面向差異化能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)體系

王 雷，唐 建，白雪飛

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息學(xué)院，安徽 合肥 230027）

計(jì)算機(jī)程序在驅(qū)動(dòng)當(dāng)今社會(huì)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的各類系統(tǒng)中處于核心地位，程序設(shè)計(jì)能力已成為高端人才的必備能力。作為高等教育在學(xué)人數(shù)最多的國(guó)家，我國(guó)對(duì)計(jì)算機(jī)教學(xué)越來越重視，很多大學(xué)將計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)列為面向所有專業(yè)開設(shè)的公共基礎(chǔ)或通修課程。

與數(shù)學(xué)物理等基礎(chǔ)課程不同的是，從教學(xué)目標(biāo)上，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)應(yīng)該是一門理論與實(shí)踐并重的課程。然而在實(shí)際的教學(xué)中，由于教學(xué)理念、實(shí)驗(yàn)條件、教學(xué)方法、考核機(jī)制的影響與約束，使得課程實(shí)踐的整體水平很難達(dá)到教學(xué)要求。另一方面，現(xiàn)代教育理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，而相比于其他基礎(chǔ)課程，由于中學(xué)信息技術(shù)教育水平的不同，大學(xué)新生在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)方面的差異十分巨大，單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式難以滿足差異化的學(xué)生學(xué)習(xí)需求。

近年來各高校都加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)，并且針對(duì)學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式與教學(xué)內(nèi)容方面進(jìn)行了很多改革的嘗試。比如采用項(xiàng)目導(dǎo)向、應(yīng)用導(dǎo)向甚至競(jìng)賽導(dǎo)向的形式，增加探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生綜合利用知識(shí)解決問題；也有強(qiáng)調(diào)從錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)和培養(yǎng)編程能力、建立突出實(shí)踐能力評(píng)價(jià)的多元考核體系等方法，以實(shí)踐促學(xué)習(xí)；在分層教學(xué)方面，也有一些有益的嘗試。但由于缺乏體系化設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的條件建設(shè)，仍然無法建立能有效解決學(xué)生基礎(chǔ)差異問題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

針對(duì)上述問題，本文首先進(jìn)行了學(xué)情分析，然后設(shè)計(jì)了多平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)體系，通過差異化的教學(xué)實(shí)踐幫助學(xué)生從不同的起點(diǎn)出發(fā)達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

一、學(xué)情分析

在國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)教育起步階段，幾乎所有大學(xué)新生都沒有專業(yè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，因此計(jì)算機(jī)課程可以沿用其他課程的教學(xué)模式，從零基礎(chǔ)開始學(xué)習(xí)語(yǔ)法知識(shí)、練習(xí)編寫小程序，所有人同步學(xué)習(xí)直至完成教學(xué)任務(wù)。當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)課程主要面向信息和計(jì)算機(jī)類專業(yè)的學(xué)生，屬于專業(yè)課程體系，學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，學(xué)習(xí)主動(dòng)性也較強(qiáng)。

但在進(jìn)入信息時(shí)代之后，國(guó)內(nèi)高校已普遍把計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)列為各專業(yè)都需要學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，教學(xué)對(duì)象表現(xiàn)出如下特征：（1）專業(yè)差異大，涉及到理學(xué)、工學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)等跨度很大的專業(yè)，各專業(yè)對(duì)程序設(shè)計(jì)能力的需求各有不同；（2）基礎(chǔ)差異大，由于信息技術(shù)不是高考科目，大多數(shù)新生并未在中學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)過編程，甚至有相當(dāng)一部分人并不經(jīng)常使用計(jì)算機(jī)，在學(xué)習(xí)本課程之前幾乎是零基礎(chǔ)，但由于信息奧賽是高考自主招生認(rèn)可的五大競(jìng)賽之一，又有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生參加過信息類競(jìng)賽，對(duì)編程較為熟悉，這些基礎(chǔ)不同的學(xué)生顯然無法保持一致的學(xué)習(xí)進(jìn)度。

課程組在本校新生入學(xué)時(shí)進(jìn)行的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)調(diào)研結(jié)果見表1。從中可以看出，學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)分布較為分散，其中學(xué)過C/C++的學(xué)生占比達(dá)到11.3%，而這已經(jīng)是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程能選擇的最難的語(yǔ)言；學(xué)過至少一門編程語(yǔ)言的更是高達(dá)20.1%，對(duì)這些基礎(chǔ)很好的同學(xué)來說，按部就班的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難以滿足他們的學(xué)習(xí)需求。但與此同時(shí)，不能熟練使用計(jì)算機(jī)的同學(xué)占比高達(dá)43%以上，其中很少使用計(jì)算機(jī)的同學(xué)達(dá)到了14.6%的比例，對(duì)他們來說，學(xué)習(xí)編程的過程具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。

