C 語言程序設(shè)計課程的金課建設(shè)實踐

李 薇，黑新宏，王 磊,2

（1.西安理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.陜西理工大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723001）

0 引言

目前，由于關(guān)鍵環(huán)節(jié)核心技術(shù)、中央處理器、操作系統(tǒng)均受制于發(fā)達國家，從而導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)做不出高端設(shè)備，只能實現(xiàn)一些低端化和空心化的應(yīng)用[1]。美國分別于2018 年4 月16 日和2019 年5 月16 日引發(fā)的中興事件和華為事件，對我國制造業(yè)發(fā)展產(chǎn)生較大影響。通過自主創(chuàng)新，中興已經(jīng)掌握了很多核心技術(shù)，但是一些高端新產(chǎn)品仍然依賴于發(fā)達國家，核心技術(shù)、關(guān)鍵零部件依然是企業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)；在華為主打產(chǎn)品智能手機業(yè)務(wù)中，基帶芯片使用近10%來自于美國高通公司的專利?！爸信d、華為”事件一方面表明要想在國際舞臺上擁有更多的話語權(quán)和主動權(quán)，就必須打造自身的核心競爭力；另一方面真實反映了我國計算機專業(yè)高等教育的現(xiàn)狀，即所培養(yǎng)的學(xué)生缺乏基于使命和技術(shù)的系統(tǒng)能力、創(chuàng)新能力。

1 建設(shè)金課的意義

隨著精英高等教育轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟊娖占敖逃?，生源質(zhì)量受到了一定的影響；計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為學(xué)生學(xué)習(xí)和生活的重要組成部分。當代學(xué)生的特點是視野開闊、充滿自信、獨立性強、個性鮮明，能快速接受新事物；缺點是學(xué)習(xí)動機不明確、缺乏學(xué)習(xí)動力、自我約束能力弱、自學(xué)能力弱、缺乏探索和研究能力，沉迷于手機、社交網(wǎng)絡(luò)、短視頻、電子競技游戲、直播等，是互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的原住民。面對這種現(xiàn)狀，如何改革與創(chuàng)新計算機教育，培養(yǎng)具有高度競爭力的人才，是教育領(lǐng)域研究的熱點問題。

教育部高教司司長吳巖[2]指出，課程是人才培養(yǎng)的核心要素，是體現(xiàn)“以學(xué)生發(fā)展為中心”理念的“最后一公里”。在新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議上，陳寶生部長指出本科教學(xué)要合理提高課程難度，拓展課程深度，提升學(xué)生學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度。《教育部在關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》中指出，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量，高等院校要全面開展一流本科課程建設(shè)，樹立課程建設(shè)新理念，推進課程改革創(chuàng)新，實施科學(xué)課程評價；要讓課程優(yōu)起來、教師強起來、學(xué)生忙起來、效果實起來。因此，對課程進行探索與創(chuàng)新，淘汰“水課”，打造“金課”，對學(xué)生思維能力培養(yǎng)、解決復(fù)雜問題的綜合能力培養(yǎng)和系統(tǒng)能力培養(yǎng)都具有重要的意義。

2 C語言程序設(shè)計金課建設(shè)教學(xué)模式探索

“金課建設(shè)”是指建設(shè)國家級一流課程和省級一流課程，包括具有“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”的線上、線下、線上線下混合式、虛擬仿真和社會實踐各類型課程。高階性是指通過知識、能力、素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。創(chuàng)新性是指課程內(nèi)容要反映前沿性和時代性，教學(xué)形式呈現(xiàn)先進性和互動性，學(xué)習(xí)結(jié)果具有探究性和個性化。挑戰(zhàn)度是指課程具有一定難度，需要跳一跳才能夠得著。C 語言程序設(shè)計課程是一門實踐性很強的課程，也是本科生接觸的第一門程序設(shè)計課程。這門課程將培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力、數(shù)據(jù)分析能力、問題求解能力和基本編程能力，不僅為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)，也為培養(yǎng)學(xué)科交叉人才奠定堅實的基礎(chǔ)[3]。

