基于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的高級語言程序設(shè)計教學(xué)方案①

許鵬飛

（宿遷學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

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)和社會通過ICT技術(shù)實現(xiàn)計算機化和自動化，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，通過程序語言來實現(xiàn)解決問題方案的自動化過程。進入工業(yè)4.0時代，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時代提升競爭力，利用ICT的能力和編程實現(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。

為了在融合時代成長為核心人力資源，學(xué)習(xí)計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)部也提出了一項未來教育政策，強調(diào)融合思維和創(chuàng)造性問題解決。程序是計算機可以理解的問題解決形式，相關(guān)高級語言程序設(shè)計課程旨在培養(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)實生活中遇到的問題。工程教育認證以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”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)計教育的主要目標：首先，學(xué)生可以理解一個框架，該框架監(jiān)督如何將信息輸入計算機、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。最后，在工業(yè)4.0時代，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)生對編程價值的認識和學(xué)習(xí)動機。編程課程可以提高識別邏輯關(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，同時考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)動機、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。

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)下進行協(xié)作或自主地實施面向?qū)ο笳Z言的高級編程，在編程過程中重點關(guān)注每個專業(yè)課程中的實際問題和情況。為了克服物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域技術(shù)進步的局限性，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：開發(fā)有效的程序設(shè)計教學(xué)方法，包括如下五個主要階段。

第一階段：通過編程學(xué)習(xí)計算機知識、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：通過實施以自我導(dǎo)向方式設(shè)計的項目，培養(yǎng)實踐能力。

第五階段：強調(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、價值認同、學(xué)習(xí)動機、編程信心和興趣，促進物聯(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，他不僅會放棄編程領(lǐng)域，還會放棄相關(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領(lǐng)域的問題，設(shè)計解決方案，能夠理解計算系統(tǒng)的有效資源管理方法，培養(yǎng)編程軟件實現(xiàn)和自動化的能力，從而在物聯(lián)網(wǎng)工程的各個領(lǐng)域創(chuàng)造性地實現(xiàn)復(fù)雜問題的解決。此外，教科書應(yīng)以學(xué)生為中心和目標導(dǎo)向的教育角度進行研究開發(fā)。

隨著工業(yè)4.0進入一個連接人、物和空間的超智能社會，人工智能、機器人、物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實等服務(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，熟悉編程，同時自然認識到編程課程的重要性。高校計算機基礎(chǔ)教育階段的首要任務(wù)是“培養(yǎng)大學(xué)生的計算思維能力”，我們在第一學(xué)期開設(shè)了C語言程序設(shè)計，第三學(xué)期開設(shè)了Python程序設(shè)計和Java程序設(shè)計，第六學(xué)期開設(shè)了高級語言技術(shù)實訓(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)進度表。

表1 物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)主要課程教學(xué)進程表

云計算、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。C語言是一門結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言。它是人工智能、計算機科學(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語言實踐性很強，學(xué)習(xí)它既要掌握概念，又要動手編程，還要上機調(diào)試運行。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、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，成為云計算、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。現(xiàn)階段，高校普遍將它作為計算機相關(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)計目的是盡可能少地依賴于實現(xiàn)。它是一種通用編程語言，旨在讓程序員編寫一次，隨時隨地運行，這意味著編譯后的Java代碼可以在所有支持Java的平臺上運行，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（JVM）上運行，而不管底層計算機架構(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運行時提供了在傳統(tǒng)編譯語言中通常不可用的動態(tài)功能。據(jù)GitHub統(tǒng)計，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。

表2 IEEE Spectrum 2021編程語言使用頻度排名

傳統(tǒng)的計算機課程教學(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，因為他們主要是記憶知識，而不是搜索和應(yīng)用知識。雖然這在過去可能奏效，但新的現(xiàn)實要求計算機課程的學(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?；趩栴}的學(xué)習(xí)（Problem Based Learning，PBL）為學(xué)習(xí)者提供了真正的機會來培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)能力，促進批判性思維發(fā)展，支持知識構(gòu)建，并將學(xué)習(xí)與現(xiàn)實問題聯(lián)系起來。

PBL自從20世紀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)會應(yīng)用知識，而不僅僅是獲取知識。PBL是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)策略，用于促進主動學(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)者主動建構(gòu)知識的過程。學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者行動的結(jié)果；教學(xué)只有在能夠促進建設(shè)性活動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)主義是一種認知學(xué)習(xí)方法，強調(diào)學(xué)習(xí)者先前知識的重要性。建構(gòu)主義以相反的思想設(shè)計教學(xué)過程，即“在解決問題的過程中學(xué)習(xí)”。當學(xué)生能夠?qū)⑿滦畔⑴c他們已經(jīng)吸收的知識和經(jīng)驗聯(lián)系起來時，學(xué)習(xí)就會發(fā)生。教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計一些有意義的問題，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。教師的活動不應(yīng)妨礙學(xué)生的獨立思考。在解決問題的過程中，學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗構(gòu)建新知識。當他們同化時，他們將新的經(jīng)驗融入已經(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)視為一個主動過程，并將其分類為：（1）學(xué)習(xí)是一個主動的過程（心理或身體）；（2）學(xué)習(xí)是社會活動；（3）學(xué)習(xí)是情境性的；（4）學(xué)習(xí)需要知識；（5）學(xué)習(xí)需要時間。PBL要求學(xué)生在小組中共同解決現(xiàn)實世界的問題。PBL是一個主動、互動的過程，讓學(xué)生識別他們各自領(lǐng)域的已知和未知知識以及與現(xiàn)實生活的聯(lián)系。他們解決問題的內(nèi)在動機將用于發(fā)現(xiàn)新知識，并應(yīng)用所學(xué)知識解決給定問題。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而學(xué)習(xí)。PBL經(jīng)常以項目的形式出現(xiàn)，在PBL項目中，學(xué)生以團隊形式工作。學(xué)生會收到一個由學(xué)科老師設(shè)計的問題，或者學(xué)生自己設(shè)計一個問題，然后與學(xué)科教師一起檢查這是一個問題還是一個需要回答的問題。學(xué)生還將檢查教師設(shè)計的問題是否與主題字段相關(guān)、是否與現(xiàn)實世界相關(guān)。整個項目可以持續(xù)4或6周到整個學(xué)期。我們計劃安排兩個月的時間編寫一份書面報告，再安排2～4周的時間對報告進行更正，并為演講做準備。完成某些階段的具體截止日期將在項目期間確定。PBL課堂還包括自我評估和同伴評估。在項目完成前進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)量具有價值。PBL有一個問題驅(qū)動學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，因為它的提出方式讓學(xué)生意識到他們需要獲得新知識才能解決問題。這項研究的發(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編程語言教學(xué)的替代策略。通過在這些課程中采用互動式教學(xué)方法和團隊項目教學(xué)方法，重點提高學(xué)生對編程的興趣，使學(xué)生提高自我驅(qū)動能力，能夠在物聯(lián)網(wǎng)工程、計算機科學(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、實施、管理、運維等工作，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)計課程的教學(xué)方法，幫助學(xué)生理解解決實際問題的思路和方法，提高學(xué)生計算思維、創(chuàng)新思維和編程技能，進而提高物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教育質(zhì)量，促進學(xué)業(yè)成績和就業(yè)，最終培養(yǎng)具有硬件設(shè)計和軟件開發(fā)能力的復(fù)合型人才。

續(xù)表