基于成果導向的程序設(shè)計與算法系列課程教學改革實踐探究

李文彬 潘理 吳岳芬 楊勃

關(guān)鍵詞：成果導向；混合式教學；程序設(shè)計與算法；教學改革

1 引言

程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法系列課程是高校計算機類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課，著重培養(yǎng)學生的計算思維能力、問題求解能力、編程實踐能力，為后續(xù)課程學習與職業(yè)發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，學習資源的日益豐富，在線學習已經(jīng)成為傳統(tǒng)學習方法的重要補充[1]。但是由于學生的學習水平、自主學習與自我控制能力存在差異，想讓在線學習取代線下學習，讓學生享受到其他名師或重點高校的教學資源，從而達到專業(yè)人才培養(yǎng)目標，顯然難以實現(xiàn)。為提高學生的學習效率，達到專業(yè)人才培養(yǎng)既定目標，成果導向的混合式教學被提上日程。

成果導向教育是發(fā)端于美國的一種教育理念強調(diào)課程建設(shè)要持續(xù)改進，要根據(jù)教學的目標和學生的具體情況，不斷的優(yōu)化提升，迭代發(fā)展[2]。尤其是針對不同專業(yè)、不同課程，其性質(zhì)、規(guī)律和特點都不相同，就應(yīng)設(shè)計不同類型的混合式教學模式，預設(shè)學習成果、反向設(shè)計、正向?qū)嵤⒉粩喾答伒确矫鎸Τ晒麑虻幕旌鲜浇虒W模式進行研究和探討，從而更好地實現(xiàn)課程的教學目標。文獻[1]中探討在應(yīng)用型本科高校如何基于成果導向，根據(jù)不同專業(yè)、不同課程性質(zhì)構(gòu)建混合式教學模式；文獻[3]中研究從融合和優(yōu)化程序設(shè)計類課程內(nèi)容，設(shè)計遞進式混合教學模式的程序設(shè)計類課程混合式教學模式；文獻[4]深入分析C語言程序設(shè)計教學中的不足，從教學成果入手強調(diào)理論與實踐的有機結(jié)合，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量；文獻[5]中根據(jù)程序設(shè)計基礎(chǔ)課程特點，提出了一種翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，提升學生興趣和課程教學效果；文獻[6]探索信息化環(huán)境下，如何提高課堂知識內(nèi)化效率、提升學生學習能力的程序設(shè)計類課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式；文獻[7]結(jié)合成果導向教育和計算思維模式進行程序設(shè)計類課程改革，提高學生計算機思維能力和教學效果。這些研究對于提高程序設(shè)計類課程教學質(zhì)量提供了許多有建設(shè)性的思路與改革。但程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計等系列課程的理論、實踐和產(chǎn)出具備很強的關(guān)聯(lián)性，不能孤立改革某一門課程，尤其是在強化學生的計算思維、問題求解能力和編程能力方面，更需要整體規(guī)劃，深入研究符合該系列課程學習的混合式教學模式。

2 程序設(shè)計與算法系列課程主要問題分析

程序設(shè)計與算法系列課程主要包括程序設(shè)計基礎(chǔ)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計分析，涉及基礎(chǔ)理論、算法和技術(shù)，因此，該系列課程具有理論與實踐、基礎(chǔ)與前沿并重的特征。但是，在目前的課程教學中，大多數(shù)還是知識講授主導課堂，忽視了專業(yè)素質(zhì)和問題求解能力培養(yǎng)，所以還存在一些普遍性問題亟待解決：

1）傳統(tǒng)的程序設(shè)計基礎(chǔ)教學中，往往以教師為中心，課堂上重點關(guān)注知識的講解傳授，忽略了學生的內(nèi)化，難以發(fā)揮學生的主體作用，忽視了學生計算思維和編碼實踐能力的培養(yǎng)。在實踐訓練資源中，設(shè)置的問題挑戰(zhàn)度低，難以滿足不同層次學生需求。

2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容強調(diào)數(shù)據(jù)存儲與邏輯，主要采用課堂老師講授+上機實驗的方式，只有部分基礎(chǔ)案例供學生實踐，實驗設(shè)置往往以驗證性為主，設(shè)計性和綜合性少，很少結(jié)合實際工程問題，學生的問題求解能力沒有得到有效鍛煉，導致學生對課程理解和應(yīng)用不足。

