基于知識圖譜重構(gòu)的“一體兩翼”模塊化教學(xué)實踐
——以C語言程序設(shè)計課程為例

何 凱，陳 湛，孔維廣，葉 鵬，胡新榮

（武漢紡織大學(xué) 計算機與人工智能學(xué)院，湖北 武漢 430200）

0 引言

為深入貫徹中共二十大對高等教育培養(yǎng)人才的要求，應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部提出了新工科建設(shè)和《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》。新工科建設(shè)要求高校培養(yǎng)能夠滿足產(chǎn)業(yè)需求、能夠解決復(fù)雜工程問題的具備實踐能力強、創(chuàng)新能力強、素質(zhì)高的復(fù)合型人才［1］。一流課程建設(shè)是人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵［2］。在新工科和“雙一流”建設(shè)背景下，堅持以產(chǎn)出導(dǎo)向（Outcome Based Education，OBE）為理念，以學(xué)生為中心，以課程思政為導(dǎo)向、以計算思維能力培養(yǎng)核心，深入探究計算機類程序設(shè)計課程教學(xué)改革，提升教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量，是課程建設(shè)過程中需要不斷關(guān)注和解決的問題［3］。C 語言程序設(shè)計課程是理論性、實踐性非常強的課程，也是培養(yǎng)學(xué)生編程能力的基礎(chǔ)課程，對學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)編程課程非常重要。本文以C 語言程序設(shè)計為例，探討其課程改革實踐，為其他程序設(shè)計類課程教學(xué)設(shè)計提供參考。

1 相關(guān)研究

面對新需求和新技術(shù)的出現(xiàn)，為提高程序設(shè)計課程的教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，相關(guān)學(xué)者進行了深入的教學(xué)改革研究。文獻［4-7］從新工科及OBE 理念對程序設(shè)計課程教學(xué)的新要求出發(fā)，改革課程教學(xué)模式和教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提高學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。一流人才培養(yǎng)落腳點在于課程建設(shè)，文獻［8-10］按照金課的要求和“兩性一度”建設(shè)標準，從教學(xué)模設(shè)計、教學(xué)資源、教學(xué)方法、考評機制建設(shè)等方面進行了探索與實踐。課程思政是落實立德樹人根本任務(wù)的重要舉措，也是課程改革的新方向。文獻［11-13］從專業(yè)知識、計算思維等方面融合課程思政，既提高學(xué)生的專業(yè)知識和能力，又培養(yǎng)他們的社會主義核心價值觀。文獻［14-15］通過開展混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，以提高教學(xué)效果。文獻［16］提出項目式教學(xué)方法，旨在提高學(xué)生實踐能力。文獻［17］以知識圖譜方式構(gòu)建理論知識，幫助學(xué)生掌握知識點。文獻［18］以課堂教學(xué)為切入點，提出由傳統(tǒng)單向滿堂灌的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變成“教學(xué)做合一”的教學(xué)模式改革。目前，針對高級程序設(shè)計課程開展了一系列教學(xué)建設(shè)與探索實踐，但仍然存在一些問題待解決：①課堂教學(xué)模式還是偏以教師、教材和課堂為中心，向以學(xué)生為中心的轉(zhuǎn)變不夠深入；②課程知識概念和語法繁多、運算符和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富、功能強大而靈活，學(xué)生難以形成知識體系，不利于培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的計算思維；③教師對課程思政理解不夠深入，課程思政與專業(yè)知識的融合不夠恰當，存在沒有時間開展課程思政或者將在課堂上講授人生感悟當作課程思政。與現(xiàn)有教學(xué)改革方法不同，本文以O(shè)BE 理念為導(dǎo)向，將知識圖譜與程序設(shè)計教學(xué)進行融合，構(gòu)建清晰系統(tǒng)的課程知識體系并培養(yǎng)計算思維，加強實踐和思政教學(xué)，形成“理論—實踐—思政”全面的課程培養(yǎng)模式。

