基于分層模式的CDIO教育理念在程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽類課程方面的理論研究

周春樵

摘? 要： 針對(duì)現(xiàn)階段高等院校中程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐體系在培養(yǎng)創(chuàng)新人才方面所存在的問題，將分層化教學(xué)模式結(jié)合CDIO教學(xué)理念引入傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)課程。融合課程特點(diǎn)，分析教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性與層次性，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)類課程體系，構(gòu)建程序在線測(cè)試平臺(tái)，改進(jìn)課堂教學(xué)模式。以程序競(jìng)賽為驅(qū)動(dòng)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)意識(shí)為目標(biāo)，并結(jié)合大學(xué)生各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，理論與實(shí)踐相互結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)手實(shí)踐能力，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 分層化教學(xué)模式; CDIO; 課程體系; 程序競(jìng)賽; 創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2020）02-89-04

Theoretical research on application of CDIO education concept with hierarchical

model in courses for programming competition

Zhou Chunqiao

（Public Laboratory Center， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： In view of the problems existing in the teaching content and practice system of programming courses in training innovative talents in colleges and universities at present， this paper introduces the hierarchical teaching model and CDIO teaching concept into the traditional programming course， integrating course characteristics， analyzing the internal relevance and hierarchy of teaching content， optimizing the programming course system， constructing program online testing platform， improving classroom teaching model. And driven by programming competition， aiming at cultivating students' innovative ability and team consciousness， combining with various innovative entrepreneurship projects， and combining theory with practice， students' practical ability and interest in learning have been continuously improved and good teaching results have been achieved.

Key words： hierarchical teaching model; CDIO; course system; programming competition; innovative ability

0 引言

培養(yǎng)新時(shí)代的創(chuàng)新型計(jì)算機(jī)人才已經(jīng)在國內(nèi)外高等教育體系中成為了一個(gè)普遍的共識(shí)。教育部計(jì)算機(jī)教指委針對(duì)計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)提出了4項(xiàng)專業(yè)能力要求：①計(jì)算思維能力;②算法分析與設(shè)計(jì)能力;③程序分析與設(shè)計(jì)能力;④計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力[1]。針對(duì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽的創(chuàng)新教育類課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、計(jì)算機(jī)編程能力以及團(tuán)隊(duì)合作精神都有著極其重要的作用。而在大學(xué)通識(shí)類計(jì)算機(jī)編程課程的基礎(chǔ)上，競(jìng)賽類程序設(shè)計(jì)課程可以幫助學(xué)生更全面和系統(tǒng)地了解學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及培養(yǎng)學(xué)生解決生產(chǎn)實(shí)際問題的創(chuàng)新能力。

1 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)的現(xiàn)狀

在現(xiàn)階段各高等院校計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類教學(xué)中主要以基于C/C++/Java/Python等“程序設(shè)計(jì)原理”和“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程作為核心的理論教學(xué)課程，這些課程目前存在著許多不完善之處。

⑴ 課程定位目標(biāo)不明確。基于程序語言的課程在教授學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的過程中存在著“照本宣科”的問題，教學(xué)過程中沒有融合授課教師自身的教學(xué)理念，且對(duì)于如何在教學(xué)過程中提升學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)以及培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神的教學(xué)目的性不明確，而隨著多學(xué)科交叉課程數(shù)量的不斷攀升，導(dǎo)致分配給基礎(chǔ)課程的學(xué)時(shí)只夠授課教師講解一些基礎(chǔ)概念，學(xué)習(xí)內(nèi)容過于單薄。

⑵ 課堂教學(xué)重理論，輕實(shí)踐。程序設(shè)計(jì)類課程中所闡述的各類語法知識(shí)和算法結(jié)構(gòu)一般具有理論性與抽象性強(qiáng)的特點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能存在無法掌握和理解的某些知識(shí)點(diǎn)。大部分高校為了幫助學(xué)生更好掌握程序設(shè)計(jì)課程中的知識(shí)點(diǎn)，都會(huì)開設(shè)“程序設(shè)計(jì)短學(xué)期”類課程，一般兩周左右，但其效果并不理想，很多學(xué)生因?yàn)槌绦蛟O(shè)計(jì)能力基礎(chǔ)薄弱，只能通過徇私舞弊的行為來完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告[2]?？梢姡唐诤兔芗膬芍軐?shí)踐學(xué)習(xí)對(duì)于提升學(xué)生整體的編程能力效果甚微。

