面向新工科人才能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程改革

王 雷，秦琳琳，王 嵩

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，合肥 230027）

新時代需要新思想、新理念、新發(fā)展。在當(dāng)前國際形勢與科技產(chǎn)業(yè)變革背景下，我國提出并大力推進(jìn)新工科建設(shè)，形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”，發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》[1]《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》[2]，明確提出對新工科人才培養(yǎng)的需求。與此同時，國際上也開展了對工程教育的新一輪系統(tǒng)性反思和變革。以MIT 的“新工程教育轉(zhuǎn)型”（New Engineering Education Transformation，簡稱NEET）計(jì)劃為代表，變革的重點(diǎn)集中在學(xué)生的學(xué)習(xí)方式及學(xué)習(xí)內(nèi)容，目標(biāo)是培養(yǎng)能夠引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)界和社會發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)型工程人才[3]。

現(xiàn)代教育強(qiáng)調(diào)對學(xué)習(xí)者知識、能力與素質(zhì)的全面培養(yǎng)。2018 年的全國教育大會提出“教育引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)綜合能力”[4]，2020 年中共中央、國務(wù)院印發(fā)《深化新時代教育評價改革總體方案》，要求樹立科學(xué)成才觀念，堅(jiān)持以德為先、能力為重的人才培養(yǎng)思想[5]。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱“我校”）信息學(xué)院自動化系是教育部第一批“新工科”建設(shè)項(xiàng)目核心單位。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)作為面向全校所有專業(yè)開設(shè)的通修課，屬于重點(diǎn)建設(shè)的課程，2018 年獲批省級示范基層教研室。教研室很早就把培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和計(jì)算思維能力作為教學(xué)目標(biāo)[6]。2020 年我校發(fā)布《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“一流本科教育質(zhì)量提升計(jì)劃”行動綱領(lǐng)》，在本科生培養(yǎng)框架中將計(jì)算思維列為與思政、數(shù)理同等地位的通修內(nèi)容（圖1），進(jìn)一步明確“培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算思維解決復(fù)雜問題的綜合素養(yǎng)”。

圖1 本科生培養(yǎng)體系框架圖

傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教為中心，側(cè)重知識傳授，強(qiáng)調(diào)對學(xué)生進(jìn)行基于學(xué)科知識的認(rèn)知能力的訓(xùn)練，忽視能力素質(zhì)的培養(yǎng)。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程（以下簡稱“本課程”）從能力培養(yǎng)的問題出發(fā)，進(jìn)行了課程設(shè)計(jì)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及實(shí)踐平臺等方面的改革，取得了具有推廣價值的成果。

本文首先介紹計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的能力模型，再闡述針對教學(xué)現(xiàn)狀中存在的問題的改革思路，接著進(jìn)行面向能力培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行改革成效的分析。

一 課程能力模型

本課程的能力模型[7]如圖2 所示，揭示了編程實(shí)踐能力、計(jì)算思維能力與自主學(xué)習(xí)能力之間的關(guān)系。

圖2 課程能力模型

最底層的編程實(shí)踐是基礎(chǔ)能力。作為面向所有專業(yè)的通修課，本課程首先要完成培養(yǎng)學(xué)生編程實(shí)踐能力的任務(wù)。計(jì)算思維概念雖然起源于計(jì)算機(jī)科學(xué)，卻是一種面向問題求解與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般性科學(xué)思維方法。在計(jì)算思維的引導(dǎo)下，學(xué)生能更深入地理解與掌握程序設(shè)計(jì)思想，因此是本課程擬培養(yǎng)的核心能力。最上層的自主學(xué)習(xí)能力，需要學(xué)生通過獨(dú)立地分析、探索、實(shí)踐、質(zhì)疑與創(chuàng)造等方法來實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。一門課的時間和知識是有限的，學(xué)生只有擁有自主的學(xué)習(xí)能力，樹立終身學(xué)習(xí)的觀念，才能獲得持續(xù)的發(fā)展。

