工程教育認(rèn)證背景下的問題驅(qū)動(dòng)C 語言課程教學(xué)方法改革

陳 光，邱 天，吳小潤(rùn)

（南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 江西 南昌 330063）

1 C 語言課程特點(diǎn)

C 語言具有面向過程、性能優(yōu)異、跨平臺(tái)等特點(diǎn)，是工科類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，是許多高級(jí)編程語言的基礎(chǔ)，也是大學(xué)生進(jìn)行軟件課程設(shè)計(jì)的高級(jí)編程語言之一[1-3]。因此，掌握好C 語言對(duì)于工科類專業(yè)的學(xué)生具有重要意義。

一方面，C 語言中的許多知識(shí)點(diǎn)是其他一些高級(jí)語言的基礎(chǔ)。例如，數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符和表達(dá)式、關(guān)系運(yùn)算和邏輯運(yùn)算、程序結(jié)構(gòu)如分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)等，這些重要的概念在如Matlab、Python 等語言當(dāng)中都是類似的。另一方面，C 語言中的結(jié)構(gòu)化編程方式為學(xué)習(xí)其他高級(jí)語言也奠定著非常重要的基礎(chǔ)。例如，在C 語言當(dāng)中，使用函數(shù)將程序模塊化，能夠使程序清晰明了，便于調(diào)試。其中，涉及局部變量、全局變量、參數(shù)傳遞等概念。而這些概念和編程方式在其他許多高級(jí)語言當(dāng)中也是通用的。掌握好C語言，學(xué)生學(xué)習(xí)其他高級(jí)語言就會(huì)容易許多。此外，C 語言也是開發(fā)基于單片機(jī)、STM32、ARM等的嵌入式系統(tǒng)的常用編程語言。因此，C 語言課程通常被安排在大學(xué)一年級(jí)開課，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)編程思維，教會(huì)他們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)程序，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)其他高級(jí)語言和相關(guān)的軟硬件課程奠定基礎(chǔ)。

2 工程教育認(rèn)證背景下的C 語言教學(xué)要求

工程教育認(rèn)證倡導(dǎo)的是以學(xué)生為中心的成果導(dǎo)向的教學(xué)理念，強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生學(xué)到了什么，而非教師教了什么[4]。對(duì)于課程教學(xué)而言，特別是軟件類課程，要求學(xué)生學(xué)習(xí)完成后，能夠運(yùn)用該軟件或編程語言，來解決實(shí)際的工程問題[5-8]。這對(duì)于傳統(tǒng)的以傳授知識(shí)的教學(xué)方式是一種重大的轉(zhuǎn)變。C 語言是工程領(lǐng)域的核心編程語言之一，通過對(duì)C語言的學(xué)習(xí)，能夠讓學(xué)生建立堅(jiān)實(shí)的編程基礎(chǔ)、掌握實(shí)際的應(yīng)用技能，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于工程問題的興趣，為將來在工程領(lǐng)域的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。因此，C 語言的教學(xué)方式對(duì)學(xué)生將來從事實(shí)際工程項(xiàng)目的能力有著重要的影響。

對(duì)于C 語言課程而言，則需要改變以往的僅以知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行授課的方式，而需要以提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力為目標(biāo)，進(jìn)行課程教學(xué)的調(diào)整。特別是，C 語言課程的知識(shí)點(diǎn)較為零散細(xì)碎，學(xué)習(xí)起來比較枯燥。而C 語言課程作為工科類專業(yè)的基礎(chǔ)課，往往開在大學(xué)一年級(jí)。對(duì)于低年級(jí)的學(xué)生來說，本身對(duì)編程語言就很陌生，容易產(chǎn)生畏難情緒，影響學(xué)習(xí)效果。因此，如何將這些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行融合貫穿的講解，是一個(gè)值得思考的問題。

實(shí)際上，在C 語言課程教學(xué)中的許多知識(shí)點(diǎn)，都能夠體現(xiàn)工程教育的特點(diǎn)。單一的教授語法，學(xué)生很難領(lǐng)會(huì)其中的工程意義。但是，如果在教學(xué)過程中，教師能夠?qū)⒅R(shí)點(diǎn)的講解聯(lián)系到實(shí)際的工程問題，這不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還對(duì)于學(xué)生理解如何使用編程語言解決工程問題有很大的幫助。

