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證或進(jìn)行單一的設(shè)計(jì)類型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，缺乏綜合的類型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[6]。

2 改革的理念與方案

以O(shè)BE教育理念為指導(dǎo)思想，為解決程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)中存在問題，構(gòu)建課前課后、現(xiàn)場及線上等多元混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，優(yōu)化驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)IPO圖；開展線上拓展性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，滿足不同程度的學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的要求；制定綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。多元混合式教學(xué)改革主要方案如圖1所示。

圖1 多元混合式教學(xué)改革方案

2.1 設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目IPO圖

程序設(shè)計(jì)類課程通過實(shí)驗(yàn)過程使得學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、運(yùn)行及程序調(diào)試、總結(jié)等方面得到鍛煉，有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

以儀器類和自動(dòng)化類的專業(yè)基礎(chǔ)課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)為例，整個(gè)課程的實(shí)驗(yàn)題目依據(jù)知識(shí)點(diǎn)類型和范圍、困難容易度和工作量大小區(qū)分，可分為三種類型實(shí)驗(yàn)[7]。

（1）基礎(chǔ)型類型[7]：該類型實(shí)驗(yàn)的目的在于鞏固理論課堂講授的基本內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)題目設(shè)置為對(duì)課堂講授的教材相關(guān)的函數(shù)、算法等的實(shí)現(xiàn)和編程，每道實(shí)驗(yàn)題目一般只包含其中一個(gè)內(nèi)容，編程量及難度不大，在實(shí)際過程中為必做內(nèi)容，要求所有人必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)單獨(dú)做完[7]。

（2）提升型類型[7]：該類型實(shí)驗(yàn)的目的在于提升分析實(shí)際問題及解決實(shí)際問題的素養(yǎng)，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)題目通常為針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和典型算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，一般每個(gè)題目會(huì)包含理論教材中多個(gè)方面[7]，該類型的實(shí)驗(yàn)題目為自由選擇，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中鼓勵(lì)能力較強(qiáng)的同學(xué)通過自主選擇部分題目并要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)單獨(dú)做完，完成的情況也會(huì)在實(shí)驗(yàn)成績中加以體現(xiàn)（加分），提升了學(xué)習(xí)的自主性、積極性和創(chuàng)新力[7]。

（3）綜合類型項(xiàng)目：項(xiàng)目一般涉及理論課程和教材上的多個(gè)內(nèi)容，并且面向?qū)嶋H問題需求，該類題目為可選做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。完成情況也可在實(shí)驗(yàn)成績中加以體現(xiàn)（加分），可提升學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)分析解決實(shí)際問題的能力[7]。

為了更好了解程序的流程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)框架、處理流程等，項(xiàng)目設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)IPO[6]（輸入—處理—輸出）圖，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中，需填寫算法設(shè)計(jì)的IPO，讓學(xué)生明確期待運(yùn)行結(jié)果等，以此加深學(xué)生對(duì)程序?qū)崿F(xiàn)理解，掌握理論知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容。

以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)—棧的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為例，同時(shí)要求在報(bào)告中完成各主要函數(shù)的IPO圖：要求完成進(jìn)制轉(zhuǎn)換：輸入為一個(gè)十進(jìn)制數(shù)，將其變換成一個(gè)P進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的編碼字符串。

問題要求將某個(gè)十進(jìn)制整數(shù)N變換為P進(jìn)制對(duì)應(yīng)的編碼，輸出對(duì)應(yīng)的字符串，該實(shí)際問題解決方法為：以將十進(jìn)制66轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制（P為8）為例：

(66)10=(102)8

66/8=8 余 2

8/8 =1 余 0

1/8 =0 余 1

當(dāng)商為0時(shí)結(jié)束轉(zhuǎn)換，將上述過程得到的余數(shù)序列倒序：102即得到結(jié)果。通過觀察，該過程可利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧的LIFO（后進(jìn)先出）特點(diǎn)，因此可用棧來實(shí)現(xiàn)數(shù)制轉(zhuǎn)換。

2.2 引入線上拓展性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

由于程序設(shè)計(jì)語言類課程安排在大一上學(xué)期，這個(gè)階段的學(xué)生自主編程意識(shí)較弱，缺乏相當(dāng)?shù)淖灾骶毩?xí)，導(dǎo)致后續(xù)開設(shè)的《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)》等課程無從下手。