二 教學(xué)改革思路

基于上述課程能力模型，教研室針對新工科人才能力培養(yǎng)中存在的問題進(jìn)行了課程教學(xué)改革的嘗試，問題分析與改革思路如下。

（一）基礎(chǔ)差異問題

針對我校新生的調(diào)研表明，20%以上的學(xué)生學(xué)習(xí)過C 語言或C++，其中相當(dāng)比例的學(xué)生參加過信息類競賽，而14%的學(xué)生極少使用計(jì)算機(jī)。如此巨大的基礎(chǔ)差異，不僅使得教學(xué)安排存在困難，對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也有很大的影響。同一課堂中，同樣的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法，基礎(chǔ)非常好的學(xué)生會覺得索然無味，而基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生卻常常跟不上進(jìn)度，課堂氛圍較為沉悶，教學(xué)效果大打折扣。更重要的是，長此以往會使得學(xué)生逐漸喪失學(xué)習(xí)興趣，難以達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。為此，首先根據(jù)新生入學(xué)計(jì)算機(jī)測試成績，結(jié)合學(xué)生的意愿實(shí)施了分層教學(xué)，將課堂劃分為進(jìn)階班、普通班與基礎(chǔ)班，再通過引導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)縮小基礎(chǔ)和進(jìn)度差距。

（二）自主學(xué)習(xí)問題

自主學(xué)習(xí)是終身學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。由于本課程是在大學(xué)一年級第一學(xué)期開設(shè)的基礎(chǔ)課，新生大多延續(xù)了中學(xué)階段應(yīng)試教育的學(xué)習(xí)習(xí)慣，對課程學(xué)習(xí)的定位往往是快速正確解題，還沒有形成自主學(xué)習(xí)的意識，也基本不具備自主學(xué)習(xí)能力。從教學(xué)的角度，單純靠布置作業(yè)和思考題讓學(xué)生自己完成，并不能培養(yǎng)出自主學(xué)習(xí)的意識與能力。為此，首先通過介紹本課程的知識體系、考核體系與能力要求，糾正學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)；再通過提供慕課等優(yōu)質(zhì)的課外學(xué)習(xí)資源，在合理的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐體系下逐步引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。

（三）編程實(shí)踐問題

傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，學(xué)生都是在機(jī)房集中進(jìn)行編程訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本只能完成語法單元的編程練習(xí)，不僅編程能力提升緩慢，且難以觸及程序設(shè)計(jì)的核心思想與方法。為此，教研室建設(shè)了包含模仿練習(xí)、自主實(shí)訓(xùn)、產(chǎn)教融合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的多維分級實(shí)踐平臺，在該平臺上逐級訓(xùn)練與提升學(xué)生的編程實(shí)踐能力[8]。

三 面向能力培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

基于上述課程改革思路，教研室基于“雨課堂”智慧教學(xué)工具，針對課前、課中、課后、實(shí)踐和考核五個環(huán)節(jié)進(jìn)行了面向能力培養(yǎng)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)。完整的教學(xué)過程如圖3 所示。

圖3 基于“雨課堂”的能力培養(yǎng)教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）課前自習(xí)

課前要求學(xué)生基于慕課與教材進(jìn)行預(yù)習(xí)和練習(xí)。教師在課前通過雨課堂發(fā)布預(yù)習(xí)課件，列舉教學(xué)內(nèi)容、提出自學(xué)的要求與預(yù)習(xí)的問題。學(xué)生通過查閱教材、觀看慕課與線上答題完成預(yù)習(xí)過程，在了解知識點(diǎn)的基本概念與簡單示例的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)學(xué)習(xí)如何針對教學(xué)內(nèi)容發(fā)現(xiàn)并提出問題，養(yǎng)成帶著問題學(xué)習(xí)和思考的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。

（二）課中引導(dǎo)

課中使用“雨課堂”智慧教學(xué)工具，首先針對預(yù)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行小測與答案解析，然后通過問題列舉和案例分析導(dǎo)入新課內(nèi)容，接著在闡釋知識點(diǎn)的基本概念后演示與講解程序，教學(xué)過程中根據(jù)學(xué)生的彈幕調(diào)整演示與講解過程，在適當(dāng)針對新課內(nèi)容進(jìn)行課堂練習(xí)與答案解析，最后小結(jié)并布置練習(xí)與預(yù)習(xí)作業(yè)。