表1 新生入學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)調(diào)研結(jié)果

從“以生為本”的角度，針對(duì)基礎(chǔ)不同的學(xué)生，應(yīng)該有更多可選的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，安排不同起點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案，以幫助他們盡快縮小差距，最終共同達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)面向差異化能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系成為必然的選擇。

二、實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐

本文從教學(xué)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三個(gè)維度進(jìn)行了差異化的實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)，其架構(gòu)如圖1 所示。每個(gè)維度都是一個(gè)由淺入深、循序漸進(jìn)逐步發(fā)展的過程，介紹如下。

圖1 多維實(shí)驗(yàn)體系架構(gòu)圖

（一）教學(xué)對(duì)象維度

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保?009 年起，在國(guó)內(nèi)率先把計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)作為全校所有專業(yè)的通修課程，并在設(shè)課同時(shí)實(shí)施了分級(jí)教學(xué)。根據(jù)新生的入學(xué)計(jì)算機(jī)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合學(xué)生的分班意愿，劃分了基礎(chǔ)班和普通班。在當(dāng)時(shí)，兩類班級(jí)的主要差別就體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上。從2018 年起，在省級(jí)重大教研項(xiàng)目支持下，課程組對(duì)本課程進(jìn)行了更深層次的改革，在進(jìn)行了細(xì)致調(diào)研的基礎(chǔ)上再次分級(jí)，面向具有較強(qiáng)程序設(shè)計(jì)能力的學(xué)生增設(shè)了進(jìn)階班，配備具有豐富教學(xué)科研經(jīng)驗(yàn)的教師和計(jì)算機(jī)專業(yè)的研究生助教，開展進(jìn)階內(nèi)容的教學(xué)。從教學(xué)對(duì)象維度，分班不僅意味著知識(shí)儲(chǔ)備起點(diǎn)的不同，也對(duì)應(yīng)著從不同層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)起步。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容維度

實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的最核心環(huán)節(jié)，但在當(dāng)前的教學(xué)實(shí)踐中，存在著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于簡(jiǎn)單和零碎、缺乏系統(tǒng)性與趣味性等問題。題目類型較為單一，更注重知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)與練習(xí)，而不是對(duì)程序設(shè)計(jì)思想與方法的理解與掌握。特別是沒有針對(duì)不同基礎(chǔ)的學(xué)生設(shè)置不同層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，難以滿足學(xué)生的差異化學(xué)習(xí)需求。

為改變現(xiàn)狀，首先針對(duì)基礎(chǔ)薄弱的基礎(chǔ)班學(xué)生，增加了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的上機(jī)內(nèi)容，主要包括Windows 操作系統(tǒng)及常用應(yīng)用軟件操作實(shí)驗(yàn)、Office Word、Excel 和Power－Point 操作實(shí)驗(yàn)、以及Linux 操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)操作實(shí)驗(yàn)等。針對(duì)普通班的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則從演示型實(shí)驗(yàn)開始，逐步過渡到驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型和綜合型，其中綜合型包括了二維字符數(shù)組的操作、文件與鏈表的應(yīng)用等較為復(fù)雜的內(nèi)容，重點(diǎn)鍛煉學(xué)生的程序設(shè)計(jì)思想與計(jì)算思維能力。

針對(duì)進(jìn)階班的學(xué)生，除了增加算法分析與設(shè)計(jì)、軟件工程等方面的教學(xué)內(nèi)容外，更是大幅增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。要求學(xué)生以自由組隊(duì)的方式，完成至少兩項(xiàng)任務(wù)，其一是使用Miller Rabin 測(cè)試算法進(jìn)行素?cái)?shù)判定，其中涉及二進(jìn)制大數(shù)的生成、輸入、運(yùn)算與測(cè)試等較為艱深的數(shù)值表示與處理的內(nèi)容，學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)了解使用計(jì)算機(jī)暴力計(jì)算能力從概率上解決數(shù)論問題，以及隨機(jī)化算法的設(shè)計(jì)思想；其二是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款游戲，要求：（1）該游戲必須包含動(dòng)態(tài)控制成分（例如：棋子移動(dòng)、飛行等，而不能是簡(jiǎn)單直接地顯示棋子）；（2）C 語(yǔ)言下可以用字符作為顯示界面，也可以在C++語(yǔ)言下用圖形窗口作為顯示界面；（3）作為游戲，應(yīng)當(dāng)有人機(jī)交互成分。要求交互界面友好，易學(xué)；（4）鼓勵(lì)有基礎(chǔ)的同學(xué)嘗試添加博弈對(duì)抗；（5）鼓勵(lì)有基礎(chǔ)的同學(xué)嘗試多機(jī)聯(lián)合/對(duì)抗等。