在學(xué)習(xí)分支結(jié)構(gòu)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，教師可以通過一個(gè)分支結(jié)構(gòu)在解決實(shí)際的工資支付的案例中的應(yīng)用來進(jìn)行講解。例如可以首先提出這樣一個(gè)問題：“公司對(duì)于員工工資的發(fā)放需要根據(jù)員工的日常表現(xiàn)來進(jìn)行定量發(fā)放。對(duì)勤奮努力的員工將給予激勵(lì)，而對(duì)于懈怠的員工，在工資方面將進(jìn)行一定的扣除。某公司員工的工資計(jì)算方式如下：每月的工資按照工作時(shí)間發(fā)放，每月工作時(shí)間正常在120 和160 個(gè)小時(shí)之間。正常的工作時(shí)數(shù)，按每小時(shí)80 元發(fā)放。工作時(shí)間超過160 個(gè)小時(shí)的，超過部分每小時(shí)增發(fā)20%，工作時(shí)間低于120 個(gè)小時(shí)的，每小時(shí)扣發(fā)10%。請(qǐng)編寫一個(gè)程序，根據(jù)員工的工作時(shí)間，計(jì)算應(yīng)發(fā)工資。”圍繞著這個(gè)問題，學(xué)生既能知道學(xué)習(xí)分支結(jié)構(gòu)有什么意義，提高了學(xué)習(xí)興趣，掌握了C語言中分支結(jié)構(gòu)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，還能夠讓學(xué)生理解到這個(gè)問題中所包含的經(jīng)濟(jì)學(xué)內(nèi)涵，對(duì)于學(xué)生提高經(jīng)濟(jì)決策和項(xiàng)目管理的能力都有所裨益。

因此，對(duì)C 語言實(shí)施教學(xué)方法改革，在C 語言教學(xué)中運(yùn)用問題驅(qū)動(dòng)的方式培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際編程技能和解決問題的能力，圍繞著問題來進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講解和對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，具有非常實(shí)際的教學(xué)意義。

3 問題驅(qū)動(dòng)的C 語言課程教學(xué)改革方法

C 語言課程的教學(xué)改革有多種方法，比如基于課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方法、提高互動(dòng)性的教學(xué)方法、利用網(wǎng)絡(luò)資源的教學(xué)方法等。根據(jù)對(duì)當(dāng)前工程教育認(rèn)證的理解，本文提出了一種以問題驅(qū)動(dòng)的C 語言課程教學(xué)改革方法。其中，教學(xué)改革的重點(diǎn)在于以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向，整個(gè)教學(xué)過程都是圍繞著解決一個(gè)實(shí)際問題而進(jìn)行的。首先，教師通過布置一個(gè)問題案例，布置預(yù)習(xí)問題時(shí)，會(huì)將該問題中將涉及本節(jié)課程中的主要知識(shí)點(diǎn)列出，讓學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)并查閱資料。然后，在課程中，首先隨機(jī)抽取學(xué)生進(jìn)行提問，讓學(xué)生回答有關(guān)案例知識(shí)的預(yù)習(xí)情況，發(fā)現(xiàn)其中的主要誤區(qū)。再進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)和問題的講解，并重點(diǎn)解釋學(xué)生所存在的主要誤區(qū)。課程結(jié)束后，由學(xué)生撰寫最終的解決方案，提交完整的程序代碼。然后，教師對(duì)學(xué)生的作業(yè)或報(bào)告進(jìn)行批閱，并給出反饋意見。在整個(gè)教學(xué)過程中，貫穿著不同層次的教學(xué)評(píng)價(jià)方式。在每一個(gè)小章節(jié)的課程教學(xué)結(jié)束后，通過一些小的選擇題或者填空題來進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)測(cè)試，通過編程題進(jìn)行應(yīng)用能力測(cè)試。而在學(xué)期末，將通過期末考核對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行綜合考查，根據(jù)考核結(jié)果可以知道本課程目標(biāo)的達(dá)成情況，并根據(jù)課程目標(biāo)達(dá)成情況來進(jìn)行后續(xù)的教學(xué)改進(jìn)。整個(gè)教學(xué)改革的設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 C 語言課程教學(xué)流程圖

