基于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的高級語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)方案

[摘? ? ? ? ? ?要]? 為了提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的編程學(xué)習(xí)成績，提出了一種有效的高級語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)方法，開發(fā)軟件使用技能，將智能信息技術(shù)融合到現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中，以促進(jìn)智能信息化。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 學(xué)業(yè)成績;教學(xué)方法;就業(yè)率

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2022）34-0058-04

一、前言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）與人工智能（AI）、區(qū)塊鏈、第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）都是未來最有發(fā)展空間的技術(shù)。隨著工業(yè)和社會(huì)通過ICT技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化和自動(dòng)化，編程能力的重要性正在逐步凸顯。

編程基于創(chuàng)造性和科學(xué)邏輯，通過程序語言來實(shí)現(xiàn)解決問題方案的自動(dòng)化過程。進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，軟件不僅占據(jù)了工業(yè)和教育領(lǐng)域，而且還占據(jù)了現(xiàn)實(shí)生活，編程技能顯然已成為最為重要的能力之一。要在工業(yè)4.0時(shí)代提升競爭力，利用ICT的能力和編程實(shí)現(xiàn)的能力是不可或缺的，這也直接影響著未來的就業(yè)。本文旨在尋求可用于學(xué)生就業(yè)和學(xué)業(yè)指導(dǎo)的教育措施，通過開發(fā)編程學(xué)科教授物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)各種發(fā)展的教學(xué)方法，提高學(xué)生對編程領(lǐng)域的興趣，從而提高就業(yè)率。首先，我們希望通過開發(fā)教學(xué)方法，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。其次，我們希望開發(fā)最佳的教學(xué)方法，使物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生能夠在提高編程領(lǐng)域興趣的策略下，提高編程相關(guān)學(xué)科的學(xué)業(yè)成績。

為了在融合時(shí)代成長為核心人力資源，學(xué)習(xí)計(jì)算原理和技能以培養(yǎng)創(chuàng)造性和高效解決問題所需的能力非常重要。教育、科學(xué)和技術(shù)部也提出了一項(xiàng)未來教育政策，強(qiáng)調(diào)融合思維和創(chuàng)造性問題解決。程序是計(jì)算機(jī)可以理解的問題解決形式，相關(guān)高級語言程序設(shè)計(jì)課程旨在培養(yǎng)算法思維和解決問題的技能，旨在幫助學(xué)生通過簡單的語法表達(dá)豐富的想象力和創(chuàng)造力。這種程序教育應(yīng)該只是針對程序或編程本身的教育，可以引導(dǎo)學(xué)生通過編程解決他們在現(xiàn)實(shí)生活中遇到的問題。工程教育認(rèn)證以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”為基本理念，以培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”能力為根本定位[1]。

程序設(shè)計(jì)教育的主要目標(biāo)：首先，學(xué)生可以理解一個(gè)框架，該框架監(jiān)督如何將信息輸入計(jì)算機(jī)、如何處理輸入信息以及如何輸出處理結(jié)果等所有問題。其次，學(xué)生可以發(fā)展更高的思維技能，如邏輯思維、解決問題、創(chuàng)造力和創(chuàng)造性活動(dòng)。最后，在工業(yè)4.0時(shí)代，發(fā)展編程技能可以提供廣泛的職業(yè)選擇。提高編程教育效率的因素包括課程、教學(xué)方法、教師素質(zhì)、學(xué)生編程興趣和信心、學(xué)生對編程價(jià)值的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。編程課程可以提高識(shí)別邏輯關(guān)系和找到解決方案的反思性思維能力，提高產(chǎn)生不同想法的增殖性思維能力，以及學(xué)生發(fā)現(xiàn)解決方案的信心和獨(dú)立性。教師應(yīng)該開發(fā)各種與編程相關(guān)的教學(xué)方法，引領(lǐng)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)提高編程學(xué)習(xí)成績，同時(shí)考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、積極的學(xué)習(xí)觀念、自我效能感以及學(xué)習(xí)的滿意度和意識(shí)。

二、物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)高級語言程序教學(xué)方案

學(xué)生需要在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行協(xié)作或自主地實(shí)施面向?qū)ο笳Z言的高級編程，在編程過程中重點(diǎn)關(guān)注每個(gè)專業(yè)課程中的實(shí)際問題和情況。為了克服物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的局限性，軟件技術(shù)在未來ICT行業(yè)中的重要性越來越突出。