⑶ 授課知識(shí)點(diǎn)陳舊，更新不及時(shí)。國內(nèi)部分高校的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)大綱長沒及時(shí)修訂，無法適應(yīng)新時(shí)代對(duì)創(chuàng)新程序設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)需求[5]。部分軟件科技公司在進(jìn)行校園招聘過程中普遍反映現(xiàn)階段大部分計(jì)算機(jī)軟件專業(yè)學(xué)生的知識(shí)面狹隘的問題，上機(jī)題的程序?qū)嵤┻^程冗余、算法過于簡(jiǎn)單，邏輯結(jié)構(gòu)缺乏靈活性。此外，學(xué)校教務(wù)部門在制定教學(xué)規(guī)劃中要求授課教師嚴(yán)格按照教學(xué)大綱從事相關(guān)教學(xué)活動(dòng)，對(duì)如何培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力沒有形成共識(shí)。

⑷ 課程考核方式單一，缺乏對(duì)培養(yǎng)學(xué)生興趣的引導(dǎo)。一般高校針對(duì)計(jì)算機(jī)程序類課程的考核通常采用期末筆試成績?yōu)橹鳎ㄕ?0%左右），上機(jī)實(shí)驗(yàn)與平時(shí)成績?yōu)檩o（占30%左右）。期末考試更多的采用紙質(zhì)版的形式，這類測(cè)試手段更側(cè)重于考察學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容的記憶力，而非理解力，缺乏對(duì)學(xué)生解決實(shí)際問題的邏輯思考能力、上機(jī)編程能力以及程序調(diào)試能力的考察，并不能全面和客觀的展現(xiàn)學(xué)生的綜合編程水平，單一的課程考核形式也不能正確引導(dǎo)學(xué)生對(duì)編程類課程的學(xué)習(xí)興趣。

針對(duì)上述問題，本文提出了在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)體系中引入CDIO教育模式，改進(jìn)傳統(tǒng)課堂上存在的弊端與不足，激發(fā)學(xué)生對(duì)于程序類課程的學(xué)習(xí)熱情，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

2 程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽類課程對(duì)于計(jì)算機(jī)類學(xué)科發(fā)展的促進(jìn)作用

近年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在高校通識(shí)教育體系中的不斷發(fā)展，各類大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽也在全國乃至全世界范圍內(nèi)不斷壯大。其中，影響力較大是ACM-ICPC（ACM International Collegiate Programming Contest，國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽）和CCPC（China Collegiate Programming Contest，中國大學(xué)生程序競(jìng)賽）。此外，ACM-ICPC也被列入了中國大學(xué)學(xué)科競(jìng)賽排行榜。有別于其他單人競(jìng)賽體系，ACM-ICPC和CCPC這兩項(xiàng)競(jìng)賽更注重展現(xiàn)學(xué)生團(tuán)隊(duì)分析問題與解決問題的能力、創(chuàng)新意識(shí)以及合作精神，該項(xiàng)賽事也被譽(yù)為“世界上規(guī)模最大、最公平、水平最高的國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)賽事”，為全世界的學(xué)生提供了一個(gè)衡量計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)能力的客觀平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上，大家相互學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步[4]。

團(tuán)隊(duì)程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽提倡培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的創(chuàng)新實(shí)踐能力以及與他人共同合作的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，與高等院校對(duì)于創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系的建立以及卓越工程師的培養(yǎng)計(jì)劃是一致的。由此可提倡以面向?qū)W科競(jìng)賽為導(dǎo)向，通過在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類課程中引入競(jìng)賽型機(jī)制，這樣一方面擴(kuò)展學(xué)科知識(shí)點(diǎn)的普及面，拓寬學(xué)生的專業(yè)視野，另一方面鼓勵(lì)學(xué)生多參與課外學(xué)科競(jìng)賽，提升學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，通過此類賽事，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)與選拔創(chuàng)新人才的教學(xué)目標(biāo)，促進(jìn)專業(yè)學(xué)科良性發(fā)展。

3 基于分層與CDIO理念的程序競(jìng)賽課程的創(chuàng)新教學(xué)模式

3.1 程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)目標(biāo)與架構(gòu)分層

高校學(xué)生來自全國各地，其基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力有差異，所以應(yīng)考慮分層次教學(xué)，制定相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，完善教學(xué)架構(gòu)。