依托在線輔助教學(xué)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開展線上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不但能充分調(diào)動(dòng)樂意學(xué)習(xí)的學(xué)生的積極性，而且對(duì)學(xué)習(xí)困難同學(xué)也能不斷練習(xí)提升能力。還可以根據(jù)教學(xué)平臺(tái)記錄學(xué)生練習(xí)和答疑報(bào)告等詳細(xì)數(shù)據(jù)功能，根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)和分析，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，從而反應(yīng)到理論教學(xué)中，以便及時(shí)調(diào)整，提升課程整體教學(xué)效果。充分利用好線上平臺(tái)，可從封閉課堂向開放課堂轉(zhuǎn)變，在課外自由提升能力。

2.3 在教學(xué)過程中融入課程思政

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將思政內(nèi)容融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，融入課程思政、專業(yè)思政的內(nèi)容和環(huán)節(jié)，把以往純粹的專業(yè)知識(shí)傳授進(jìn)行目標(biāo)價(jià)值觀強(qiáng)化，以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)為例，課程思政元素融入到教學(xué)內(nèi)容中如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容融入課程思政元素

以C語言程序設(shè)計(jì)為例，在教學(xué)過程中，根據(jù)C語言程序設(shè)計(jì)課程的具體內(nèi)容增加課程思政、專業(yè)思政的內(nèi)容和環(huán)節(jié)，把以往純粹的專業(yè)知識(shí)傳授進(jìn)行目標(biāo)價(jià)值觀強(qiáng)化。在課堂教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生思考本門課對(duì)自己未來的職業(yè)生涯的影響，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到人工智能或者工程項(xiàng)目的實(shí)踐都需要借助計(jì)算機(jī)完成，而掌握一門編程語言是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的第一步，從而增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，學(xué)以致用。教學(xué)內(nèi)容和思政元素如表2所示：

表2 C語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容融入課程思政元素

2.4 教學(xué)過程中應(yīng)明確教學(xué)內(nèi)容及預(yù)期成果

在教學(xué)過程中應(yīng)有明確教學(xué)內(nèi)容及對(duì)應(yīng)的預(yù)期成果，在教學(xué)大綱及實(shí)施過程中以此為目標(biāo)達(dá)到工程認(rèn)證的要求。以程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練課程為例，該課程簡介為：通過本課程的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生將《C語言程序設(shè)計(jì)》《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》等編程類課程知識(shí)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，達(dá)到提高動(dòng)手能力，啟迪創(chuàng)新思維的目的，通過程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練實(shí)踐，使學(xué)生具備理論聯(lián)系實(shí)際、設(shè)計(jì)和開發(fā)一定功能的應(yīng)用程序能力。

程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練課程具體教學(xué)內(nèi)容及預(yù)期成果如表3所示。

表3 程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果說明

2.5 興趣驅(qū)動(dòng)－樂于學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)類課程

興趣是最好的老師，以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程為例，在上課的第一節(jié)時(shí)，介紹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)界的諾貝爾獎(jiǎng)“圖靈獎(jiǎng)”之間的關(guān)系，通過列舉活動(dòng)圖靈獎(jiǎng)的科學(xué)家在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面做出的貢獻(xiàn)從而獲得“圖靈獎(jiǎng)”，引發(fā)同學(xué)們對(duì)這門課程的興趣。在每章第一句話引發(fā)學(xué)生思考：為何要學(xué)習(xí)該種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如線性表/樹，根據(jù)問題驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，從常識(shí)性問題思考開始；在每章的結(jié)尾：可利用該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解決某個(gè)實(shí)際有趣的問題。

同時(shí)在課堂中開展啟發(fā)式研討教學(xué)。其中針對(duì)學(xué)情調(diào)查反饋問題中提到的“教師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)形式單一，頻率低，反饋少，不足以幫助學(xué)生了解并改善其學(xué)習(xí)情況”。多與學(xué)生課堂上互動(dòng)交流，課后及時(shí)答疑互動(dòng)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生課上的積極性。

3 實(shí)施效果

經(jīng)過實(shí)踐證明，各專業(yè)學(xué)生在編寫程序和解決實(shí)際工程問題及研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面能力均有明顯提升。以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)為例，工程認(rèn)證大綱中該課程對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)為以下四點(diǎn)。