為了強(qiáng)調(diào)編程教育，以便為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生提供足夠的編程能力。本文提出以下觀點(diǎn)：開發(fā)有效的程序設(shè)計(jì)教學(xué)方法，包括如下五個(gè)主要階段。

第一階段：通過編程學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)、信息和功能，培養(yǎng)解決問題的技能。

第二階段：在探索編程問題的過程中，培養(yǎng)創(chuàng)造性利用能力，自行解決問題。

第三階段：通過自由解決軟件相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)或內(nèi)容的問題，發(fā)展自我開發(fā)能力。

第四階段：通過實(shí)施以自我導(dǎo)向方式設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，培養(yǎng)實(shí)踐能力。

第五階段：強(qiáng)調(diào)軟件的重要性，開發(fā)編程能力，以克服未來ICT行業(yè)電子技術(shù)進(jìn)步的局限性。

所有這些階段或步驟都有助于教育工作者設(shè)計(jì)他們的編程教學(xué)方法。通過開發(fā)與編程相關(guān)的教學(xué)方法，提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生的興趣、價(jià)值認(rèn)同、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、編程信心和興趣，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)課程中有效的編程教育。

首先，在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一年級，采用講座式教學(xué)方法和互動(dòng)式教學(xué)方法舉辦講座，以培養(yǎng)解決問題的能力。其次，編程學(xué)科是一門核心學(xué)科，如果學(xué)生在低年級對編程失去興趣，他不僅會(huì)放棄編程領(lǐng)域，還會(huì)放棄相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，因此需要有效的特色教學(xué)方法。最后，編程課程應(yīng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程的基本概念和原理抽象出各個(gè)領(lǐng)域的問題，設(shè)計(jì)解決方案，能夠理解計(jì)算系統(tǒng)的有效資源管理方法，培養(yǎng)編程軟件實(shí)現(xiàn)和自動(dòng)化的能力，從而在物聯(lián)網(wǎng)工程的各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的解決。此外，教科書應(yīng)以學(xué)生為中心和目標(biāo)導(dǎo)向的教育角度進(jìn)行研究開發(fā)。

隨著工業(yè)4.0進(jìn)入一個(gè)連接人、物和空間的超智能社會(huì)，人工智能、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)等服務(wù)正在改變學(xué)生的生活方式。在這種環(huán)境下長大的學(xué)生通過事先獲得編程知識(shí)，熟悉編程，同時(shí)自然認(rèn)識(shí)到編程課程的重要性。高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育階段的首要任務(wù)是“培養(yǎng)大學(xué)生的計(jì)算思維能力”，我們在第一學(xué)期開設(shè)了C語言程序設(shè)計(jì)，第三學(xué)期開設(shè)了Python程序設(shè)計(jì)和Java程序設(shè)計(jì)，第六學(xué)期開設(shè)了高級語言技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程，而這些高級語言中包含了大量的解決問題的算法及思維模式[2]。表1（見文末）是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的主要課程教學(xué)進(jìn)度表。

云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能以不可阻擋之勢席卷而至，而這些現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)無一能離開程序的設(shè)計(jì)。C語言是一門結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語言。它是人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、電子信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)的一門非常重要的編程語言，兼有高級語言和低級語言的功能。C語言實(shí)踐性很強(qiáng)，學(xué)習(xí)它既要掌握概念，又要?jiǎng)邮志幊?，還要上機(jī)調(diào)試運(yùn)行。它不僅可用于編寫應(yīng)用軟件，還可以編寫系統(tǒng)軟件以及嵌入式系統(tǒng)。目前流行的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言，如C++、Java、C#等都是在C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展派生而來的。C語言可以用于開發(fā)比較底層的東西，比如驅(qū)動(dòng)、通信協(xié)議之類，在Unix和Linux環(huán)境中也是不可或缺的，另外，在嵌入式領(lǐng)域也大有作為。Python是Guido Rossum于1989年創(chuàng)建的面向?qū)ο缶幊陶Z言。Python語言的語法簡潔、自然而優(yōu)雅，具有易于學(xué)習(xí)、易于使用、易于移植和資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，成為云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能的首選語言。它是復(fù)雜應(yīng)用程序快速原型設(shè)計(jì)的理想選擇。它有許多操作系統(tǒng)調(diào)用和庫的接口，可以擴(kuò)展到C或C++。許多大公司使用Python編程語言，包括NASA、谷歌、YouTube、BitTorrent等?，F(xiàn)階段，高校普遍將它作為計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的一門主干課程。Java是一種高級的、基于類的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，其設(shè)計(jì)目的是盡可能少地依賴于實(shí)現(xiàn)。它是一種通用編程語言，旨在讓程序員編寫一次，隨時(shí)隨地運(yùn)行，這意味著編譯后的Java代碼可以在所有支持Java的平臺(tái)上運(yùn)行，而無須重新編譯。Java應(yīng)用程序通常編譯為字節(jié)碼，可以在任何Java虛擬機(jī)（JVM）上運(yùn)行，而不管底層計(jì)算機(jī)架構(gòu)如何。Java的語法類似于C和C++，但其底層功能比這兩種語言都少。Java運(yùn)行時(shí)提供了在傳統(tǒng)編譯語言中通常不可用的動(dòng)態(tài)功能。據(jù)GitHub統(tǒng)計(jì)，截至2021年，Java是使用中最流行的高級編程語言之一，特別是對于客戶端-服務(wù)器web應(yīng)用程序，據(jù)報(bào)道有900萬開發(fā)者。IEEE Spectrum 2021編程語言使用頻度情況如表2所示。由其可知，Python，Java和C語言使用頻度穩(wěn)居前三名。

