“新工科”背景下以計算思維能力培養(yǎng)為導向的《程序設計》課程教學改革

田紅磊　李傳秀　鐘敏

【摘要】“新工科”是新科技、新產業(yè)、新經(jīng)濟背景下高等工程教育改革的重大戰(zhàn)略部署，強調學科之間的交叉與融合、協(xié)作與共享。在“新工科”建設中，如何面向非計算機專業(yè)學生開展計算思維能力的培養(yǎng)是《程序設計》課程教學的首要問題。針對“新工科”的主要特點，在分析《程序設計》課程教學現(xiàn)狀的基礎上，對《程序設計》課程教學改革進行了探討。

【關鍵詞】新工科? 計算思維? 程序設計

【中圖分類號】G642? ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）08-0056-03

1.“新工科”與“計算思維”

2006 年，美國卡內基梅隆大學的周以真教授在計算機權威雜志上發(fā)表了一篇標題為“Computational Thinking”的論文，對計算思維進行了詳細的論述和分析。她認為，計算思維就是運用計算機科學的概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。這一概念一經(jīng)提出，獲得了國內外學者的廣泛關注，越來越多的專家學者認識到“計算思維”的重要性，將其與理論思維、實驗思維并列為人類認識和改造世界的三種思維方式之一。

2017 年 2 月，教育部高等教育司《關于開展新工科研究與實踐的通知》以高等工程教育要適應國家面臨新時代新經(jīng)濟的發(fā)展為依據(jù)，從工程教育新理念、學科專業(yè)新結構、人才培養(yǎng)新模式、教育教學新質量和分類發(fā)展新體系五個方面界定了“新工科”的“新”內容，表明“新工科”建設就是要培養(yǎng)人工智能、智能制造、“互聯(lián)網(wǎng)+制造”、機器人、云計算與大數(shù)據(jù)等方面的跨學科、跨專業(yè)的新型人才[2]’。隨著“新工科”建設的深入開展，各學科的發(fā)展對計算機的需求與日俱增，特別在高端交叉學科的人才培養(yǎng)上，計算思維的培養(yǎng)更是至關重要。因此，計算思維不僅是計算機專業(yè)的學生必不可少的，也是非計算機專業(yè)的學生必須具備的思維能力[3]。

《程序設計》課程作為“新工科”體系中較活躍的課程之一，在“計算思維”學術層面詮釋了學科交叉、專業(yè)融合的理念。如何引導非計算機專業(yè)的學生學習、理解、掌握和應用計算思維，是“新工科”建設中《程序設計》課程建設的重要問題。因此，探索更科學的教學模式、教學設計，以及科學的實施教學過程，成為《程序設計》課程改革的重要任務。

2.《程序設計》課程教學現(xiàn)狀

目前，《程序設計》課程在傳統(tǒng)教學模式下以“知識點”為教學重點的填鴨式教學方法取得了較好的效果，也得到了學生的認可，但是在新工科背景下，以“計算思維”能力培養(yǎng)為導向的《程序設計》課程仍面臨著巨大的問題與挑戰(zhàn)，以我校為例主要存在以下問題：

（1）教學模式以教師講授為主，不利于學生獨立思考能力的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的教學模式中，教師是課堂的主導、知識的傳播者，學生只是機械地接受，不是主動學習，忽視了學生的認知主體作用，不利于學生的獨立思考能力的培養(yǎng)。而且在傳統(tǒng)的教學模式中，學生較少參與到教學活動中，課堂氣氛活躍度較低，學生在這樣的課堂中對課程的學習興趣逐漸消失。

（2）教學內容重語法輕思維，不利于學生編程思維的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的教學模式中，教學內容過分注重語法知識的講解，輕視了算法設計、邏輯思維和編程方法等編程能力的培養(yǎng)，大多數(shù)學生能夠掌握語法知識點，但是在實踐課中感到實驗難度大，存在“聽得懂，編不出”的問題，還有部分學生能夠把課本上的例題調試好，但是自己編程解決問題感覺無從下手，沒有真正掌握計算機編程的思維。

（3）實踐教學重結果輕過程，不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

實踐課中教師布置實驗任務時，基本上統(tǒng)一安排實驗任務，沒有考慮學生的個性化差異。這樣的教學方式?jīng)]有針對性，既使得能力較差的同學總是無法完成任務、失去學習熱情和信心，也使基礎好的同學能力得不到體現(xiàn)、無法進一步提高。同時在實踐課中對于一道題，學生只要能夠編程輸出正確結果就可以了，但是學生是用什么方法做的，教學中沒有重視，這使得學生做題不關心有多少種解決問題的方案、哪一種方案最優(yōu)。這種實踐教學方式既不能全面展現(xiàn)學生對知識的運用能力，更不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