3）算法設(shè)計分析，設(shè)計內(nèi)容全面，知識點多，難度大，課堂講解內(nèi)容偏基礎(chǔ)，而且算法案例設(shè)計與求解方法上缺乏新意，沒有與教師科研很好結(jié)合，在前沿技術(shù)的深層次的探討不足，學生對前沿技術(shù)嗅覺不夠敏銳，自主與創(chuàng)新學習能力不足，導致學生實際工程能力不強，缺乏系統(tǒng)性問題求解訓練。

導致上述問題的根本原因：要學好程序設(shè)計類平臺基礎(chǔ)課，除了掌握理論知識，還需大量編程實踐和問題求解實踐，而現(xiàn)有教學以課堂基礎(chǔ)知識講解為主，且在實踐課上，學生只需要完成基本實踐任務(wù)即可，缺乏學生進行自主實踐的驅(qū)動力；專業(yè)課教學過程脫離了實際工作任務(wù)和科研項目，學生無法將所學理論知識直接應(yīng)用到實際工作中，進而造成學生的學習興趣下降，甚至放棄課程的學習。為有效解決上述問題，對程序設(shè)計與算法系列課程進行課程改革實踐，在注重不同課程內(nèi)容銜接與融合的同時，不斷更新在線平臺案例庫，引導學生自主訓練，支撐學生實踐能力達成，根據(jù)不同課程性質(zhì)與特點，利用好現(xiàn)有省級一流課程資源和在線評測系統(tǒng)等設(shè)計不同的混合式教學模式，實施該系列課程教學改革實踐探索。

3 課程改革實踐

3.1 教學分析

針對程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計分析此類具有培養(yǎng)學生的計算思維、問題求解能力和編程能力同一目的，且呈現(xiàn)明顯層次遞進關(guān)系的課程，尤其要根據(jù)教學目標和內(nèi)容設(shè)計不同的混合式教學模式，以便于更好提升教學質(zhì)量。在教學實施過程中，該系列課程都可以利用在線評測（Online Judge， OJ）平臺輔助線下教學的模式，結(jié)合評測系統(tǒng)的實時反饋，形成了獨有的混合式教學模式，其總體思路如下：在課前，老師將學習視頻發(fā)給學生，同時在OJ平臺上發(fā)布預習作業(yè)，然后學生進行自我檢測，老師通過OJ系統(tǒng)收集并分析數(shù)據(jù)，總結(jié)學生自學過程中存在的問題，了解課前學生自學情況及存在的普遍性問題，為課中的知識講解做準備，如圖1所示，左邊為課前預測的在線測試，右邊為學生完成情況；課中，老師完成理論知識講解與重構(gòu)，并進行隨堂檢測，通過OJ的實時評測，發(fā)現(xiàn)學生所犯錯誤，并分析問題、講解問題，如圖2所示，左邊為課前預測的在線測試，右邊為OJ系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的學生答案錯誤情況，老師就針對該錯誤，進行實時講解，實時解決課堂上知識學習與內(nèi)化的問題；課后，老師在OJ上布置不同難度作業(yè)供學生課后完成，使知識進一步內(nèi)化與鞏固，強化學生解決問題的能力。

針對不同層次學生需求和教學需要，在OJ平臺上，根據(jù)課程內(nèi)容和特點（如圖3所示） ，課程組老師做了如下工作：

1）在OJ平臺上，基礎(chǔ)知識分類標記，進行知識模塊化，有利于學生在線自主學習；

2）OJ題庫分層設(shè)計，助力不同學生自主訓練；

3）算法專題面向升學與就業(yè)分流培養(yǎng)，實現(xiàn)個性化培養(yǎng)目的；

4）綜合訓練結(jié)合教師科研，培養(yǎng)學生問題求解能力和工程實踐能力。

在教學的每個階段中，要充分發(fā)揮教師的主導作用，體現(xiàn)學生的主體性，通過系列課程學習，掌握較扎實的面向數(shù)據(jù)、面向算法的專業(yè)知識，針對實際問題，能夠進行問題分析、算法設(shè)計、程序編碼、算法分析的能力，從而具備面向升學和面向就業(yè)的程序與算法設(shè)計實現(xiàn)的能力，為后續(xù)成果產(chǎn)出打好基礎(chǔ)。

