計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)分層次協(xié)作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

鄭 重，王 雷，譚立湘，白雪飛，劉 勇

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，合肥 230026）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)不僅為解決專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域問(wèn)題提供了有效的方法和手段，而且提供了一種獨(dú)特的處理問(wèn)題的思維方式。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在實(shí)現(xiàn)大學(xué)教育目標(biāo)方面起著非常重要的作用，培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”能力是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)［1-2］。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)是大學(xué)本科計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)系列中的核心課程，該課程從結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法出發(fā)，以C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為載體，圍繞“程序設(shè)計(jì)＝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法”，通過(guò)對(duì)典型問(wèn)題的分析、數(shù)據(jù)與算法的描述和代碼的實(shí)現(xiàn)，介紹了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法中如何分析問(wèn)題、組織數(shù)據(jù)并解決問(wèn)題。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)不僅要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。作為一門(mén)直接面向應(yīng)用、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，上機(jī)實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中必不可少的組成部分，學(xué)生通過(guò)上機(jī)操作，感受和領(lǐng)悟應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的基本方法和思維模式。

1 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

作為公選基礎(chǔ)必修課，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)面向全校所有專(zhuān)業(yè)的大一新生。由于各中學(xué)計(jì)算機(jī)教育水平不同等客觀原因，每屆學(xué)生的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)差異很大。針對(duì)這種客觀差異，學(xué)校課程組實(shí)行了快、慢班分班制，實(shí)際操作中，每位學(xué)生的主觀想法不同，選擇有時(shí)并不能反映其實(shí)際情況。有的學(xué)生基礎(chǔ)較薄弱，但誤認(rèn)為慢班教的東西少而選擇快班；相反，有些基礎(chǔ)較好的學(xué)生，卻認(rèn)為慢班教得更細(xì)致而選擇了慢班，從而導(dǎo)致即使實(shí)行了快、慢班分班制，同一個(gè)班里的學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)的理解水平和應(yīng)用能力仍然存在很大差別。不同基礎(chǔ)的學(xué)生在同一實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂中，內(nèi)容和形式較為單一的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，很難使每位同學(xué)都能有收獲感?；A(chǔ)好的學(xué)生覺(jué)得上機(jī)實(shí)驗(yàn)偏簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)積極性不高；而基礎(chǔ)較差的學(xué)生面對(duì)同樣的上機(jī)實(shí)驗(yàn)又存在各種困難，直至下課也不能完成，從而對(duì)課程產(chǎn)生懼怕心理。這勢(shì)必導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效果不佳，預(yù)期教學(xué)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。如何對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和形式進(jìn)行改革和優(yōu)化，以滿足不同程度學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，充分提高每位學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)他們的計(jì)算思維能力，是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中值得探究的課題［3］。

近年來(lái)，在教育部推進(jìn)“新工科”建設(shè)的大背景下，國(guó)內(nèi)各高校均積極開(kāi)展計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革［4-7］。針對(duì)大一新生的實(shí)際情況，提出了分層次協(xié)作型的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以解決現(xiàn)有課堂存在的學(xué)生計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)水平參差不齊的問(wèn)題，提升每一位學(xué)生的課堂收獲感。

2 分層次協(xié)作型計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建流程

在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，著重從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式兩個(gè)方面進(jìn)行改革。從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和課程教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行課前調(diào)研，以此為基礎(chǔ)，緊扣課程理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，設(shè)計(jì)分層次差異化的教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建多樣化協(xié)作型的教學(xué)形式；通過(guò)課后教學(xué)效果評(píng)價(jià)和反饋，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步提升教學(xué)效果。構(gòu)建分層次協(xié)作型計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的流程如圖1 所示。

圖1 分層次協(xié)作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建流程

2.1 學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)調(diào)查

通過(guò)問(wèn)卷、座談等多種形式調(diào)查大一新生的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，充分了解學(xué)生之間由于地域、中學(xué)計(jì)算機(jī)教育水平不同等導(dǎo)致的客觀差異，以及分班時(shí)學(xué)生個(gè)人選擇而導(dǎo)致的主觀差異。圖2 所示是針對(duì)某專(zhuān)業(yè)大一新生計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的調(diào)查結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，大多數(shù)大一新生的基礎(chǔ)較為薄弱，對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)了解較少，但也有相當(dāng)一部分新生有一定的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。通過(guò)分析新生在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的差異，了解他們對(duì)該課程的學(xué)習(xí)需求和期望目標(biāo)，可以為實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容和形式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

圖2 某專(zhuān)業(yè)大一新生計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)調(diào)查結(jié)果

