支撐“復(fù)雜工程問題”的程序設(shè)計公共基礎(chǔ)課改革

朱丹紅，于元隆，張 棟

（福州大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350116）

0 引 言

近年來，工程教育專業(yè)認(rèn)證工作在全國各高等院校如火如荼地開展。該項工作引入先進(jìn)的工程教育理念，對促進(jìn)我國本科工程教育改革，提高教育質(zhì)量具有重要意義[1]。2013年國際工程聯(lián)盟公布的《華盛頓協(xié)議》與我國的《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015版）》，明確了本科畢業(yè)要求必須涉及“復(fù)雜工程問題”[2]。因此，在認(rèn)證要求下，對工科專業(yè)觸及“復(fù)雜工程問題”的通識類與專業(yè)類課程改革勢在必行。

在高等學(xué)校本科培養(yǎng)方案中，程序設(shè)計公共基礎(chǔ)課是一門面向全校非計算機(jī)工科專業(yè)的重要通識類課程[3]。教學(xué)內(nèi)容主要包括程序語言基礎(chǔ)知識、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法、程序?qū)崿F(xiàn)問題求解等。在工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)順應(yīng)人才培養(yǎng)需求，面向?qū)I(yè)領(lǐng)域的“復(fù)雜工程問題”展開，對教學(xué)目的、內(nèi)容、方法與考核的全過程深層剖析，并進(jìn)行相應(yīng)改革，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生主動利用計算機(jī)程序技術(shù)解決專業(yè)“復(fù)雜工程問題”的實踐能力。

1 課程的教學(xué)現(xiàn)狀與不足

長期以來，程序設(shè)計公共課教學(xué)大多以高校所在省份的計算機(jī)等級考試統(tǒng)考制度為導(dǎo)向，對計算機(jī)技能的推廣普及的確發(fā)揮了重要作用[4]，但由于信息技術(shù)發(fā)展迅速，等級考試主動變革的節(jié)奏遲緩，在當(dāng)前工程認(rèn)證背景下，課程教學(xué)存在教學(xué)目標(biāo)不清、教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法落后和考核方式單一的問題。

2 工程認(rèn)證對課程的改革要求

解讀《華盛頓協(xié)議》，基于“復(fù)雜工程問題”對本科畢業(yè)生提出的知識要求第2條為“適用于本學(xué)科的支持分析和建模的以概念為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)、數(shù)值分析、統(tǒng)計、計算機(jī)和信息科學(xué)的通識內(nèi)容”[5]?！豆こ探逃J(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015版）》的畢業(yè)要求第5條也明確指出“能夠針對復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，包括對復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性”[6]。

由此可見，讓學(xué)生掌握和運(yùn)用計算機(jī)與信息技術(shù)是培養(yǎng)其解決“復(fù)雜工程問題”的一個重要方面。作為承載信息技術(shù)的典型課程，程序基礎(chǔ)課要實現(xiàn)對專業(yè)“復(fù)雜工程問題”的支撐，就需要培養(yǎng)學(xué)生：①能全面系統(tǒng)地分析實際工程問題，抽象化描述，建立數(shù)學(xué)模型；②有較強(qiáng)的編程實踐能力，能靈活運(yùn)用所學(xué)知識，設(shè)計多樣化算法并比較算法優(yōu)劣、優(yōu)化算法；③有積極思考、深入探索的主動學(xué)習(xí)興趣，對利用程序解決問題能舉一反三，有創(chuàng)新能力；④對于有一定復(fù)雜性的項目，能較好地分解程序模塊，有良好的分工協(xié)作意識與團(tuán)隊精神。

3 課程的教學(xué)改革探索

在認(rèn)證工作指導(dǎo)下，課程教學(xué)須以專業(yè)的“復(fù)雜工程問題”為導(dǎo)向，以經(jīng)典的案例和項目為基礎(chǔ)，以先進(jìn)的教學(xué)手段和平臺為載體，以多維度的考核方式為綜合評價，并不斷總結(jié)、反饋、反思和提升，從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式及持續(xù)改進(jìn)5個方面進(jìn)行改革，培養(yǎng)學(xué)生將程序設(shè)計知識真正用于相關(guān)的專業(yè)領(lǐng)域。課程改革如圖1所示。

圖1 課程改革示意圖

3.1 制訂面向?qū)I(yè)“復(fù)雜工程問題”的教學(xué)目標(biāo)

首先，明確課程教學(xué)的總體目標(biāo)為掌握程序設(shè)計的基本知識與方法，能夠運(yùn)用程序開發(fā)工具編寫程序，能夠以全局的視角系統(tǒng)分析問題，建立計算機(jī)模型，構(gòu)造求解算法，編程調(diào)試獲得結(jié)果，并初步掌握模塊化的程序?qū)崿F(xiàn)方式。