2 C語言程序設(shè)計課程教學(xué)改革思路與實踐

針對上述重點問題，結(jié)合新生特點及學(xué)情，設(shè)計課程知識頂層框架圖，構(gòu)建課程知識圖譜。在教學(xué)過程中，圍繞課程知識體系，開展設(shè)計型、綜合性實驗以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，并根據(jù)教學(xué)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)的反饋信息對課程教學(xué)加以改進。

2.1 課程教學(xué)目標

通過對計算機類專業(yè)培養(yǎng)目標的核心特征進行深入分析，培養(yǎng)目標概括為3 個方面：以夯實專業(yè)基礎(chǔ)為目標的知識傳授；以提升學(xué)習(xí)能力、實踐能力、創(chuàng)新能力為目標的能力培養(yǎng)；以塑造價值觀與安全觀、強化責(zé)任感與使命感的素質(zhì)培養(yǎng)。①知識目標：能夠區(qū)別C 語言程序設(shè)計中數(shù)據(jù)表示和存儲的方法，闡釋C 語言程序設(shè)計中數(shù)據(jù)處理的流程和結(jié)構(gòu)，使用程序設(shè)計結(jié)構(gòu)和算法解決工程問題；②能力目標：熟練使用C 語言資源和編程工具；養(yǎng)成計算思維和持續(xù)學(xué)習(xí)能力，并運用計算思維分析工程實際問題，解決復(fù)雜程序設(shè)計問題，能獨立思考和自主學(xué)習(xí)，并獲取新知識、新技能、新方法；③素質(zhì)目標：采取“知識—情感—意志—信念”的思政教育線教學(xué)設(shè)計理念，鍛煉培養(yǎng)學(xué)生奮發(fā)學(xué)習(xí)、科技報國的熱情和不畏困難的堅毅品格。

2.2 重構(gòu)課程內(nèi)容知識圖譜體系，培養(yǎng)計算思維

設(shè)計塔式知識結(jié)構(gòu)頂層圖，構(gòu)建知識體系。C 語言課程包含152 個知識模塊，知識點分散、邏輯性差。為了避免這種情況，按照程序設(shè)計思想，將課程內(nèi)容分為3 個層次，有利于學(xué)生理解課程教學(xué)內(nèi)容及各知識點之間的邏輯關(guān)系，建立良好的認知結(jié)構(gòu)。C 語言知識頂層總體框架如圖1所示。

Fig.1 C language curriculum knowledge top-level overall framework圖1 C語言課程知識頂層總體框架

構(gòu)建課程內(nèi)容知識圖譜，將C 語言課程中分散的知識點用知識圖譜的形式進行存儲和表示，展示核心概念、知識點之間的關(guān)系和知識的整體結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生更好地掌握知識。C 語言知識圖譜如圖2所示。

Fig.2 C language knowledge graph圖2 C語言知識圖譜

基于重難點知識構(gòu)建局部知識圖，加深理解。圖3 是分支結(jié)構(gòu)中switch 和if對比知識圖。

Fig.3 Branch switch and if compare knowledge graph圖3 分支switch和if對比知識圖

思政元素與知識圖譜的各知識節(jié)點緊密融合，可以充分引起學(xué)生共鳴，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力。課程團隊會定期開會研討教學(xué)內(nèi)容知識點和挖掘思政元素［5］，如圖4所示。

Fig.4 The mapping relationship between expertise and ideological and political elements圖4 專業(yè)知識與思政元素的映射關(guān)系

2.3 優(yōu)化課程內(nèi)容，改進教學(xué)方法

通過多年實踐，探索出“一體兩翼”的培養(yǎng)模式（見圖5）：構(gòu)建以課程內(nèi)容模塊為主體的知識體系，輔以課外賽練實踐和基礎(chǔ)能力提升的實踐教學(xué)。