3.2教學模式設(shè)計

程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計分析等系列課程一脈相承，又呈現(xiàn)知識的遞進關(guān)系，但也有各自特點和規(guī)律。程序設(shè)計基礎(chǔ)的知識點多但內(nèi)容簡單、離散，學生能通過視頻資源進行自學即可掌握相關(guān)理論知識。對于程序的初學者而言，學習的難點在于程序思維培養(yǎng)，實踐有一定難度。因此，可采用一種以資源建設(shè)拓展的線上為主、線下課堂為輔的混合式教學模式，學生通過線上學習基礎(chǔ)知識，教師在線發(fā)布測試，利用在線OJ進行編程實踐，檢測學生獲得的知識與編程能力；學生在線學習后提出問題，教師解答，并總結(jié)測試結(jié)果，在線下課堂進行補充教學。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論知識重難點較多，學生難以通過線上自主學習掌握，因此在該課程中只能將線上教學作為線下教學的補充，在線上進行課前預習和課后知識鞏固，對取得更好教學效果起到了很好的補充作用。學生課前線上學習基礎(chǔ)知識，提出問題，教師在線下課堂進行知識重構(gòu)和深入講解，利用在線OJ進行隨堂測試和作業(yè)布置；學生課后通過線上作業(yè)進行鞏固和練習，進一步鞏固知識成果。因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)宜采用線下教學為主，線上教學為輔的混合式教學模式。

算法設(shè)計分析是一門專業(yè)核心課程，強調(diào)學生所獲取知識與能力的應(yīng)用，對未來就業(yè)和發(fā)展有著重要的作業(yè)和意義。算法設(shè)計分析是程序設(shè)計基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的后續(xù)課程，學生已掌握解決該類問題的基本知識與能力，為更好培養(yǎng)學生的工程實踐能力，宜采用基于翻轉(zhuǎn)課堂的線上線下混合式教學模式。學生先通過線上自主學習和小組討論完成理論知識學習，完成OJ系統(tǒng)中老師布置的算法設(shè)計題進行自測，發(fā)現(xiàn)問題，嘗試解決問題；教師針對不同層次學生特征，精心選取教學案例，通過發(fā)布任務(wù)、小組合作探究、解題報告等形式進行課堂知識內(nèi)化；課后，學生通過完成相對應(yīng)的ACM程序設(shè)計競賽習題，培養(yǎng)問題建模分析與問題求解能力，該混合教學模式的核心是教學過程管理和過程性評價，教學過程中的問題反饋要及時修正，以更好培養(yǎng)學生的工程實踐能力和問題分析求解能力。

在該系列課程中，以“注重基礎(chǔ)，整體優(yōu)化，知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展”為原則，從“以課堂教學為主”向“課堂教學加實踐教學并重”轉(zhuǎn)換；從知識傳授型教學向能力培養(yǎng)型教學的轉(zhuǎn)換，根據(jù)課程不同的性質(zhì)與特點，分別采用不同的混合式教學模式。

4 教學情況與效果

程序設(shè)計與算法系列課程教學改革自2018年9 月開始，OJ平臺在線習題庫和教學案例不斷豐富，教學同時還引導學生參加各類程序設(shè)計競賽，有力支撐了混合式教學模式的實施，在培養(yǎng)學生計算思維、編程能力、問題求解能力和工程實踐能力上取得了良好效果，學生能力得到持續(xù)提升。在每年新生入學季，計算機科學與技術(shù)和軟件工程2個專業(yè)200多學生中，有50%的學生會申請加入ACM軟件技術(shù)實訓基地進行學習，也帶動了其他學生學習，其中部分拔尖的學生更是取得了良好的競賽成果，近3年獲得ICPC 國際大學生程序設(shè)計競賽亞洲區(qū)域賽銀獎1項，銅獎6 項；CCPC 中國大學生程序設(shè)計競賽分站賽銅獎3 項；獲“藍橋杯”全國大學生軟件技術(shù)大賽全國一等獎5項，二等獎7項，三等獎10項；獲中國高校計算機大賽——團體程序設(shè)計天梯賽全國團隊三等獎1項；其他省級獎勵100多項。獲獎同學在其他課程學習中也表現(xiàn)很優(yōu)異，多人也獲得國家勵志獎學金，在同學們中起到了很好的模范帶頭作用，學生學習積極性與學習效果持續(xù)提升。

5 結(jié)束語

為更好實現(xiàn)計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)目標，對程序設(shè)計與算法系列課程進行了混合式教學改革，從課程內(nèi)容、性質(zhì)與特征出發(fā)，設(shè)計不同教學策略，構(gòu)建不同的混合式教學模式。在教學實施過程中，通過軟件技術(shù)創(chuàng)新基地、競賽訓練、導師制等手段引導學生自主學習，培養(yǎng)學生的計算思維、編程能力、問題求解能力和工程實踐能力。整體效果表明，該系列課程混合式教學改革效果良好，為計算機類專業(yè)其他課程教學改革提供新思路。