課中大量采用啟發(fā)式教學(xué)方法，比如在分析線上答題情況時，不是簡單給出正誤答案，而是通過提問提示學(xué)生應(yīng)該如何分析與理解問題的本質(zhì)。再進(jìn)一步結(jié)合案例對相關(guān)的概念進(jìn)行更為深入的解析，特別是從錯誤的答案中提取有價值的想法與問題，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑精神的同時訓(xùn)練學(xué)生的思辨能力。而在隨堂練習(xí)環(huán)節(jié)，除了通過智慧教學(xué)工具實(shí)時檢驗(yàn)學(xué)生對知識的掌握程度，還可以據(jù)此調(diào)整教學(xué)過程。最后布置開放性的課后思考作業(yè)，可以用來引導(dǎo)學(xué)生調(diào)研教師推薦的網(wǎng)絡(luò)資源，并通過對比分析辨析真?zhèn)?，培養(yǎng)科學(xué)求證精神。

（三）課后探究

課后布置非標(biāo)準(zhǔn)化的思考作業(yè)，通過雨課堂、即時通信工具QQ 以及課程群與學(xué)生交互，對學(xué)生提出的問題給出解題思路的提示，而不是直接給出答案，引導(dǎo)學(xué)生自己思考和探索。這種依托現(xiàn)代信息技術(shù)的探究式的問題引導(dǎo)教學(xué)過程，不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，還能全程記錄教學(xué)數(shù)據(jù)，用于持續(xù)的教學(xué)改革。

通過上述課前、課中和課后的混合教學(xué)過程，引導(dǎo)學(xué)生從發(fā)現(xiàn)與提出問題出發(fā)，基于自身的基礎(chǔ)與認(rèn)知特點(diǎn)安排學(xué)習(xí)計(jì)劃、調(diào)整學(xué)習(xí)節(jié)奏、檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，在學(xué)習(xí)知識的同時獲得自主學(xué)習(xí)的能力。

（四）實(shí)踐環(huán)節(jié)

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)是一門理論與實(shí)踐并重的課程，實(shí)踐能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。教研室設(shè)計(jì)了多維實(shí)驗(yàn)體系（圖4）[8]，根據(jù)分級實(shí)踐原則，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為章節(jié)實(shí)驗(yàn)與綜合實(shí)驗(yàn)，分別在C/S 架構(gòu)的傳統(tǒng)機(jī)房、B/S 架構(gòu)的自主實(shí)訓(xùn)平臺以及“鯤鵬云”平臺上進(jìn)行，不同基礎(chǔ)與學(xué)習(xí)進(jìn)度的學(xué)生可按需選擇，逐步提升編程實(shí)踐水平，培養(yǎng)解決復(fù)雜問題的能力。

圖4 多維實(shí)驗(yàn)體系架構(gòu)圖

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生從本地計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用開始學(xué)習(xí)，同時在Dev C++等本地開發(fā)環(huán)境進(jìn)行簡單的語法練習(xí)；普通水平的學(xué)生直接從本地的語法練習(xí)開始，逐步過渡到在信息學(xué)院開發(fā)的自主實(shí)訓(xùn)平臺的服務(wù)端提交較大的程序代碼；有一定編程基礎(chǔ)后，可以在計(jì)算機(jī)學(xué)院開發(fā)的課達(dá)在線測試平臺檢驗(yàn)規(guī)范化的程序設(shè)計(jì)水平，感興趣的學(xué)生還可以在“智能基座”產(chǎn)教融合項(xiàng)目提供的華為云平臺開展團(tuán)隊(duì)合作形式的項(xiàng)目導(dǎo)向類實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。

學(xué)生可以根據(jù)自己的基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)階段選擇不同的平臺進(jìn)行自主實(shí)踐練習(xí)，從而達(dá)到培養(yǎng)規(guī)范化、有深度的編程實(shí)踐能力的目標(biāo)。