其次，對采用同一程序語種的不同專業(yè)還須細(xì)化教學(xué)目標(biāo)設(shè)置。以C語言公共基礎(chǔ)課程為例，由于單片機(jī)系列課程是電氣、電子、機(jī)電等相關(guān)專業(yè)的重要課程，能夠為專業(yè)的“復(fù)雜工程問題”提供理論與實踐基礎(chǔ)，其軟件編程均采用C語言，因此，這些專業(yè)開設(shè)的 C語言基礎(chǔ)課就應(yīng)當(dāng)針對單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)要求，側(cè)重底層硬件編程，學(xué)習(xí)C程序的語法規(guī)則和設(shè)計方法。數(shù)學(xué)專業(yè)的C語言，更需學(xué)生學(xué)會編程實現(xiàn)相關(guān)的數(shù)學(xué)問題，如積分、求導(dǎo)等。

3.2 設(shè)置支撐專業(yè)“復(fù)雜工程問題”的教學(xué)內(nèi)容

由于公共基礎(chǔ)課學(xué)時局限，因此需要精簡課程中部分細(xì)碎繁瑣、缺乏連貫性的基礎(chǔ)知識，并針對專業(yè)“復(fù)雜工程問題”的程序需求，篩選知識點(diǎn)，適當(dāng)調(diào)整順序，探討相關(guān)算法，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容。以支持單片機(jī)編程的C語言為例，可以圍繞程序設(shè)計的三大基本結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)掌握位運(yùn)算、數(shù)組、函數(shù)、指針、宏定義等內(nèi)容，其中，單片機(jī)底層程序涉及大量位運(yùn)算、循環(huán)、數(shù)組的相關(guān)知識，由此，C語言的二進(jìn)制移位與循環(huán)移位、數(shù)組的選擇與冒泡排序、順序與二分查找算法等就應(yīng)當(dāng)作為教學(xué)內(nèi)容的重中之重。此外，程序?qū)崿F(xiàn)“復(fù)雜工程問題”還要求具有全局的思想，因此掌握函數(shù)和宏定義的模塊化設(shè)計方法也是教學(xué)中必不可少的重要內(nèi)容。

3.3 選取培養(yǎng)“復(fù)雜工程問題”解決能力的教學(xué)方法

在程序設(shè)計基礎(chǔ)課程中培養(yǎng)學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”的能力，要求課程內(nèi)容涉及專業(yè)的實際工程問題，在教學(xué)過程中提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊協(xié)作能力，提升工程意識和設(shè)計技能，因此，需要借助一定的教學(xué)手段，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。

（1）案例驅(qū)動教學(xué)。課堂教學(xué)可通過程序案例引導(dǎo)，讓學(xué)生對相關(guān)知識點(diǎn)產(chǎn)生感性認(rèn)識，從而促進(jìn)其對該知識點(diǎn)具體用法的理解和掌握。另外，案例教學(xué)能夠有針對性地將模型構(gòu)建、系統(tǒng)設(shè)計、算法應(yīng)用、編程實現(xiàn)的綜合過程與專業(yè)的實際工程問題交叉、組合、滲透并融入教與學(xué)中，為學(xué)生應(yīng)用計算機(jī)程序解決“復(fù)雜工程問題”打下基礎(chǔ)。例如，C語言教學(xué)可以采用單片機(jī)“汽車轉(zhuǎn)向燈”實例，其左、右轉(zhuǎn)向及延時控制與C程序的選擇與循環(huán)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，知識點(diǎn)涉及選擇結(jié)構(gòu)的if-else 與循環(huán)結(jié)構(gòu)的while，不僅形象地提出新知識，而且能傳授編程實現(xiàn)工程問題的方法。

（2）強(qiáng)化實踐訓(xùn)練。程序設(shè)計課程的上機(jī)實踐是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。通過課內(nèi)與課外實踐的有機(jī)結(jié)合，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和綜合應(yīng)用能力。其中，課內(nèi)實踐由教師演示與自主操作，在完成例題的前提下，設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容同步的相關(guān)小項目進(jìn)行實踐。以C語言for循環(huán)語句為例，除了完成累加、求最大數(shù)等常規(guī)習(xí)題，還將其用于延時程序的設(shè)計實現(xiàn)。課外布置與專業(yè)工程相關(guān)的綜合項目，采取小組協(xié)作方式完成。實踐過程中引導(dǎo)學(xué)生從設(shè)計思路、設(shè)計技巧、程序結(jié)構(gòu)等方面分析問題，并啟發(fā)學(xué)生對同一問題設(shè)計多種解決方案，從中選擇最佳方案；同時，要求程序具有良好的書寫風(fēng)格與模塊化的程序設(shè)計思想，從而全面培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計與工程實踐的綜合能力。

