新工科建設(shè)視角下程序設(shè)計類課程教學(xué)改革實踐探析

關(guān)鍵詞：新工科；程序設(shè)計；混合式教學(xué)；課程思政；階梯式教學(xué)

0 引言

新工科是在傳統(tǒng)工科的基礎(chǔ)上，為了快速應(yīng)對信息時代的新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)對技術(shù)人才的需求變化，強調(diào)融合文科、農(nóng)科、醫(yī)科等多個專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)改革，從單一的知識教育轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合能力的培養(yǎng)，以“三全育人”的理念強調(diào)學(xué)生的全面發(fā)展[1]。在工科的各個專業(yè)的課程設(shè)置中，程序設(shè)計類的課程是普遍開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該類課程對培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和程序設(shè)計能力起著非常重要的作用，如何做好該類課程的建設(shè)以滿足社會對應(yīng)用型人才的需要是應(yīng)用型本科院校面臨的重要課題[2]。

1 教學(xué)痛點

1.1 學(xué)生個體化差異較大，個人成長需求難以滿足

傳統(tǒng)課堂中，教師設(shè)計教學(xué)內(nèi)容時注重大部分學(xué)生的認(rèn)知能力，忽略了學(xué)生個體差異性。以2023年某應(yīng)用型本科院校的秋季課堂調(diào)研結(jié)果為例，38%的學(xué)生高中學(xué)習(xí)過其他編程語言，62%的學(xué)生沒接觸過編程。因此，如何關(guān)注學(xué)生的個體差異，因材施教，滿足不同學(xué)生的成長需求，需要在整體教學(xué)設(shè)計的理念和實踐上進(jìn)行創(chuàng)新。

1.2 課程理論龐雜內(nèi)容枯燥，學(xué)習(xí)動力難以被激發(fā)

程序設(shè)計類課程涵蓋的理論知識龐雜，各知識點都會涉及嚴(yán)格的語法規(guī)則，學(xué)生在學(xué)習(xí)時僅靠機械式記憶會比較枯燥。隨著知識量增加，學(xué)生很容易將前后所學(xué)知識點混淆，使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，挫敗了學(xué)習(xí)該課程的積極性和主動性，難以激發(fā)學(xué)習(xí)動力。

1.3 知識體系分散缺少連貫性，綜合實踐能力難提升

傳統(tǒng)教學(xué)中，各部分知識分散獨立，缺少貫穿全課程、整合各部分知識的綜合性案例，導(dǎo)致學(xué)生系統(tǒng)分析、設(shè)計、實現(xiàn)復(fù)雜問題的能力不足；實踐案例集中在語法知識的簡單應(yīng)用，復(fù)雜程度不足以培養(yǎng)學(xué)生的抽象能力和實際問題求解能力。因此，如何提升學(xué)生的綜合能力以適應(yīng)新工科人才的要求至關(guān)重要。

2 教學(xué)改革創(chuàng)新舉措

圍繞教學(xué)痛點，以新工科建設(shè)為背景，以學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)定位為基準(zhǔn)，以混合設(shè)計為基礎(chǔ)思路，從教學(xué)內(nèi)容、方法、思政等方面進(jìn)行創(chuàng)新性改革，利用信息化教育平臺工具，探索形成了如下教學(xué)創(chuàng)新理念及思路。

2.1 整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計

在滿足國家教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，對教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)整合和創(chuàng)新，把抽象理論具象化，理論聯(lián)系實際，編程問題貼近生活，融入專業(yè)思想，反映學(xué)科前沿，力求“常講常新”，提高課程的高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，更重要的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)編程語言“有趣、有用”。

1） 階梯式教學(xué)設(shè)計。根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)、理解與學(xué)習(xí)能力，將教學(xué)設(shè)計成基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、進(jìn)階學(xué)習(xí)和提高學(xué)習(xí)三大模塊，其中基礎(chǔ)學(xué)習(xí)模塊包括每個教學(xué)單元中的基礎(chǔ)知識點、例題；進(jìn)階模塊包括經(jīng)典的算法和稍復(fù)雜的實用性操作；提高學(xué)習(xí)模塊體現(xiàn)項目實踐中知識點的實際用途。該分層設(shè)計確保滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，從而一定程度上解決學(xué)生個體差異化大，個人成長難滿足的問題。