（三）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)維度

課程為不同基礎(chǔ)的同學(xué)提供了多平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分為本地、服務(wù)端和云端三類平臺(tái)?；A(chǔ)薄弱的學(xué)生從簡(jiǎn)單易用的Dev C++5.11 本地開發(fā)環(huán)境開始練習(xí)，有了一定基礎(chǔ)后則要求使用兼容性更好的CodeBlocks 開發(fā)環(huán)境或更加專業(yè)的Visual Studio Code 環(huán)境。中后期的綜合類實(shí)驗(yàn)，除了基于離線平臺(tái)編寫與調(diào)試源代碼外，還要求學(xué)生在服務(wù)端的自主實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)（圖2）在線提交已完成的代碼，一方面便于助教隨時(shí)進(jìn)行評(píng)判，另一方面可以長(zhǎng)期保存學(xué)生的實(shí)驗(yàn)程序。

圖2 自主實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

對(duì)于進(jìn)階班與其他進(jìn)行到綜合類與項(xiàng)目導(dǎo)向類實(shí)驗(yàn)階段的同學(xué)，要求分別在我校自主開發(fā)的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)CODIA（課達(dá)編程）（圖3）以及華為“智能基座”產(chǎn)教融合項(xiàng)目提供的鯤鵬云平臺(tái)（圖4）上進(jìn)行自我測(cè)試與高階練習(xí)。

圖3 CODIA 在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)

圖4 華為鯤鵬云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

（四）綜合考核

合理的考核制度，重點(diǎn)不在于如何考察學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶和掌握的熟練程度，而是要有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與探索未知的興趣。本課程的實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié)，采用了線上線下相結(jié)合、教師與學(xué)習(xí)者共同參與的綜合考核方式。

線下通過人工對(duì)演示型、驗(yàn)證型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的正確性進(jìn)行評(píng)判，而綜合型實(shí)驗(yàn)則會(huì)進(jìn)行綜合評(píng)判，評(píng)分內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)程序的完整性、魯棒性（如是否有較為完善的錯(cuò)誤捕捉與處理機(jī)制等）、項(xiàng)目報(bào)告的規(guī)范性；對(duì)項(xiàng)目導(dǎo)向類或其他開放性實(shí)驗(yàn)，則從作品的創(chuàng)新性（程序中獨(dú)創(chuàng)的部分，包括使用新的架構(gòu)、算法或策略、設(shè)計(jì)理念等）、作品新穎性（與已有程序的差異，具有趣味性甚至對(duì)抗性等）等方面，由教師、助教以及各分組間互評(píng)打分，盡可能保證評(píng)分的合理性與公平性。

線上主要通過平臺(tái)打分，如自主實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以完成語(yǔ)法練習(xí)類程序的語(yǔ)法正確性判定，而程序設(shè)計(jì)思想與方法的優(yōu)劣則由教師和助教人工進(jìn)行評(píng)判。在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)由于使用了機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，已經(jīng)能夠達(dá)到信息類競(jìng)賽用軟件的評(píng)測(cè)水平，適用于本課程除項(xiàng)目導(dǎo)向類以外的所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的自動(dòng)評(píng)分。

以上多維考核的結(jié)果最終進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)，而實(shí)驗(yàn)成績(jī)占課程總評(píng)成績(jī)的40%，較好體現(xiàn)了實(shí)踐能力在課程學(xué)習(xí)中的重要性。在4 個(gè)課堂進(jìn)行的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生編程能力有顯著提高，代碼規(guī)范性從無到有，難度高、工作量大的綜合實(shí)驗(yàn)的完成率從約60%提高到85%以上。在我校課堂教學(xué)質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)中，學(xué)生均給出了4.5 分（滿分5 分）以上的評(píng)價(jià)，處于全校課堂的前列。

三、結(jié)束語(yǔ)

作為一門理論與實(shí)踐并重的課程，面對(duì)基礎(chǔ)差異巨大的學(xué)習(xí)群體，設(shè)計(jì)能力層次分明、平臺(tái)搭配合理、評(píng)分公平有效的實(shí)驗(yàn)體系，對(duì)學(xué)生掌握程序設(shè)計(jì)思想與方法、鍛煉編程實(shí)踐能力具有至關(guān)重要的作用。教學(xué)效果證明了本文設(shè)計(jì)的多平臺(tái)實(shí)驗(yàn)體系在差異化能力培養(yǎng)方面的有效性。未來的工作中，將依托智慧課堂等現(xiàn)代教育技術(shù)，進(jìn)一步改進(jìn)與細(xì)化差異化能力培養(yǎng)模式，以達(dá)到更優(yōu)的教學(xué)效果。