2.1 錘煉課程內(nèi)容，提升課程內(nèi)涵

圖1 課程內(nèi)容設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)

課程內(nèi)容不是一個個分散的知識點，而是圍繞一條主脈絡(luò)、主線索組織教學(xué)內(nèi)容。以C 語言為載體，程序設(shè)計的基本方法和思想如圖1 所示，主要內(nèi)容有基本知識、程序設(shè)計和數(shù)據(jù)組織3 部分。首先，在介紹課程背景和發(fā)展時，引入當前最新科技發(fā)展，使課程內(nèi)容具有前沿性和時代性，如華為技術(shù)有限公司研發(fā)的面向未來的鴻蒙操作系統(tǒng)，讓學(xué)生明白C 語言是執(zhí)行效率最高的高級語言，操作系統(tǒng)的關(guān)鍵代碼都是用C 語言編寫的。其次，采用深度優(yōu)先策略，由淺入深組織課程內(nèi)容。為了讓學(xué)生樹立計算思維意識，介紹計算機科學(xué)的“計算”與數(shù)學(xué)的“計算”的差異，引出程序與計算系統(tǒng)的關(guān)系。第三，介紹高級語言，怎樣用程序求解問題，從問題引出算法再引出程序，從而讓學(xué)生對課程知識建立深度認識。第四，采用要素優(yōu)先策略組織課程內(nèi)容，如程序設(shè)計部分包括常量與變量、表達式、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、模塊化程序設(shè)計（函數(shù)）、遞歸程序設(shè)計、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計等；數(shù)據(jù)組織部分包括批量數(shù)據(jù)組織（數(shù)組）、表單數(shù)據(jù)組織（結(jié)構(gòu)體）、外部數(shù)據(jù)組織（文件）和指針等數(shù)據(jù)存儲形式。最后，采用深度優(yōu)先和廣度優(yōu)先相結(jié)合策略，以經(jīng)典案例驅(qū)動方式組織教學(xué)內(nèi)容，促進學(xué)生主動思維，培養(yǎng)其邏輯思維、計算思維方式；引入專業(yè)案例，促進學(xué)生在思維層面的聯(lián)想與創(chuàng)新，實現(xiàn)計算思維與專業(yè)思維的有效融合、能力構(gòu)建的層次性，進而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高階復(fù)雜性思維技能。

2.2 創(chuàng)新教學(xué)方法，提高綜合能力

研究表明[2]，大學(xué)課堂教學(xué)具有五重境界：①寂靜，課堂上教師熱火朝天地講，學(xué)生鴉雀無聲，睡、看手機、發(fā)呆，互不干擾，一片祥和；②問答，教師提出一些非常簡單的問題，學(xué)生只是回答對不對？是不是？這只是一種機械的、形式上的互動；③對話，教師針對授課內(nèi)容與學(xué)生進行討論、交流，學(xué)生講述自己對問題的理解；④ 批判，批評質(zhì)疑，教師營造討論氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑能力；⑤辯論，課堂上學(xué)生之間、學(xué)生與教師有爭論、爭辯，甚至爭吵，學(xué)生對教師講解的知識有自己的見解。在寂靜的課堂上，學(xué)生循規(guī)蹈矩，只是記憶、掌握知識，不能靈活運用知識；在批判或者辯論的課堂上，學(xué)生通過獨立思考，敢于批評、質(zhì)疑教師講解的知識，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。第一重境界、第二重境界屬于低階課堂；第三、第四和第五重境界屬于高階課堂。低階課堂是水課的一種形式，即低階層次教學(xué)[4]，學(xué)生掌握的是低階知識，培養(yǎng)的是低階思維，形成的是低階能力。如何構(gòu)建高階課堂，讓學(xué)生能夠與教師進行積極互動，能夠批評質(zhì)疑教師所講授的知識，進而形成高階思維，培養(yǎng)學(xué)術(shù)的高階能力？可以采用“能力驅(qū)動+知識融合+興趣培養(yǎng)”的個性化發(fā)展教學(xué)理念，通過“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)形式，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣與動力，使學(xué)生能夠探索并解決復(fù)雜專業(yè)問題，進而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。