2） 將教學(xué)案例與真實生活相結(jié)合。編寫程序的目的是解決實際問題，因此設(shè)計教學(xué)案例時盡量貼近生活[3]，實現(xiàn)程序設(shè)計語言的語法知識與實際應(yīng)用之間的有機鏈接，提升學(xué)習(xí)的成就感和獲得感，從而有效激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。如在C語言的選擇結(jié)構(gòu)的章節(jié)加入識別驗證碼的判斷，在順序結(jié)構(gòu)中引入房貸計算器等。

3） 學(xué)科競賽與教學(xué)內(nèi)容相融合。從學(xué)科競賽的角度，清晰梳理計算機創(chuàng)新能力培養(yǎng)的科學(xué)內(nèi)涵，從教學(xué)實施的角度，將以學(xué)科競賽為導(dǎo)向的培養(yǎng)方法轉(zhuǎn)化為教學(xué)案例，完成“學(xué)科競賽反哺教學(xué)”的落地。讓學(xué)生切身感受到學(xué)習(xí)的價值，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，也是應(yīng)用型本科學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提升的有效途徑。如在C 語言的數(shù)組知識中引入藍(lán)橋杯的真題“回文日期”，在循環(huán)結(jié)構(gòu)中引入ICPM真題“18歲生日”等[4]。

4） 學(xué)科前沿、交叉學(xué)科知識與教學(xué)案例相融合。新工科建設(shè)要求積極探索學(xué)科前沿知識，人工智能技術(shù)已經(jīng)在國民經(jīng)濟各個產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮驅(qū)動作用，而人工智能的核心和基礎(chǔ)是程序，因此在課程教學(xué)案例設(shè)計中融入人工智能技術(shù)，有意識地引導(dǎo)學(xué)生接觸前沿信息技術(shù)，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和能力。人工智能中的很多基本操作和關(guān)鍵算法經(jīng)過簡化、抽象，均可以通過課程內(nèi)的基本知識來實現(xiàn)，如機器學(xué)習(xí)中的線性回歸、數(shù)據(jù)歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化，自然語言處理中的中文分詞、詞頻計算、相似度計算等。另外，新工科背景下，程序設(shè)計課程教學(xué)案例的設(shè)計可以結(jié)合不同專業(yè)學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域，挖掘和設(shè)計應(yīng)用案例：如存貸款工具設(shè)計、血糖預(yù)測等，這些案例的求解過程涉及數(shù)據(jù)抽象、窮舉法、回歸求解等相關(guān)程序技術(shù)，鼓勵學(xué)生跳一跳親自嘗試難點。

2.2 創(chuàng)新教學(xué)方法和手段，打造線上線下、課內(nèi)課外一體化的混合式教學(xué)模式

充分利用信息化教學(xué)手段（超星學(xué)習(xí)通、Edu?Coder實踐平臺等），打造線上線下、課內(nèi)課外一體化的混合式教學(xué)模式。課程有機穿插融合多種符合認(rèn)知規(guī)律的交互活動，理論聯(lián)系實際，注重知識遷移，組織小組合作開發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生主動參與、自主探究，讓學(xué)生在快樂中探索編程世界。引進(jìn)企業(yè)導(dǎo)師，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識的同時了解行業(yè)現(xiàn)狀及技術(shù)前沿。

1） 課前。學(xué)生自主學(xué)習(xí)超星平臺上的自建視頻課程，主要是需要記憶、理解的概念性知識等低階內(nèi)容，不同基礎(chǔ)的學(xué)生可以根據(jù)自身情況在課前反復(fù)多次學(xué)習(xí)鞏固，并適時要求學(xué)生繪制思維導(dǎo)圖增進(jìn)知識點之間的關(guān)系理解與記憶，“挑戰(zhàn)微視頻”展示自己對知識點的理解吸收程度。教師通過分析課前學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)實現(xiàn)精準(zhǔn)定教。

2） 課中。借助智慧教室、學(xué)習(xí)通、Educoder頭歌編程平臺等開展師生雙向交互研討式教學(xué)，教師啟發(fā)式講授時，著重搭建理論知識框架、傳統(tǒng)理論知識的重點和難點、實踐編程的易錯點等，企業(yè)導(dǎo)師講解企業(yè)實際應(yīng)用場景及技術(shù)前沿。分組研討時，采用趣味案例式教學(xué)、高頻bug答疑解惑、知識拓展與研討教學(xué)等。另外，還會從不同層次設(shè)計多樣化活動，包括“高光時刻”“你說我猜”“趣味互動”等，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