（4）單一的筆試考核形式，缺乏對教學過程有效的反饋和編程能力的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的教學模式中，考核形式采用單一的筆試考試，忽略學生的學習過程，更多的只看學生的最終考試結果。僅憑期末一張試卷檢驗學習效果，成績獲得的偶然性大，學生易養(yǎng)成“臨時抱佛腳”的學習習慣。以紙質試卷的筆試考試形式，早期對語法等死記硬背的內容的考核占據(jù)較大比重，主要以選擇、填空形式為主，卷面筆試等于紙上談兵，無法真正考核學生實踐能力尤其是編程能力及程序調試能力，最終的考試成績很難科學、真實地反映出學生對所學知識的掌握及應用程度，學生的思維、創(chuàng)新能力也反映不出來。

3.《程序設計》課程教學改革

在“新工科”背景下，針對《程序設計》課程存在的問題，圍繞“以計算思維能力培養(yǎng)”為導向，利用信息化輔助教學工具設計混合式教學[4]對課程進行改革，如圖1所示，讓學生在“輸出”與“實踐”中學習編程，掌握《程序設計》課程的精髓——“計算思維”。

（1）混合式教學模式，培養(yǎng)學生的獨立思考能力

打破傳統(tǒng)教學模式，結合傳統(tǒng)課堂與網(wǎng)絡課堂設計混合式教學模式，教學活動分為課前、課中、課后。課前階段主要通過線上學習，掌握基本知識;課中階段組織學生實踐與討論，鞏固基本知識，加強對所學知識的實踐應用，提高學生的編程能力;課后階段結合線上與線下所學內容進行綜合提高，結合專業(yè)加強學生計算思維能力的培養(yǎng)。學生在教師的引導下，課前完成知識的自主學習，課堂變?yōu)閹熒g互動交流的場所，包括答疑解惑、知識的運用和拓展等，課后變成對知識的進一步提高，整個教學過程均培養(yǎng)了學生獨立思考的能力，達到更好的教育效果。

為了加強計算思維能力的培養(yǎng)，重構教學內容，培養(yǎng)學生的編程能力，以與專業(yè)相關的案例組織教學內容，因此打破程序設計傳統(tǒng)語法的界限，將語法知識點分散到案例中，將課程內容劃分為三部分：基礎知識、案例導教、知識拓展，分別在課前、課中、課后學習。

課前學生通過線上自主學習基礎知識，兼有傳統(tǒng)教學的課前預習和課堂教學的一些功能，教師課前把相關的學習資料上傳到教學平臺上，學習資料包括基礎知識點與經(jīng)典案例的微視頻、單元測驗等，學生可以根據(jù)自己的學習進度學習相應的資料，最終完成單元測驗進行自我考核，有問題可以通過平臺或課程答疑群與教師交流，教師通過平臺全面收集學生自主學習的反饋信息，了解學生對相關學習資料的吸收和掌握情況，增強信息反饋教學的指導力度，更新和完善線下教學內容。

課中主要通過線下教學進行，教學內容主要是案例教學，以討論、實踐為主，有探究學習、小組合作、交流討論、成果展示等，圍繞學生課前任務階段的生成性問題展開，提出一個新穎的、能吸引學生注意力的案例，案例與專業(yè)問題相結合。例如在對通信專業(yè)學生進行教學時，可以利用奇偶校驗碼的原理變一個魔術，讓學生在好奇心的驅使下，既掌握二維數(shù)組的使用，又學習專業(yè)知識。然后從案例中歸納出問題，引導學生思考并進行討論，讓盡量多的學生參與到討論中，教師的主要作用是將學生向解決方案上引導。線下教學采用信息化工具雨課堂，教師在電腦端和手機端安裝雨課堂，學生在手機端安裝雨課堂，這樣，教師上課的整個資料將會在學生和教師的手機雨課堂中保存，學生隨時隨地可以查看上課的全部資料，有問題隨時可以與教師交流，為教學更好地進行提供了支持。

課后鞏固拓展，通過歸納課堂教學活動時出現(xiàn)的問題和發(fā)現(xiàn)的新思路、新想法，將完善后的課件和學習資源再次發(fā)布到平臺上，幫助學生鞏固知識，同時分層次設計一些具有挑戰(zhàn)性的與專業(yè)相關的任務和小組任務，激勵不同水平的學生進行自我挑戰(zhàn)，以此達到循環(huán)、拓展和拔高的效果。