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)方法主要以教師為中心。教師在全班面前提供大部分信息，而學(xué)生在學(xué)習(xí)中被動(dòng)地傾聽和吸收，主要使用書籍作為學(xué)習(xí)和記憶的來源。因此，學(xué)生無法理解所學(xué)課程的應(yīng)用，因?yàn)樗麄冎饕怯洃浿R(shí)，而不是搜索和應(yīng)用知識(shí)。雖然這在過去可能奏效，但新的現(xiàn)實(shí)要求計(jì)算機(jī)課程的學(xué)習(xí)方式發(fā)生范式轉(zhuǎn)變。應(yīng)采用以學(xué)生為中心的PBL教學(xué)方法，使學(xué)生能夠應(yīng)對這一現(xiàn)實(shí)?；趩栴}的學(xué)習(xí)（Problem Based Learning，PBL）為學(xué)習(xí)者提供了真正的機(jī)會(huì)來培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)批判性思維發(fā)展，支持知識(shí)構(gòu)建，并將學(xué)習(xí)與現(xiàn)實(shí)問題聯(lián)系起來。

PBL自從20世紀(jì)70年代初推出以來，它已在世界各地的各種本科課程中使用。在PBL中，學(xué)生必須學(xué)會(huì)應(yīng)用知識(shí)，而不僅僅是獲取知識(shí)。PBL是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)策略，用于促進(jìn)主動(dòng)學(xué)習(xí)。PBL旨在培養(yǎng)不僅記住理論，而且知道如何以及何時(shí)應(yīng)用理論的學(xué)習(xí)者。PBL源自這樣一種理論，即學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)的過程。學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者行動(dòng)的結(jié)果;教學(xué)只有在能夠促進(jìn)建設(shè)性活動(dòng)開展的情況下才能發(fā)揮作用。教師不是簡單地講授解決方案，而是向?qū)W生介紹或確定他們自己的問題，這些問題推動(dòng)了他們的探究和學(xué)習(xí)過程。PBL的理論基礎(chǔ)是建構(gòu)主義。建構(gòu)主義是一種認(rèn)知學(xué)習(xí)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者先前知識(shí)的重要性。建構(gòu)主義以相反的思想設(shè)計(jì)教學(xué)過程，即“在解決問題的過程中學(xué)習(xí)”。當(dāng)學(xué)生能夠?qū)⑿滦畔⑴c他們已經(jīng)吸收的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來時(shí)，學(xué)習(xí)就會(huì)發(fā)生。教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)一些有意義的問題，然后讓學(xué)生思考并嘗試解決它們。在這個(gè)過程中，教師可以提供一些支持和指導(dǎo)，組織學(xué)生討論和合作。教師的活動(dòng)不應(yīng)妨礙學(xué)生的獨(dú)立思考。在解決問題的過程中，學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建新知識(shí)。當(dāng)他們同化時(shí)，他們將新的經(jīng)驗(yàn)融入已經(jīng)存在的框架中，而不改變該框架。在這里，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中發(fā)揮著積極的作用。這種方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和解決問題的能力。布魯克斯在1999年提出了以下建構(gòu)主義指導(dǎo)原則，他們將學(xué)習(xí)視為一個(gè)主動(dòng)過程，并將其分類為：（1）學(xué)習(xí)是一個(gè)主動(dòng)的過程（心理或身體）;（2）學(xué)習(xí)是社會(huì)活動(dòng);（3）學(xué)習(xí)是情境性的;（4）學(xué)習(xí)需要知識(shí);（5）學(xué)習(xí)需要時(shí)間。PBL要求學(xué)生在小組中共同解決現(xiàn)實(shí)世界的問題。PBL是一個(gè)主動(dòng)、互動(dòng)的過程，讓學(xué)生識(shí)別他們各自領(lǐng)域的已知和未知知識(shí)以及與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系。他們解決問題的內(nèi)在動(dòng)機(jī)將用于發(fā)現(xiàn)新知識(shí)，并應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決給定問題。PBL可以與講座相結(jié)合，形成一種混合教學(xué)模式，幾乎可以在所有課程和科目中實(shí)施。