強(qiáng)化計(jì)算思維培養(yǎng)的“軟件開發(fā)技術(shù)”課程改革

高枚 王睿智 叢培盛

摘? 要： “軟件開發(fā)技術(shù)”課程是為理工類非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的公共基礎(chǔ)課。為適應(yīng)新時(shí)期人才培養(yǎng)需求，需要對原有的以傳授計(jì)算機(jī)理論知識為主的教學(xué)內(nèi)容和單一的教學(xué)模式進(jìn)行改革。針對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的特點(diǎn)，提出以強(qiáng)化計(jì)算思維和應(yīng)用能力培養(yǎng)為目標(biāo)的改革方向，詳細(xì)探討了新的課程知識體系構(gòu)建、教學(xué)內(nèi)容的組織實(shí)施，以及過程化考核方法。教學(xué)實(shí)踐表明，改革提升了學(xué)生對課程的興趣，促進(jìn)了學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力的提高。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算思維; 應(yīng)用能力; 軟件開發(fā)技術(shù); 過程化考核

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）12-84-03

Abstract： "Software Development Technology" is a public basic course for non-computer students majoring in science and engineering. To meet the needs of talent cultivation in the new era， it is necessary to change the teaching content which mainly consists of theoretic computer knowledge and the unitary teaching mode. According to the characteristics of computer basic teaching， this paper proposes the reformation objective of enhancing computational thinking and application ability cultivating， discusses in detail the construction of new course knowledge system， the organization and implementation of the teaching content， and the process assessment method. The teaching results suggest that the reform improves the students' interest in the course and their application and innovation ability.

Key words： computational thinking; application ability; software development technology; process assessment

0 引言

“軟件開發(fā)技術(shù)”課程在我校已有二十余年的開設(shè)歷史。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)與其他專業(yè)的融合日益深入，各專業(yè)對學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)目標(biāo)都已無法適應(yīng)新時(shí)期人才培養(yǎng)的需要，課程改革勢在必行。本文將從教學(xué)目標(biāo)、課程知識體系、內(nèi)容組織實(shí)施及考核等方面對課程教學(xué)改革進(jìn)行具體介紹。

1 教學(xué)目標(biāo)和課程內(nèi)容體系

1.1 以計(jì)算思維為導(dǎo)向定位教學(xué)目標(biāo)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速更新?lián)Q代是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)始終面臨的挑戰(zhàn)。雖然計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，但仍然需要教授一些相對穩(wěn)定的、基礎(chǔ)性的以及讓學(xué)生長期受益的內(nèi)容 [1]。而計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中所蘊(yùn)含的計(jì)算思維的思想和方法則不會隨著技術(shù)的換代而過時(shí)，這些正是穩(wěn)定的、能使學(xué)生長期受益的“授人以漁”的方法，是信息世界普適、通用的思維方式。隨著工程實(shí)踐的復(fù)雜化、系統(tǒng)化和社會化，這些可遷移的“通用能力”在工程人才的能力結(jié)構(gòu)中將會占據(jù)更加重要的地位[2]。因而，我們根據(jù)“軟件開發(fā)技術(shù)”課程在整個(gè)公共基礎(chǔ)課程體系中的定位，將面向應(yīng)用的計(jì)算思維能力培養(yǎng)確立為主要教學(xué)目標(biāo)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的如下能力。

⑴ 培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行問題求解、數(shù)據(jù)抽象描述與表達(dá)的能力;

⑵ 培養(yǎng)學(xué)生對應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行需求分析、總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的能力;

⑶ 培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決本專業(yè)問題的應(yīng)用創(chuàng)新能力;

1.2 重構(gòu)課程內(nèi)容體系，突出計(jì)算思維和應(yīng)用能力培養(yǎng)

對知識的興趣的第一個(gè)源泉、第一顆火星，就在于教師對上課時(shí)要講的教材和要分析的事實(shí)所抱的態(tài)度[3]。過時(shí)、落后的教學(xué)內(nèi)容無疑會扼殺學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，只有保持教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性，才能吸引學(xué)生對課程產(chǎn)生興趣。為此，我們編寫的教材從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)重構(gòu)課程內(nèi)容體系。新內(nèi)容體系舍去泛泛而談、一般性了解的內(nèi)容，如操作系統(tǒng)、軟件工程等計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)知識;突出了更具應(yīng)用價(jià)值、利于提高學(xué)生軟件開發(fā)能力的相關(guān)內(nèi)容。如圖1所示。