（2）分層次的實踐教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

為了適應不同層次的學生的特點，通過增加不同難度的實驗題目構建基礎型、設計型、探究型三個層次的實驗教學內容，盡可能讓不同層次的學生在程序設計課程過程中都有所付出、有所收獲。

基礎型實驗題目設置明確的知識屬性，突出重要的知識點，學生根據(jù)知識點的重要性進行基于知識點的實驗題目練習;設計型實驗題目包涵多個知識點，對實驗題目進行算法屬性分類，突出比較常用的算法，增加知識的廣度;探究型實驗題目精選帶有創(chuàng)新型的題目，包含多個知識點、多個算法，主要用于培養(yǎng)學生解決實際問題的能力、計算思維能力，學習能力較強、基礎相對較好的學生根據(jù)自己的情況挑戰(zhàn)探究型的題目，增加知識深度的掌握。

在實踐教學過程中，建立學習小組，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力及團隊協(xié)作精神。建立學習小組，小組內有問題分歧時，學生進行討論，教師把組內討論學生的活躍度作為平時考核的指標，這可以大大提高學生的自主學習能力。同時針對同一個實驗任務，鼓勵學生使用不同的方法來實現(xiàn)，然后小組能進行講解、評價，從而培養(yǎng)學生計算思維的多樣性和創(chuàng)新性。

（3）分階段、累加式考評體系，培養(yǎng)學生的綜合能力

《程序設計》課程以國內外先進的教學理論為指導，采用過程性評價和終結性評價相結合的分階段、累加式考評體系，如圖2所示，從知識、思維、能力等多個方面考核學生，著重考核學生的實際工作能力、團隊合作能力和創(chuàng)新意識，考核方式與培養(yǎng)目標相結合，主要評價在相應的培養(yǎng)目標下學生的學習達成度情況。

形成性評價的具體方式與課程學習任務的安排相配套。課前任務階段，學生通過在線測試、在線作業(yè)、交流反思等環(huán)節(jié)對知識點的掌握進行自我評價和同伴互評。課堂教學環(huán)節(jié)，主要是針對學習成果展示和課堂表現(xiàn)進行綜合評價。課堂表現(xiàn)主要基于課堂發(fā)言、研討的數(shù)量和質量、出勤率等指標進行學生自評、同伴互評和教師評價。課后拓展環(huán)節(jié)，老師基于每個同學的個體差異進行差異性評價，使每個學生在知識、能力和素質方面得到持續(xù)性發(fā)展。終結性評價包括章節(jié)測驗成績、期末考試成績，由基于 Moodle 開發(fā)的“知碼開門”和ACM Online Judge的在線評測模塊給出，該過程不再是傳統(tǒng)的對知識概念的考核，真正考核了學生對所學知識的靈活運用能力和綜合處理問題能力。

推行分階段、累加式成績考核方法的核心和目標是通過成果引導學生學會自主學習、訓練知識應用能力，激發(fā)創(chuàng)新意識，提升創(chuàng)新能力，特別重視學生個人預期與最終預期之間的差異，擺脫傳統(tǒng)教學固有的“標準化”的狀況，強調個性化、多元化，充分發(fā)揮個體的優(yōu)勢，這一過程對于學生的綜合考核具有一定的實際意義，也從某種方面上刺激學生主動學習。

4.總結

本文以計算思維能力培養(yǎng)為導向探究《程序設計》課程的教學改革，從教學模式、教學設計、實驗體系、考核方式四個方面對課程進行了改革，以更適合在“新工科”背景下實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才培養(yǎng)目標。

參考文獻：

[1]周以真.計算思維[J].中國計算機學會通訊，2007（3）：83-85.

[2]教育部高教司.關于開展新工科研究與實踐的通知[EB/ OL].（2017-2-20）[2018-5-20].http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201702/t20170223_297158.html.

[3]王立松，潘梅園，朱敏.新工科”背景下非計算機專業(yè)的計算思維教學思考[J].工業(yè)和信息化教育，2018（9）：28-32.

[4]李曉紅.翻轉課堂在計算機程序設計類課程中的應用探究[J].教學園地，2014（18）：29-31.

作者簡介：

田紅磊（1980年-），女，山東濰坊人，講師，工學碩士，從事大學計算機、程序設計語言教學研究。