Fig.5 "One body and two wings" cultivation mode圖5 “一體兩翼”的培養(yǎng)模式

（1）課程按照課前準備、思政案例導(dǎo)入、理論講解、案例教學(xué)、課內(nèi)小組編程練習(xí)、思維導(dǎo)圖總結(jié)、課后實踐和討論7 個環(huán)節(jié)展開課堂和實踐教學(xué)。其中，理論教學(xué)采取“講練結(jié)合、精選案例、課堂翻轉(zhuǎn)”的課堂教學(xué)方法；實踐教學(xué)采取“任務(wù)驅(qū)動、內(nèi)容分層、過程考核”的實踐教學(xué)方法。課前，根據(jù)教學(xué)知識線布置學(xué)習(xí)任務(wù)，引入教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)知識點設(shè)計教學(xué)案例；課堂上，開展啟發(fā)式教學(xué)，設(shè)計遞進關(guān)系案例進行教學(xué)互動，遵循“照寫—仿寫—改寫—編寫”的“做中學(xué)“思路；課后，布置拓展案例和課后任務(wù)，強化課程內(nèi)容，如圖6所示。

Fig.6 Teaching process（while knowledge point for example）圖6 教學(xué)過程（以while知識點為例）

（2）采取小班情境授課，貫徹知行合一理念，實施差異化教學(xué)。①機房講練授課方式，注重教學(xué)案例的基礎(chǔ)性和趣味性，激發(fā)學(xué)生程序設(shè)計興趣；②搭建在線實踐平臺，精心組織實踐教學(xué)，拓展學(xué)生實踐環(huán)節(jié)；③關(guān)注學(xué)生個體差異，分層次分配實踐任務(wù)，提升學(xué)生實踐能力及效果。

2.4 改進課程評定方式，注重教學(xué)評價反饋

（1）課程評定更注重對學(xué)習(xí)過程、能力和素質(zhì)、課程目標達成度的評價?？己藘?nèi)容組成和比例如表1所示。

Table 1 Total score composition表1 成績組成

課前自學(xué)表現(xiàn)是對學(xué)生課前預(yù)習(xí)完成情況的綜合評價，包括預(yù)習(xí)內(nèi)容完成率、自測題答題情況等；課堂表現(xiàn)是對學(xué)生理論課堂的綜合評價，包括互動測驗參與情況、課堂活躍度等；課堂輔導(dǎo)訓(xùn)練是對學(xué)生輔導(dǎo)完成案例訓(xùn)練情況的評價；課后自主訓(xùn)練是對學(xué)生具有挑戰(zhàn)度問題解決情況的評價；期末考試為學(xué)習(xí)效果檢驗的綜合集中評價?？荚嚲捎脵C考形式進行，題型均為求解問題所需編程能力有關(guān)的程序題，覆蓋課堂教學(xué)和課后教學(xué)全部內(nèi)容。

（2）通過批改作業(yè)、課后答疑、網(wǎng)絡(luò)溝通、問卷調(diào)查、期中座談等多種形式了解學(xué)生情況，總結(jié)存在的問題，并進行教學(xué)反思，以改進教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 教學(xué)改革實踐成效與建議

3.1 教學(xué)改革實踐成效

3.1.1 教學(xué)效果

教學(xué)效果主要體現(xiàn)在如下方面：①近3 年學(xué)生的期末考試平均成績、實驗平均成績以及大作業(yè)平均成績都在逐年提高，學(xué)生平均代碼量超過3 000 行，2022 年課程目標達成度均超過0.8，如圖7 所示；②在各類程序設(shè)計類比賽中取得明顯進步，參與人數(shù)和獲獎人數(shù)逐年上升，國家級項目增長明顯，其中2022 年參加程序設(shè)計類比賽232 項，國家級競賽15 項；③在C 語言課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)期中出現(xiàn)松懈和投入時間減少的情況得到改善，學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的動力得到改善和加強。