以C 語言程序設(shè)計課程第五章函數(shù)的教學(xué)內(nèi)容為例，在線上學(xué)習(xí)階段，教師首先制定一個能清楚展示學(xué)生學(xué)習(xí)成果的學(xué)習(xí)藍圖，即學(xué)生取得的學(xué)習(xí)成果是什么？根據(jù)預(yù)期的學(xué)習(xí)成果設(shè)計問題，問題見表1。在授課之前，將設(shè)計的問題發(fā)給學(xué)生。學(xué)生通過觀看教學(xué)視頻、查閱相關(guān)資料等方式進行自主學(xué)習(xí)，完成老師所布置的任務(wù)，記錄有疑問的知識點。

表1 函數(shù)問題示例

在課堂教學(xué)中，如果單一地講解概念，學(xué)生不僅覺得枯燥，而且會有“只見樹木不見森林”的感覺，因此，可以在課堂教學(xué)中采用多元化教學(xué)方法。

（1）串聯(lián)多方面知識，采用啟發(fā)教育模式。例如，在講解函數(shù)的性質(zhì)和作用時，首先從“圖書借閱”入手，通過講解借閱圖書的過程，使學(xué)生明白輸出圖書信息、查找圖書、借書、還書等操作，其本質(zhì)都是一些獨立的模塊，每個模塊完成一定的問題求解；其次，進一步介紹圖書管理系統(tǒng)是一個復(fù)雜問題，包括圖書的錄入、刪除、查找、借書、還書等功能，很難直接實現(xiàn)。一個復(fù)雜的問題通常是由若干個比較簡單的問題構(gòu)成，為了解決這個復(fù)雜問題，可以把它分解為若干個較小的、簡單的部分，即“模塊劃分”，每一個模塊對應(yīng)一個函數(shù)；同時，引出在程序設(shè)計時，先考慮總體目標、后考慮局部目標的“自頂向下、逐步求解”的設(shè)計理念；最后，講解調(diào)用函數(shù)的過程。調(diào)用者將傳遞給函數(shù)的參數(shù)一一壓棧，函數(shù)建立自己的棧幀，為局部變量和可能用到的臨時變量分配空間，調(diào)用并執(zhí)行函數(shù)；函數(shù)執(zhí)行完后將程序控制權(quán)返回到調(diào)用者，整個函數(shù)調(diào)用結(jié)束。通過事例引出問題，再到如何實現(xiàn)，形成具有啟發(fā)性的教學(xué)，使學(xué)生理解和掌握用計算機解決復(fù)雜問題的方法，實現(xiàn)由知識傳授到思維培養(yǎng)。

（2）采用翻轉(zhuǎn)課堂，增加師生互動，促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)成效。學(xué)習(xí)效果金字塔理論指出[5]，如果學(xué)生用被動地聽教師講授、閱讀、演示等手段進行學(xué)習(xí)，這種被動學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)成效只能達到30%左右；如果讓學(xué)生參與討論、教授他人等主動學(xué)習(xí)，其學(xué)習(xí)成效最高達到90%。課堂教學(xué)主要分為3 個教學(xué)活動：秀成果、提問—研討、答疑解惑。首先，檢查學(xué)生MOOC學(xué)習(xí)成果，即“秀成果”，針對教師布置的任務(wù)，每個小組選派1 個代表展示其學(xué)習(xí)成果，重點講解自己的設(shè)計思路和算法原理，從而展現(xiàn)本小組的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)深度。其次，其他學(xué)生進行提問，在提問過程中，一方面學(xué)生能清楚地認識到自己的知識漏洞；另一方面，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、討論、交流、研究，從認識知識到消化知識，培養(yǎng)學(xué)生的探究習(xí)慣和研究能力。最后，教師對學(xué)生存在的問題進行答疑解惑，并對重點、難點知識進行講解、總結(jié)，保證學(xué)生知識的系統(tǒng)性和連貫性，加深學(xué)生對知識的理解與應(yīng)用。