①高光時刻”：是由課前作業(yè)獲評優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)行展示分享，作業(yè)中往往體現(xiàn)了學(xué)生們的創(chuàng)新思維和人文情懷。

②“你說我猜”：將程序設(shè)計中的語法、易犯錯誤以游戲題目形式展示，讓學(xué)生主動提取，促進(jìn)學(xué)生主動關(guān)聯(lián)和生成，在概念之間產(chǎn)生更強的聯(lián)結(jié)，促進(jìn)長期記憶。

③“趣味互動”：如使用3個紙杯演示交換兩個杯子中東西的過程，從而加深學(xué)生對兩個變量交換如何實現(xiàn)的理解。

教師通過學(xué)習(xí)通平臺中的隨堂測驗結(jié)果、Edu?Coder平臺的程序評測結(jié)果，適時調(diào)整教學(xué)重點。

3） 課后。以發(fā)布的拓展性小組任務(wù)為依托，建立“學(xué)生自由組隊、合作開發(fā)、定期匯報研討、教師點評拓展”的教學(xué)范式，實現(xiàn)從“教師傳統(tǒng)灌輸式講授”到“引導(dǎo)學(xué)生主動探究式學(xué)習(xí)”的轉(zhuǎn)變。此過程綜合練習(xí)多章節(jié)知識點，鍛煉學(xué)生分析解決問題的能力、團隊合作能力和溝通能力等，提升學(xué)生的綜合實踐能力。如在學(xué)完三種基本結(jié)構(gòu)后，布置如表2所示的小組項目，小組同學(xué)也可根據(jù)自己的創(chuàng)意制作項目。

另外將釘釘群作為拓展提升空間，不定期推送前沿資訊，互助解答問題，開放的交流討論，師生、生生互動交流、思維碰撞，是個性化育人和思政引導(dǎo)的便捷陣地。

2.3 注重課程思政，德育和智育并重

將課程思政元素，有機融入教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中[5]，如在C語言課程中學(xué)習(xí)楊輝三角時介紹其是中國古代數(shù)學(xué)的瑰寶，并創(chuàng)作與其對應(yīng)的寶塔詩激發(fā)學(xué)生民族自豪感；再如學(xué)習(xí)數(shù)組使用時從數(shù)組越界的錯誤引出任何一個小bug都可能引發(fā)嚴(yán)重后果，加強專業(yè)責(zé)任感教育。思政使得學(xué)習(xí)程序設(shè)計、編寫程序的過程中擁抱愛、感受美、獲得力量，潤物細(xì)無聲地滌蕩學(xué)生心靈。

3 教學(xué)改革實踐成效

通過3個學(xué)期的教學(xué)改革，獲得了學(xué)生對這種創(chuàng)新模式的認(rèn)可，教師也在此過程中獲得成長。

1） 學(xué)生總體上呈現(xiàn)深度學(xué)習(xí)狀態(tài)特征，學(xué)習(xí)動力被激發(fā)。

2） 學(xué)生成績有了較大幅度的提高，個人成長需求得到滿足，學(xué)生同等難度的期末考試成績大幅提升。

3） 學(xué)生實踐能力明顯增強，所教的計算機專業(yè)學(xué)生中有60%以上參加了各類科技學(xué)術(shù)實踐活動，百余名學(xué)生參加了各級各類科技競賽活動，并取得了一些成績，如省“圖森未來杯”大學(xué)生程序設(shè)計競賽銅獎一項；2022年網(wǎng)絡(luò)與信息安全競賽省一等獎3項、三等獎3項；2023年獲?？箼C器人開發(fā)者大賽CAIP編程技能賽：國賽一等獎1項，省賽三等獎6項；2023年浙江省第二十屆大學(xué)生程序設(shè)計競賽榮獲銅獎。

4） 學(xué)生反饋良好，對近兩次授課學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查顯示，學(xué)生對混合式教學(xué)模式認(rèn)可度96.6%，學(xué)生對主講教師打分平均分為96.2%。

4 結(jié)論

在新工科建設(shè)視角下，經(jīng)過兩年多的探索實踐，通過將教學(xué)內(nèi)容與真實生活、學(xué)科競賽、前沿研究進(jìn)行整合，并進(jìn)行階梯式教學(xué)設(shè)計，打造線上線下、課內(nèi)課外一體化的混合式教學(xué)模式，注重課程思政等一系列創(chuàng)新措施，基本解決了難以滿足差異化學(xué)生的個人成長、理論枯燥學(xué)習(xí)興趣弱、實踐能力難提升等教學(xué)痛點。