可以采用課程中期考核制，來對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組。根據(jù)程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)體系，基礎(chǔ)學(xué)科從匯編、C語言、python開始進(jìn)行授課，教師在學(xué)期中段對(duì)學(xué)生進(jìn)行一次理論筆試和上機(jī)練習(xí)的摸底測(cè)試，根據(jù)筆試和機(jī)試的成績對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組教學(xué)，大致分為三類：①基礎(chǔ)鞏固組;②實(shí)踐提高組;③程序競(jìng)賽組。

基礎(chǔ)鞏固組的學(xué)生由于其學(xué)習(xí)能力較弱，在學(xué)習(xí)過程中可能沒有掌握必要的語法知識(shí)，因此可以根據(jù)程序設(shè)計(jì)課程的教材大綱，以熟練掌握基本語法知識(shí)和培養(yǎng)程序設(shè)計(jì)的邏輯思維能力為教學(xué)目標(biāo)，通過多次上機(jī)操作來鞏固知識(shí)點(diǎn)，提升學(xué)生解決一般計(jì)算問題的程序設(shè)計(jì)能力。

實(shí)踐提高組的學(xué)生一般對(duì)于語法知識(shí)、基本概念都掌握的較好，但是缺乏深入學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，在分析綜合性的程序問題上面存在思路不清的問題，且欠缺創(chuàng)新精神。針對(duì)提高組學(xué)生的這些問題，設(shè)定合理的教學(xué)目標(biāo)，有別于基礎(chǔ)鞏固組進(jìn)行分層化教學(xué)，要求除了將程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)大綱里面的實(shí)踐內(nèi)容完成之外，適當(dāng)增加課外的綜合上機(jī)練習(xí)，結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容優(yōu)化課程體系結(jié)構(gòu)，倡導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)意識(shí)，同時(shí)可以布置綜合性的學(xué)科問題進(jìn)行階段性的加強(qiáng)學(xué)習(xí)。

程序競(jìng)賽組的學(xué)生相對(duì)于前面兩組的學(xué)生在學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)興趣以及學(xué)習(xí)主動(dòng)性上面更有優(yōu)勢(shì)，這類學(xué)生程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)扎實(shí)，邏輯思維以及分析問題、解決問題的能力較強(qiáng)，對(duì)于綜合性的應(yīng)用問題有敏銳的洞察力，能靈活應(yīng)用所學(xué)的學(xué)科知識(shí)點(diǎn)。對(duì)于這類學(xué)生在采用分層化教學(xué)的過程中需要更多的引導(dǎo)其參與到ACM這類高等級(jí)比賽中，更好的發(fā)揮學(xué)生的優(yōu)勢(shì)，在比賽和日常的訓(xùn)練過程中進(jìn)行高強(qiáng)度訓(xùn)練，這樣可以一方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，另一方面也可鍛煉學(xué)生在解決較難問題過程中的耐心和意志品質(zhì)，更加多元化的提升學(xué)生的綜合水平。

分層化的教學(xué)模式能在很大程度上改善學(xué)生不良的學(xué)習(xí)習(xí)慣，分組授課的方式更有利于發(fā)揮學(xué)生自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。除了層次化的教學(xué)模式引入課堂之外，傳統(tǒng)的考核方式也需改進(jìn)。全紙質(zhì)試卷考核方式已不太適用于現(xiàn)在的學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)采用機(jī)試形式，通過OnlineJudge（在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)）平臺(tái)進(jìn)行綜合考試。上機(jī)考試一方面不需要花費(fèi)授課老師太多時(shí)間閱卷和試卷分析，另外一方面做到更快和更合理的考核學(xué)生的編程能力，不局限于考察課本知識(shí)點(diǎn)的記憶能力，更多的考察學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用能力，真正意義上實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。通過OnlineJudge后端的數(shù)據(jù)分析可以專業(yè)化的展現(xiàn)學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的情況，幫助授課教師發(fā)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)盲區(qū)，為后續(xù)課程做好鋪墊。

3.2 程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽課程中CDIO教育理念的引入

CDIO理念由2005年從世界教育領(lǐng)域引入中國，在我國的工程教育模式改革方面提供了借鑒。CDIO教育理念在國內(nèi)的高等院校中得到了迅速的傳播和推廣，并在部分高校中進(jìn)行了試點(diǎn)工作，取得了優(yōu)良的成效。CDIO工程教育理念由Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計(jì)）以及Implement（完成）和運(yùn)作（Operate）組成，在高等教育實(shí)施過程中更注重強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，根據(jù)專業(yè)學(xué)科課程的理論聯(lián)系搭建授課平臺(tái)，讓學(xué)生更多的參與到工程實(shí)踐中來，全面提升學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新開發(fā)能力和綜合素質(zhì)[3]。