為了更好地闡述教學(xué)改革方法，以下將說明教學(xué)流程。在循環(huán)結(jié)構(gòu)中，涉及幾種循環(huán)控制結(jié)構(gòu)，包括for 循環(huán)、while 循環(huán)和do while 循環(huán)。教師針對(duì)循環(huán)結(jié)構(gòu)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，提出如下問題：“電子商務(wù)如淘寶、京東等電子商務(wù)平臺(tái)在銷售市場(chǎng)中占據(jù)了重要的比例，其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是快遞運(yùn)輸問題。如何進(jìn)行交通運(yùn)輸優(yōu)化，對(duì)于成本核算具有重要意義。現(xiàn)假定有三種不同車型，其中，A 型車載重量為18 噸，B型車載重量為25 噸，C型車載重量為31噸?，F(xiàn)有100 輛車，需載貨500 噸，請(qǐng)問，需A、B、C 型貨車各多少輛？”

這個(gè)問題是一個(gè)在快遞業(yè)中非常實(shí)際的成本優(yōu)化問題，對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)如何使用軟件編程語言來解決工程問題有很好的幫助，整個(gè)課程教學(xué)將圍繞該問題進(jìn)行。課程教學(xué)的流程如圖2 所示。

圖2 課堂教學(xué)示意圖

第一步：布置預(yù)習(xí)練習(xí)。

教師在上一次課的末尾布置下一次課的預(yù)習(xí)任務(wù)。布置預(yù)習(xí)任務(wù)時(shí)，先大概跟學(xué)生講解一下該問題的意思，并列出該問題所涉及的主要知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生對(duì)該問題進(jìn)行資料查閱。對(duì)于上述例子，所涉及的主要知識(shí)點(diǎn)為循環(huán)控制，C 語言中循環(huán)結(jié)構(gòu)包括for 循環(huán)、while 循環(huán)和do while 循環(huán)。之后，教師提出幾個(gè)問題讓學(xué)生進(jìn)行思考。在該問題中，需要學(xué)生思考的問題有：①循環(huán)控制有哪幾種方式？②該問題應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行數(shù)學(xué)建模？③該數(shù)學(xué)建模可以采用哪幾種循環(huán)方式來進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)？學(xué)生則根據(jù)教師提出的問題進(jìn)行調(diào)研，并做好預(yù)習(xí)報(bào)告。

第二步：課堂中講解。

由于在上一次課程的末尾已經(jīng)將本次課的知識(shí)點(diǎn)和問題提出，因此，在本次課程上課之前，需要對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況做一個(gè)大概的檢查。教師通過提問的方式，隨機(jī)抽取幾位同學(xué)，針對(duì)提出的幾個(gè)問題，檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，同時(shí)也便于發(fā)現(xiàn)學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中，對(duì)問題的理解誤區(qū)。接下來，教師將圍繞著上述問題來展開知識(shí)點(diǎn)的講解。講解完后，將知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用于問題的解決上，使學(xué)生能夠充分理解如何運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)來解決工程問題，以及在工程問題中所包含的項(xiàng)目管理和經(jīng)濟(jì)決策的內(nèi)涵。

以上述問題為例，以下簡(jiǎn)要介紹圍繞該問題的課程講解流程。首先，教師隨機(jī)抽取學(xué)生提問，檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。然后，就該問題進(jìn)行分解講解。先講述該問題應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，例如，在該問題中，需要滿足兩個(gè)條件，一個(gè)條件是A、B、C 型車的總和是100 輛，另一個(gè)條件是要載的貨物總重量為500 噸。因此，要滿足這兩個(gè)條件，需要使用到的知識(shí)點(diǎn)是if 條件語句。條件語句的知識(shí)點(diǎn)在循環(huán)結(jié)構(gòu)之前已講解過。A、B、C 型貨車各多少輛？為了回答這個(gè)問題，需要對(duì)A、B、C三種車型都進(jìn)行0 到100之間的掃描，因此，要用到循環(huán)語句。根據(jù)這個(gè)問題引出本節(jié)課程要講解的知識(shí)點(diǎn)——循環(huán)結(jié)構(gòu)。然后據(jù)此展開對(duì)循環(huán)結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)的講解。講解完后又回到該問題，說明如何使用循環(huán)結(jié)構(gòu)的知識(shí)點(diǎn)來解決該問題，并布置課后作業(yè)，讓學(xué)生應(yīng)用循環(huán)結(jié)構(gòu)完成完整的程序代碼。通過該問題，不僅能使學(xué)生掌握循環(huán)結(jié)構(gòu)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)，還能讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)如何使用編程語言工具對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行表述、建模、求解，以及最后解決這類工程問題。