在基于問題的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以提高他們的問題解決技能、研究技能和社交技能。PBL是一種教育策略，幫助學(xué)生培養(yǎng)成功所需的推理和溝通技能。它是一種構(gòu)建課程的方法，涉及讓學(xué)生面對實(shí)際問題，從而刺激學(xué)習(xí)。PBL旨在培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力，而不是為了獲取知識(shí)而學(xué)習(xí)。PBL經(jīng)常以項(xiàng)目的形式出現(xiàn)，在PBL項(xiàng)目中，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式工作。學(xué)生會(huì)收到一個(gè)由學(xué)科老師設(shè)計(jì)的問題，或者學(xué)生自己設(shè)計(jì)一個(gè)問題，然后與學(xué)科教師一起檢查這是一個(gè)問題還是一個(gè)需要回答的問題。學(xué)生還將檢查教師設(shè)計(jì)的問題是否與主題字段相關(guān)、是否與現(xiàn)實(shí)世界相關(guān)。整個(gè)項(xiàng)目可以持續(xù)4或6周到整個(gè)學(xué)期。我們計(jì)劃安排兩個(gè)月的時(shí)間編寫一份書面報(bào)告，再安排2～4周的時(shí)間對報(bào)告進(jìn)行更正，并為演講做準(zhǔn)備。完成某些階段的具體截止日期將在項(xiàng)目期間確定。PBL課堂還包括自我評估和同伴評估。在項(xiàng)目完成前進(jìn)行同行評估可能有助于提高持續(xù)過程和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，學(xué)生還將評估老師，以指出老師的優(yōu)勢和劣勢，這將使他們更容易適應(yīng)自己的工作。PBL可以改善編程學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的分析技能和解決問題的能力。有證據(jù)表明，與其他教學(xué)方法相比，PBL對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)和解決問題的質(zhì)量具有價(jià)值。PBL有一個(gè)問題驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，因?yàn)樗奶岢龇绞阶寣W(xué)生意識(shí)到他們需要獲得新知識(shí)才能解決問題。這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)將有助于我們理解學(xué)習(xí)引導(dǎo)式編程的困難，并為教育工作者提供一種改進(jìn)編程語言教學(xué)的替代策略。通過在這些課程中采用互動(dòng)式教學(xué)方法和團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目教學(xué)方法，重點(diǎn)提高學(xué)生對編程的興趣，使學(xué)生提高自我驅(qū)動(dòng)能力，能夠在物聯(lián)網(wǎng)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息與通信工程相關(guān)領(lǐng)域從事物聯(lián)網(wǎng)感知與控制，有線/無線網(wǎng)絡(luò)與傳輸，軟件與信息服務(wù)的研究、開發(fā)、集成、應(yīng)用以及系統(tǒng)規(guī)劃、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)施、管理、運(yùn)維等工作，最終提高物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用領(lǐng)域的就業(yè)率。

三、結(jié)論

本文提出有效開展物聯(lián)網(wǎng)工程程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)方法，幫助學(xué)生理解解決實(shí)際問題的思路和方法，提高學(xué)生計(jì)算思維、創(chuàng)新思維和編程技能，進(jìn)而提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教育質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)業(yè)成績和就業(yè)，最終培養(yǎng)具有硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)能力的復(fù)合型人才。

參考文獻(xiàn)：

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本文受宿遷學(xué)院人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金（項(xiàng)目批準(zhǔn)號：106-CK0004296）資助。

作者簡介：許鵬飛（1980—），男，漢族，工學(xué)博士，講師，美國加州大學(xué)戴維斯分校訪問學(xué)者，研究方向：智能信號處理。