3 C語言程序設(shè)計金課建設(shè)實踐案例及效果

為了檢驗C 語言程序設(shè)計課程的教學(xué)效果，筆者選擇了2 個專業(yè)的學(xué)生，分別進行“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式和傳統(tǒng)教學(xué)模式，并在教學(xué)過程中分3 個階段對學(xué)生進行測試?；A(chǔ)階段測試的內(nèi)容是基礎(chǔ)知識、常量、變量和表達式、順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)，8 道題目（80分），主要考核學(xué)生對知識的理解、掌握程度；算法思維階段測試的內(nèi)容是循環(huán)結(jié)構(gòu)、函數(shù)和數(shù)組，9 道題目（90 分），考核學(xué)生對知識的掌握和編程能力；第3 階段即期末測試（100 分），考核學(xué)生對知識的理解、應(yīng)用和綜合能力。采用“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式和傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)生在3 個階段學(xué)習(xí)成果評價對比如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)教學(xué)模式和“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式學(xué)習(xí)成果評價對比

圖2 表明，在基礎(chǔ)知識與技能方面，傳統(tǒng)教學(xué)模式方式下學(xué)生對知識的掌握比“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的學(xué)生掌握程度好。這是因為基礎(chǔ)測試主要是測試學(xué)生對C 語言的基本概念的理解和掌握程度，傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師的講授為主，詳細的講解有助于學(xué)生理解、記憶知識，此外，這一部分的程序測試比較簡單，主要考查學(xué)生的基本編程能力?！癕OOC+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式要求學(xué)生先看視頻進行自學(xué)，然后在課堂上進行討論，最后教師對重點、難點知識進行講解。個人學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生，通過自主學(xué)習(xí)、課堂討論、教師講授等過程，能夠掌握程序設(shè)計的基礎(chǔ)知識，并具有編寫基本程序的能力；反之，個人學(xué)習(xí)能力弱的學(xué)生，由于未能適應(yīng)這種教學(xué)模式，因此基礎(chǔ)知識掌握不扎實，且編程能力弱。算法思維階段不僅檢測知識的掌握程度，還有能力考核。采用“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的學(xué)生成績略高于采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)生成績。這是因為經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)，采用“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的學(xué)生已經(jīng)適應(yīng)了這種教學(xué)模式，學(xué)習(xí)能力、計算思維能力和問題求解能力逐步增強。期末測試結(jié)果表明，“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式通過線上學(xué)習(xí)、串聯(lián)多方面知識、啟發(fā)教育模式、翻轉(zhuǎn)課堂等方式，引導(dǎo)學(xué)生將知識內(nèi)化為經(jīng)驗、能力，提高了學(xué)生數(shù)據(jù)分析能力、編程能力、復(fù)雜問題求解能力和獨立研究能力，因此采用“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的學(xué)生學(xué)習(xí)成果比采用傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)生學(xué)習(xí)成果有了顯著提高。

4 結(jié)語

金課不是客觀知識的搬運工，必須具有高階性，即培養(yǎng)學(xué)生的實證思維、邏輯思維和計算思維，實現(xiàn)知識、能力和素質(zhì)的有機融合。必須實現(xiàn)創(chuàng)新性，即發(fā)掘?qū)W生潛質(zhì)，激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)生能力，成就學(xué)生價值；必須具有挑戰(zhàn)度，即課程要具有難度、深度和廣度；筆者通過錘煉課程內(nèi)容和創(chuàng)新教學(xué)模式，探索并實現(xiàn)了C 語言程序設(shè)計課程金課建設(shè)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生在形成計算思維的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)了探究能力、編程能力和解決復(fù)雜問題的求解能力，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ)。