第三步：課后學(xué)生完成問題，提交作業(yè)。

經(jīng)過課堂講解后，所有學(xué)生都應(yīng)當(dāng)根據(jù)所學(xué)習(xí)到的內(nèi)容來給出解決該問題的完整方案和程序代碼，并提交作業(yè)或報(bào)告，以提高學(xué)生的表達(dá)能力。而教師則需要及時(shí)批改學(xué)生的作業(yè)和報(bào)告，并根據(jù)批改情況進(jìn)行反饋。在下一次課前，教師需要把該問題的完整程序答案分發(fā)給學(xué)生，并在下一次課中針對(duì)學(xué)生存在的一些共性問題進(jìn)行講解反饋。

上述過程僅以一個(gè)例子來說明如何圍繞著一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，運(yùn)用問題驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行講解，從而提高學(xué)生解決工程問題的能力。而對(duì)于更復(fù)雜一些的問題，需要綜合多個(gè)知識(shí)點(diǎn)來解決的問題，教師可以采取分組的方式，幾位學(xué)生一起合作來完成一個(gè)問題。在C 語言課程的教學(xué)中，對(duì)于綜合類型的問題，可以三到四名學(xué)生一組，來完成這類綜合類的問題，可以模擬實(shí)際的工作環(huán)境，分配不同的角色給學(xué)生，例如項(xiàng)目管理者、代碼編寫者、功能測(cè)試者等，要求學(xué)生召開團(tuán)隊(duì)會(huì)議，討論項(xiàng)目的進(jìn)展、遇到的問題，討論下一步的工作計(jì)劃等，通過這種方法來提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。

第四步：教學(xué)評(píng)價(jià)。

在經(jīng)過一個(gè)完整的教學(xué)流程后，教師需要對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行一個(gè)教學(xué)評(píng)價(jià)。我們將采取多層次測(cè)試的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。第一層次，也是最基本的考核層面，要強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)的掌握。因此，每個(gè)章節(jié)都會(huì)給出一些選擇題和填空題，它們覆蓋了本章節(jié)重要知識(shí)點(diǎn)，以達(dá)到較為全面地考核學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。同時(shí)，通過學(xué)生做題的情況，也能夠發(fā)現(xiàn)學(xué)生容易出錯(cuò)的問題點(diǎn)。第二層次，要考查學(xué)生的應(yīng)用能力。在掌握知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生還需要能夠應(yīng)用這些知識(shí)點(diǎn)去解決一些實(shí)際問題，這也是本教改的一個(gè)初衷。因此，每個(gè)章節(jié)還會(huì)給出幾道程序題。這些程序題除綜合了應(yīng)用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，還會(huì)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。例如，如前所述，應(yīng)用分支結(jié)構(gòu)來解決公司的激勵(lì)性工資支付問題。這樣，一方面能夠考核學(xué)生應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)的能力，另一方面，還能考查學(xué)生將其應(yīng)用到解決實(shí)際問題的能力情況。第三層次，則是綜合考評(píng)，主要由期末考核來體現(xiàn)。期末考核不僅涉及單個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，還會(huì)綜合應(yīng)用于多個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，特別是在編程題中，需要綜合應(yīng)用不同知識(shí)點(diǎn)才能解答。通過上述三個(gè)層面的考核，能夠較為全面地考查學(xué)生掌握該課程的情況。特別是在工程教育認(rèn)證的背景下，這種多層次考核的方式能夠較為清晰地看出學(xué)生對(duì)于每個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成情況，以便于對(duì)后續(xù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整與改進(jìn)。

4 結(jié)束語

工程教育認(rèn)證所倡導(dǎo)的教學(xué)方式是當(dāng)前大學(xué)生教育方式的重大改革，涉及所有課程的授課方式的轉(zhuǎn)變，要求教師在授課過程中秉承以學(xué)生為中心，目標(biāo)導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)的理念，做出授課方式的改變。C 語言教學(xué)本身也面臨一些問題，比如：學(xué)生背景的差異、學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力、如何聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行應(yīng)用、教師教學(xué)水平的差異等。為了更好地滿足學(xué)生的需求，解決這些問題也需要改進(jìn)教學(xué)方法。所以在這種背景下，本文提出的以問題驅(qū)動(dòng)的C 語言課程教學(xué)方法改革，通過提出一個(gè)實(shí)際的工程問題來進(jìn)行課程知識(shí)點(diǎn)的講解，能夠讓學(xué)生理解如何使用高級(jí)編程語言進(jìn)行工程問題的表述、建模與求解，培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的能力，以及溝通表達(dá)、項(xiàng)目管理和團(tuán)隊(duì)合作等能力。