課程目標(biāo)1：能夠分析線性表、棧、隊(duì)列、樹、圖等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，能夠根據(jù)具體問題設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以解決不同的問題。

課程目標(biāo)2：能夠分析不同的排序算法和查找算法的性能特點(diǎn)，能夠根據(jù)具體的問題選擇或者設(shè)計(jì)不同的算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

課程目標(biāo)3：能夠根據(jù)特定要求，設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案，正確地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的過程分析，并能夠運(yùn)用科學(xué)術(shù)語撰寫規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，正確分析實(shí)驗(yàn)算法的復(fù)雜度，得出客觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并總結(jié)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

課程目標(biāo)4：能夠掌握現(xiàn)代開發(fā)工具，能夠跟蹤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)前沿發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，分析不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及不同算法特點(diǎn)及應(yīng)用前景，掌握解決復(fù)雜工程所需要的常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。

自動(dòng)化類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程為例如圖2所示，通過近兩年的課程目標(biāo)達(dá)成度對(duì)比看出，課程目標(biāo)3、4在實(shí)施改革后均得到有效提升。

圖2 課程實(shí)施效果-以自動(dòng)化類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)達(dá)成度對(duì)比為例

4 結(jié)束語

在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，以“產(chǎn)出為導(dǎo)向”的OBE教育理念越來越受到重視。程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)工科本科生及研究生的編程能力、解決復(fù)雜工程問題的重要基礎(chǔ)課程。針對(duì)現(xiàn)有教學(xué)中仍存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法較為傳統(tǒng)、學(xué)生自主編程意識(shí)較弱等問題，本文提出基于OBE理念的多元混合式程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為學(xué)生構(gòu)建了新的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)模式，開展線上拓展性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目熟悉掌握的同時(shí)，設(shè)計(jì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過構(gòu)建課前課后、現(xiàn)場及線上教學(xué)過程融入課程思政等多元混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。經(jīng)過在桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化大類專業(yè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程等的具體實(shí)施，證明該研究改進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量，提升了本科生及研究生的程序設(shè)計(jì)能力、解決實(shí)際問題能力及創(chuàng)新能力。

[1]陳黎黎，國紅軍. OBE理念下軟件工程專業(yè)“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法”課程教學(xué)改革研究[J]. 遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，23(5): 38-40.

[2]楊彬，王青正. 工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)改革[J]. 計(jì)算機(jī)時(shí)代，2020(4): 61-63，67.

[3]蔡美玲，張錦，竇亞玲. 工程教育理念下“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J]. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2018，40(1): 25-30.

[4]蔣宗禮. 本科工程教育: 聚焦學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)[J]. 中國大學(xué)教學(xué)，2016(11): 27-30，84.

[5]董薇，李妍. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2017(15): 36-68.

[6]吳運(yùn)兵，余小燕. 工程教育認(rèn)證下程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2021(1): 121-125.

[7]陳壽宏. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[Z]. 桂林: 桂林電子科技大學(xué)，2021.

Research on the Multiple Mixed Teaching in Programming Experiments

Under the background of engineering education certification, the OBE education concept- of "output-oriented" has been paid more and more attention. The experimental teaching of programming is an important basic course to cultivate the programming ability of engineering undergraduates and postgraduates and solve complex engineering problems. In view of the problems of traditional experimental teaching methods and students' weak awareness of independent programming in the existing teaching, this paper proposes to build a multi mixed experimental teaching research of integrating the pre class and post class, on-site and Online teaching processes into the ideological and political curriculum. The practice shows that the research has improved the teaching quality, enhanced the programming ability, practical problem solving ability and innovation ability of undergraduate and graduate students.

mixed teaching; programming; experimental teaching; cultivation of innovation ability

G642

A

1008-1151(2022)12-0153-04

2022-09-07

測控技術(shù)與儀器國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（桂林電子科技大學(xué)）、廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（JGY2022116、JGY2022128）；廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2019JGA164）；廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2022JGA182）；桂林電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（JGA201801）。

陳壽宏（1981－），男，桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，博士，研究方向?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)、集成電路測試。

侯杏娜（1982－），女，桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)、電路可靠性測試。