2.2 理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)梳理

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和安排是影響課程教學(xué)效果的關(guān)鍵因素［8-9］。上機(jī)實(shí)驗(yàn)是對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基本理論和利用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題基本方法的理解、運(yùn)用與拓展。梳理計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)理論教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，挖掘其中的內(nèi)在聯(lián)系，加以合理的分類(lèi)與組合，是開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分層次差異化設(shè)計(jì)的必要前提。

2.3 課程教學(xué)目標(biāo)導(dǎo)向

教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)，要圍繞落實(shí)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行［10］。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的方法，具有較強(qiáng)的計(jì)算思維能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，可獨(dú)立編寫(xiě)一些小規(guī)模的應(yīng)用程序以解決實(shí)際問(wèn)題，為其后續(xù)的課程學(xué)習(xí)和專(zhuān)業(yè)應(yīng)用打下較扎實(shí)的基礎(chǔ)。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和形式進(jìn)行設(shè)計(jì)的“作用力”都應(yīng)指向這個(gè)目標(biāo)［11］。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)講授

針對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)不同的客觀現(xiàn)狀，在開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課之前，利用8 個(gè)理論課時(shí)講授計(jì)算機(jī)的基本組成、存儲(chǔ)程序控制原理、信息的表示及軟硬件層次等計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，以幫助學(xué)生初步了解計(jì)算機(jī)的工作原理，為他們學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)奠定必要的基礎(chǔ)。

3.2 分層次差異化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程內(nèi)容繁雜、語(yǔ)法瑣碎，不易掌握。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，目的是消化理論課堂教學(xué)內(nèi)容。上機(jī)題主要是對(duì)本章節(jié)理論課堂教學(xué)的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)較為孤立，對(duì)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)性關(guān)注不夠，綜合型、創(chuàng)新型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)較少，學(xué)生容易將過(guò)多的精力花在編程語(yǔ)言繁復(fù)的語(yǔ)法之中，而忽視了對(duì)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法和計(jì)算思維的訓(xùn)練。

為了讓不同程度的學(xué)生都能有良好的課堂收獲感，設(shè)計(jì)了分層次差異化的綜合性上機(jī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將課程中的主要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇?lián)，并體現(xiàn)新穎性和探索性的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和提高性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在完成統(tǒng)一要求的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)之外，可以根據(jù)興趣自主選擇提高性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不局限于本節(jié)課或本章節(jié)的基本要求，具體的安排如表1 所示。

表1 分層次差異化綜合實(shí)驗(yàn)上機(jī)安排

以學(xué)習(xí)一維數(shù)組為例，通常的上機(jī)實(shí)驗(yàn)是孤立地編制若干函數(shù)，屬于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，可以結(jié)合程序控制結(jié)構(gòu)、函數(shù)等內(nèi)容設(shè)計(jì)成如圖3 所示的基礎(chǔ)與提高相結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)—數(shù)組運(yùn)算器。

圖3 綜合實(shí)驗(yàn)舉例—數(shù)組運(yùn)算器

這種分層次的綜合編程實(shí)驗(yàn)主要有兩個(gè)方面的作用：①綜合性的上機(jī)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生將本課程所學(xué)內(nèi)容融會(huì)貫通，在實(shí)踐中掌握自上向下、逐步細(xì)化的程序設(shè)計(jì)方法，體會(huì)程序設(shè)計(jì)中良好編程習(xí)慣的重要性；②同一道上機(jī)題，由于實(shí)行了分層要求，既可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行必要的技能訓(xùn)練，保證所有學(xué)生都能達(dá)到基本的教學(xué)要求，又給予基礎(chǔ)較好的學(xué)生發(fā)揮的空間，對(duì)他們的編程能力進(jìn)行提升，使其有軟件工程的概念和較為復(fù)雜的編程體會(huì)。同時(shí)，基礎(chǔ)較好同學(xué)的進(jìn)步，又可以起到榜樣的作用，帶動(dòng)其他學(xué)生的學(xué)習(xí)勁頭，激發(fā)全班的學(xué)習(xí)熱情。不同基礎(chǔ)學(xué)生都能在實(shí)驗(yàn)中找到合適自己的方案，不會(huì)覺(jué)得太難而無(wú)從下手，也不會(huì)覺(jué)得太簡(jiǎn)單而興味索然，使每位學(xué)生通過(guò)努力都可以實(shí)現(xiàn)一定的目標(biāo)，都能有收獲感［12-14］。