（五）考核體系

所有課堂置于統(tǒng)一的綜合成績評定框架下，期末筆試占總成績的50%，過程考核包括：課前準(zhǔn)備10%、課后練習(xí)10%、章節(jié)實(shí)驗(yàn)15%和綜合實(shí)驗(yàn)15%。期末考試全校統(tǒng)一命題與閱卷，基礎(chǔ)好的學(xué)生能展現(xiàn)自身優(yōu)勢，過程考核則交給各個課堂，不僅能督促學(xué)生加大平時的學(xué)習(xí)投入，基礎(chǔ)差的學(xué)生通過努力也能體驗(yàn)獲得感。綜合成績評定方式使得學(xué)生不再只專注于考試成績，而是把更多精力放在學(xué)習(xí)過程中，逐步提升自己的能力素質(zhì)。

四 改革成效分析

（一）分層教學(xué)的成效分析

基礎(chǔ)班一方面增加了實(shí)驗(yàn)課時，在開始編程之前系統(tǒng)地進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作與常用軟件的練習(xí)，另一方面加強(qiáng)了對慕課預(yù)習(xí)的要求，以使學(xué)生能在進(jìn)入課堂前與其他班級掌握相近的知識基礎(chǔ)。期中課堂調(diào)查表明，基礎(chǔ)班學(xué)生能跟上甚至超過正常教學(xué)進(jìn)度的比例超過80%，期末筆試卷面平均分與普通班的差距在4 分以內(nèi)（百分制）。

進(jìn)階班壓縮了常規(guī)教學(xué)內(nèi)容，增加了軟件工程、算法設(shè)計(jì)分析方面的知識與實(shí)踐內(nèi)容，課堂評價方面，“感覺收獲較大”的比例比普通班高出12%以上。

（二）混合教學(xué)的成效分析

本課程面向我校所有專業(yè)開設(shè)，考慮到專業(yè)培養(yǎng)方案對程序設(shè)計(jì)教學(xué)的需求差異，優(yōu)先在少年班學(xué)院、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院進(jìn)行了混合教學(xué)的改革。由于有慕課預(yù)習(xí)的要求，為課堂授課節(jié)省了大量語法細(xì)節(jié)的講解時間，教師更多把時間投入前沿知識與時代案例的講解中，并大量增加了程序演示及隨堂練習(xí)，激發(fā)學(xué)生更投入課堂的學(xué)習(xí)。不僅大幅加強(qiáng)了師生互動，也使得學(xué)生能更深入地理解課程內(nèi)容，建立更完整的知識體系。

采用混合教學(xué)的課堂，學(xué)生對非標(biāo)問題的解答更有廣度與深度，2021 秋季學(xué)期期末筆試的優(yōu)秀率比普通班高出9%，不及格率降低4%。

（三）分級實(shí)踐的成效分析

通過在傳統(tǒng)機(jī)房或個人機(jī)上的教材語法示例與課堂例題的模仿練習(xí)、自主實(shí)訓(xùn)平臺上的單元能力實(shí)驗(yàn)與面向復(fù)雜問題的綜合實(shí)驗(yàn)練習(xí)、“鯤鵬云”平臺上面向前沿應(yīng)用的高階實(shí)驗(yàn)練習(xí)，逐步提高學(xué)生的編程實(shí)踐能力。

采用分級實(shí)踐后，各課堂綜合實(shí)驗(yàn)的平均正確完成率從不足50%提高到70%以上，學(xué)生的編程實(shí)踐能力有了顯著提升。

五 結(jié)束語

本課程通過實(shí)施分層教學(xué)、混合教學(xué)與分級實(shí)踐，在統(tǒng)一的教學(xué)框架、教學(xué)目標(biāo)與綜合評價體系下，不僅滿足了計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課堂上基礎(chǔ)差異與學(xué)習(xí)進(jìn)度不同的學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求，也取得了顯著的學(xué)習(xí)成效，使不同起點(diǎn)的學(xué)生都能體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的獲得感，得到能力的提升。

新工科人才的能力培養(yǎng)是一個長期的過程，一門課程的學(xué)習(xí)與實(shí)踐只是其中的一個階段。本課程的教學(xué)實(shí)踐表明，在現(xiàn)代教育理念下采用現(xiàn)代教育技術(shù)能充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的積極性，同時提高知識、能力與素質(zhì)水平。課程的教學(xué)改革取得了一定的成效，但還有很多不足之處，需要在后續(xù)的教學(xué)過程中結(jié)合實(shí)際問題繼續(xù)完善。