Fig.7 Teaching effect data comparison圖7 教學(xué)效果數(shù)據(jù)比較

此外，還體現(xiàn)在如下兩個方面：①搭建在線實踐平臺，提高學(xué)生學(xué)科競賽和實踐創(chuàng)新競爭力；②師生共創(chuàng)1024工作室、信息安全等10 余個學(xué)習(xí)社團或俱樂部，校企共建校內(nèi)外實習(xí)實訓(xùn)基地，增強學(xué)生雙創(chuàng)意識。

3.1.2 學(xué)生反饋

近3 年該課程教學(xué)獲得學(xué)生的高度評價，團隊成員評教結(jié)果顯示多人次位于學(xué)院前10%。學(xué)生們普遍反映，他們學(xué)習(xí)的畏難情緒減少，學(xué)習(xí)自主性較之前有了大幅改觀，編程能力得到較大提升。同時，課程目標達成較好，對課程的參與度和滿意度均有明顯提高。

畢業(yè)生也反映，該課程對就業(yè)幫助大，用人單位對該專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力給予了高度贊賞，團隊多名成員獲得校級教學(xué)質(zhì)量優(yōu)秀獎。

3.2 相關(guān)建議

雖然課程改革已取得一定成效，但仍存在一些問題亟待解決，結(jié)合教學(xué)實踐提出建議如下：

（1）基于OBE 理念，持續(xù)改進教學(xué)方法和手段。借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀的教學(xué)方法，針對本專業(yè)學(xué)生特點，采用以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向的教學(xué)方法，實現(xiàn)過程管理科學(xué)化、學(xué)情數(shù)據(jù)分析精細化，打通“學(xué)習(xí)反饋—內(nèi)容組織—教學(xué)目標”之間的反向聯(lián)系。

（2）建設(shè)高水平的混合式教學(xué)教師團隊。完善課程團隊成員動態(tài)調(diào)整機制，建立教學(xué)綜合評價機制和教師持續(xù)學(xué)習(xí)機制，確保團隊成員跟蹤并貫徹執(zhí)行新的教學(xué)理念。

（3）建立定性與定量相結(jié)合的課程目標達成度評價模型。定性與定量相結(jié)合的達成度評價和分析機制有利于及時發(fā)現(xiàn)課程教學(xué)中存在的問題和改進的方向，增加評價工作透明度。

（4）提出基于PDCA 循環(huán)（Plan 改進計劃、Do 執(zhí)行、Check 檢查和Act 處理）模型的持續(xù)改進機制。建立規(guī)范、穩(wěn)定、配套的課程建設(shè)制度體系，包括團隊工作計劃、分工合作機制、持續(xù)的課程目標達成度分析與改進機制等，在此基礎(chǔ)上建設(shè)基于PDCA 流程的持續(xù)改進機制，以保證課程教學(xué)效果。確保先進的教學(xué)理念得到貫徹落實，建立形成性評價機制。

4 結(jié)語

經(jīng)過多年的探索實踐，創(chuàng)建“一體兩翼”的課程體系培養(yǎng)模式，堅持立德樹人，突出“以學(xué)生為中心”，注重理論教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合。利用知識圖譜重構(gòu)知識體系，提高教學(xué)效果；使用模塊化教學(xué)手段，挖掘課程思政元素，突出素質(zhì)培養(yǎng)；貫徹實施“講練結(jié)合、任務(wù)驅(qū)動、分層實踐”的教學(xué)模式。同時，充分利用現(xiàn)代技術(shù)手段提高教學(xué)效果，搭建實踐訓(xùn)練平臺，注重能力培養(yǎng)；以任務(wù)驅(qū)動，案例教學(xué)為導(dǎo)向，精心設(shè)例，循序善誘，啟迪思維，提升學(xué)生的參與感和積極性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神和思維創(chuàng)新能力；組織模塊測試、注重學(xué)習(xí)過程的多元考核和評價，持續(xù)改進。本文提出的培養(yǎng)模式和教學(xué)方法已在C 語言程序設(shè)計教學(xué)中進行了幾個教學(xué)周期的實踐，獲得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生解決實際復(fù)雜問題的工程應(yīng)用能力得到有效提高。