3.3 多樣化協(xié)作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式的構(gòu)建

長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)受實(shí)驗(yàn)室管理要求以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限和固定的限制，學(xué)生基本都在統(tǒng)一要求和教師主導(dǎo)的情況下單獨(dú)完成實(shí)驗(yàn)。部分學(xué)生存在不知如何下手等困難，容易產(chǎn)生畏難情緒而失去學(xué)習(xí)興趣，即使在幫助下勉強(qiáng)完成實(shí)驗(yàn)，由于缺乏系統(tǒng)的討論與思考，更多的是照葫蘆畫(huà)瓢，并未真正掌握學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容，上機(jī)實(shí)驗(yàn)的收獲不大。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式缺乏自主選擇，個(gè)性化培養(yǎng)不足，在一定程度上影響了教學(xué)效果，制約了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為此，嘗試打破既往的模式，實(shí)行多樣化協(xié)作型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，讓不同基礎(chǔ)學(xué)生合理組合并進(jìn)行任務(wù)分工，每位學(xué)生在獨(dú)立的同時(shí)又有一定的合作；積極開(kāi)展課堂研討、小組競(jìng)賽等多種形式活潑的教學(xué)活動(dòng)，以充分發(fā)揮不同基礎(chǔ)學(xué)生的主體積極性；再根據(jù)學(xué)生對(duì)教學(xué)效果的評(píng)價(jià)和反饋，對(duì)教學(xué)形式進(jìn)行優(yōu)化。表2 所示給出了多樣化協(xié)作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式的具體內(nèi)容。

表2 多樣化協(xié)作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式的構(gòu)建

多樣化協(xié)作型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在不斷變化的課堂教學(xué)形式中可以獲得驚喜；讓學(xué)生一起討論問(wèn)題，從討論中尋找解決問(wèn)題的方法，鼓勵(lì)他們開(kāi)展辯論等活動(dòng)，從而活躍課堂氣氛，提高學(xué)習(xí)效率；②培養(yǎng)協(xié)作創(chuàng)新精神，學(xué)生們?cè)谙嗷ヅ浜贤瓿梢粋€(gè)綜合性的編程實(shí)踐過(guò)程中，可以培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作精神，不同的小組間形成積極的你追我趕的競(jìng)爭(zhēng)氛圍，促使他們主動(dòng)學(xué)習(xí)更多的程序設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神；③在實(shí)踐中為不同基礎(chǔ)的學(xué)生提供了交流平臺(tái)，每位學(xué)生在與同學(xué)相互交流協(xié)作的過(guò)程中，都能加深對(duì)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法的理解，加強(qiáng)通過(guò)計(jì)算思維解決問(wèn)題的能力，為其后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

4 教學(xué)效果

近年來(lái)教學(xué)實(shí)踐顯示，在分層次協(xié)作型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的興趣以及自主學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的意識(shí)都有明顯提升。圖4 所示統(tǒng)計(jì)的是2020 年所有15 個(gè)本科教學(xué)班的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程考核優(yōu)秀率，其中實(shí)驗(yàn)班級(jí)采用多樣化協(xié)作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，非實(shí)驗(yàn)班級(jí)采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式。從考試測(cè)評(píng)結(jié)果來(lái)看，在統(tǒng)一試題、統(tǒng)一閱卷的前提下，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的教學(xué)效果對(duì)比，實(shí)行分層次協(xié)作型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的班級(jí)不僅全部通過(guò)考核，且優(yōu)秀率明顯高于校平均優(yōu)秀率，在同屆班級(jí)中名列前茅。此外，對(duì)實(shí)驗(yàn)班級(jí)分流到不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行追蹤回訪，所有同學(xué)都認(rèn)為在大一的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程中，分層次協(xié)作型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式加深了他們對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)方法和計(jì)算思維的理解與運(yùn)用，為他們?cè)谥蟾髯詫?zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)、研究過(guò)程中，主動(dòng)利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問(wèn)題打下了良好的基礎(chǔ)。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下各班級(jí)課程考核結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

為滿足不同基礎(chǔ)的大一新生的差異化學(xué)習(xí)需求，積極探索分層次協(xié)作型計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。基于詳細(xì)的課前調(diào)研和理論教學(xué)知識(shí)點(diǎn)梳理，創(chuàng)設(shè)分層次差異化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、構(gòu)建多樣化協(xié)作型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，營(yíng)造生動(dòng)活躍的課堂氛圍，以充分激發(fā)每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生掌握使用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)去解決實(shí)際問(wèn)題的一般方法，在既“獨(dú)立又合作”的上機(jī)實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)他們的計(jì)算思維能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。