（3）線上線下混合的SPOC課程模式?，F(xiàn)有的“教師課堂講授”模式，以教師為教學(xué)活動主體，忽略學(xué)生的基礎(chǔ)差異與個性化需求，導(dǎo)致學(xué)習(xí)缺乏自主性，阻礙學(xué)生的能力培養(yǎng)。線上線下混合的課堂模式，線上利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)秀的課程資源，借助SPOC平臺，引導(dǎo)學(xué)生課外通過視頻自主學(xué)習(xí)；線下通過平臺反饋的學(xué)生學(xué)習(xí)情況，及時調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和內(nèi)容，揚(yáng)長避短，優(yōu)化教學(xué)效果。此外，網(wǎng)絡(luò)平臺能夠讓教師方便組織學(xué)生討論，及時答疑解惑，增強(qiáng)師生的交流互動，使學(xué)習(xí)過程更加高效輕松。因此，該教學(xué)方式能激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的探索創(chuàng)新能力、協(xié)作溝通能力等，從而為解決專業(yè)“復(fù)雜工程問題”的能力培養(yǎng)提供很好的支持。

3.4 設(shè)計適應(yīng)專業(yè)“復(fù)雜工程問題”的考核方式

程序設(shè)計基礎(chǔ)課支撐專業(yè)的“復(fù)雜工程問題”，考查需要綜合反映學(xué)生的程序設(shè)計能力、自主學(xué)習(xí)能力與工程實踐能力，因此采用多維度的考核評價方式。其中，程序設(shè)計能力由線上練習(xí)答題情況和期末考試成績判定；自主學(xué)習(xí)考量學(xué)生的出勤情況、課堂表現(xiàn)、線上課程視頻學(xué)習(xí)情況、線上討論回答情況等；工程實踐能力根據(jù)分組協(xié)作的綜合項目完成情況評定。在對項目評判時，應(yīng)設(shè)置多項指標(biāo)檢驗，包括算法選取優(yōu)劣、程序書寫風(fēng)格（如變量或標(biāo)識符命名、是否縮進(jìn)、是否注釋等）、函數(shù)設(shè)計與調(diào)用、界面美觀程度、小組分工的模塊化合理性等。最終考核結(jié)果可以根據(jù)專業(yè)實際情況，對程序能力、自主學(xué)習(xí)、實踐能力設(shè)定權(quán)重并加權(quán)而得。

3.5 聚焦“復(fù)雜工程問題”的課程持續(xù)改進(jìn)

工程教育專業(yè)認(rèn)證要求有良好的質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制對教學(xué)過程進(jìn)行跟蹤評估，通過階段性評估與總結(jié)性評價，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

首先是階段性評估。教師對照課程的教學(xué)大綱，分階段自查教學(xué)內(nèi)容、進(jìn)度等；通過平臺學(xué)習(xí)情況、上機(jī)實踐效果、分組協(xié)作的項目進(jìn)展等，評估學(xué)生的知識掌握程度與實踐水平。由此，教師不僅能及時發(fā)現(xiàn)自身的教學(xué)問題，改進(jìn)教學(xué)方法，還能實時關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，指導(dǎo)學(xué)生改善學(xué)習(xí)方法，鞏固之前學(xué)習(xí)過的知識。

其次是總結(jié)性評價。學(xué)期末，教師對學(xué)生的各項考核成績進(jìn)行合理性分析，確認(rèn)教學(xué)目標(biāo)的完成情況。另外，設(shè)計學(xué)生評價調(diào)查問卷表，側(cè)重于學(xué)生“評學(xué)”，了解學(xué)生在課程學(xué)習(xí)與項目完成之后，對程序?qū)嵺`能力提升的自我評價。通過課程考核的合理性分析與學(xué)生的自我評價，教師對整個學(xué)期的教學(xué)進(jìn)行總結(jié)、反思與改進(jìn)，緊緊圍繞程序設(shè)計支撐專業(yè)“復(fù)雜工程問題”的解決，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升。

最后依托學(xué)校教學(xué)督導(dǎo)的相關(guān)政策，確保階段性與總結(jié)性的評價結(jié)果用于課程的持續(xù)改進(jìn)。通過各種渠道收集反饋信息，如教研組的教師座談會、學(xué)生的隨機(jī)訪談、高年級學(xué)生用程序解決“復(fù)雜工程問題”的能力調(diào)查等方式，綜合考察教學(xué)改進(jìn)的實際情況。

4 結(jié) 語

程序設(shè)計公共基礎(chǔ)課作為非計算機(jī)類工科專業(yè)的一門重要通識課程，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計基本知識，掌握軟件開發(fā)的基本技能，最終能夠運(yùn)用計算機(jī)程序求解專業(yè)的實際工程問題，是工程教育不可或缺的組成部分。面向?qū)I(yè)的“復(fù)雜工程問題”對課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式、持續(xù)改進(jìn)5個方面改革，能夠提高課程的教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的探索創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”的綜合素質(zhì)和能力，從而為全面推進(jìn)工程教育認(rèn)證工作打下基礎(chǔ)。

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