將CDIO國際工程教育理念引入程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽課程，以層次化教學(xué)小組為主體，以教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程目標(biāo)為導(dǎo)向，學(xué)科競(jìng)賽為驅(qū)動(dòng)，由此形成一個(gè)閉環(huán)教學(xué)體系，動(dòng)態(tài)地優(yōu)化課程架構(gòu)[6]。

⑴ 團(tuán)隊(duì)教學(xué)，興趣導(dǎo)向

基于CDIO教學(xué)理念，課程設(shè)計(jì)采用ACM團(tuán)隊(duì)競(jìng)賽模式，以三人為一小組，九人為一大組進(jìn)行分層化教學(xué)。ACM競(jìng)賽不僅要求學(xué)生具備足夠的程序設(shè)計(jì)知識(shí)，而且更注重學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和共享，以此為契機(jī)，有利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。授課教師在理論知識(shí)點(diǎn)講解過程中以程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的特定案例為構(gòu)思，循序漸進(jìn)地引入問題中涉及的學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，包括高等數(shù)學(xué)及概率論統(tǒng)計(jì)等相關(guān)理科專業(yè)知識(shí)，這對(duì)于授課教師的能力也有一定的要求。案例講解完，還需設(shè)計(jì)相關(guān)的競(jìng)賽例題來幫助學(xué)生鞏固所學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣。

⑵ 開放環(huán)境，拓展提升

由于一般高校在安排計(jì)算機(jī)類主修課程的過程中，更多考慮的是讓學(xué)生夯實(shí)理論知識(shí)，因而，上機(jī)實(shí)踐課程安排的較少，導(dǎo)致學(xué)生動(dòng)手編寫程序的能力尤顯不足。CDIO教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)踐教育，對(duì)無法在課堂完成的上機(jī)操作內(nèi)容應(yīng)借助于線下平臺(tái)完成，讓學(xué)生能在課余時(shí)間充分發(fā)揮學(xué)習(xí)自主性，將課堂上所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行及時(shí)鞏固和記憶。而授課教師需以程序競(jìng)賽為驅(qū)動(dòng)，布置更貼近生活和生產(chǎn)實(shí)際的趣味性較強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)題，在線下的OnlineJudge系統(tǒng)（自動(dòng)測(cè)評(píng)系統(tǒng)）中提供給學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的內(nèi)容，由此充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。對(duì)待難點(diǎn)，應(yīng)更多的依靠學(xué)習(xí)小組去解決，加深學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。根據(jù)分層化后的不同小組，授課教師依據(jù)課程內(nèi)容的難易程度劃分為基礎(chǔ)語法實(shí)踐課、綜合實(shí)踐課以及競(jìng)賽設(shè)計(jì)實(shí)踐課三大類，分組施教，采用模塊化教學(xué)，引入四步走教學(xué)模式，即“設(shè)計(jì)問題-理論分析-提出方案-實(shí)踐驗(yàn)證”，全面豐富課堂的教學(xué)內(nèi)容，系統(tǒng)化地提升學(xué)生解決實(shí)際問題的邏輯思維能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。

4 結(jié)束語

通過對(duì)基于分層模式的CDIO教育理念在程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽課程中的理論和應(yīng)用研究，我校已取得了較好的研究經(jīng)驗(yàn)和成果，在2018-2019年上海市以及全國各大程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽中取得了多項(xiàng)一等獎(jiǎng)，且計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生在科研方面也取得了一定的創(chuàng)新成果。以此為契機(jī)，今后我校將進(jìn)一步加大學(xué)科競(jìng)賽與日常教學(xué)相互結(jié)合的師資投入，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)類課程體系，建設(shè)特色學(xué)科課程群，以專業(yè)人才培養(yǎng)為導(dǎo)向，以專業(yè)學(xué)科理論知識(shí)為補(bǔ)充，以提高學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，加強(qiáng)師生之間以及學(xué)生之間的交流與溝通，爭(zhēng)取進(jìn)一步提升課堂教學(xué)效果。

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