新內(nèi)容體系主要包括三大知識模塊：面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用開發(fā)技術(shù)。在三大知識模塊之上，通過一個(gè)基于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例將幾部分內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提升學(xué)生掌握知識的層級。即，由知識的學(xué)習(xí)和理解上升到運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的高度，突出了應(yīng)用能力培養(yǎng)的目標(biāo)。為保證技術(shù)與工具的先進(jìn)性，課程選用C#為語言工具，以VS.NET和SQL SERVER數(shù)據(jù)庫為實(shí)踐平臺[4]。

2 內(nèi)容組織與教學(xué)實(shí)施

通過教學(xué)實(shí)踐我們認(rèn)識到：學(xué)生對課程興趣的持久化源于在學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)能力所及前提下獲得感的不斷被滿足。為此，在教學(xué)內(nèi)容的組織和實(shí)施中我們力求兼顧學(xué)生的興趣和能力設(shè)計(jì)教學(xué)，以保證教學(xué)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

2.1 以應(yīng)用為目標(biāo)選取教學(xué)內(nèi)容

非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)不同于計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性，主要目標(biāo)是讓學(xué)生獲得一種今后可以更好地利用計(jì)算機(jī)解決專業(yè)領(lǐng)域相關(guān)問題的計(jì)算思維能力。而“軟件開發(fā)技術(shù)”課程是基礎(chǔ)教學(xué)三層次中應(yīng)用層次的課程，其教學(xué)內(nèi)容相較于同一層次的其他課程來說更加寬泛，涉及計(jì)算機(jī)專業(yè)的幾門核心課程。怎樣將多門課程的內(nèi)容有效組織在容量有限的一門課程里呢？如何取舍是關(guān)鍵。

我們圍繞軟件應(yīng)用開發(fā)這條主線，以應(yīng)用為目的進(jìn)行內(nèi)容選取。根據(jù)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的特點(diǎn)和非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生能力，舍去與應(yīng)用關(guān)系不大泛泛而論的內(nèi)容，而與某一領(lǐng)域更深層應(yīng)用相關(guān)的內(nèi)容也不宜組織在教材中，但會在授課時(shí)給學(xué)生一些引導(dǎo)，使其在需要的時(shí)候，通過自主學(xué)習(xí)掌握相關(guān)內(nèi)容。這樣選取組織內(nèi)容，使得所有知識模塊皆圍繞應(yīng)用開發(fā)的目標(biāo)展開，主線明確，形散神聚。

2.2 理論與實(shí)踐相互支撐，螺旋上升開展教學(xué)實(shí)施

為降低學(xué)生感知上的難度，同時(shí)不斷有驚喜的獲得感，持久化學(xué)習(xí)興趣，我們力求做到各知識模塊的理論知識與開發(fā)實(shí)例的實(shí)踐應(yīng)用相互支撐，相互促進(jìn)，螺旋上升組織教學(xué)。

⑴ 按what-why-how順序遞進(jìn)組織內(nèi)容

面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)涉及大量抽象概念，如果在這一相關(guān)模塊集中鋪陳介紹這些概念，學(xué)生很難理解，也會因此喪失學(xué)習(xí)興趣。為此，我們按照“what-why-how”的邏輯順序分階段展開這些概念。首先讓學(xué)生快速建立起面向?qū)ο蟮乃季S框架，即這是一種什么樣的框架。在這個(gè)模塊中只需先掌握這種框架下最基礎(chǔ)、最核心的概念及其表達(dá);隨后，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊中通過對框架的反復(fù)運(yùn)用達(dá)到對這種思維框架的熟練掌握;再后，結(jié)合開發(fā)實(shí)例模塊對為什么用、如何用一些難點(diǎn)概念和特殊方法解決實(shí)際問題再做更深入具體的介紹。比如，對特殊的訪問權(quán)限、靜態(tài)類、靜態(tài)方法這些較難抽象理解的概念結(jié)合應(yīng)用介紹，就會使學(xué)生對概念的認(rèn)識不僅能做到知其然，還能理解其所以然。

⑵ 從抽象到具體展開數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊，深入理解計(jì)算思維本質(zhì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用最能體現(xiàn)計(jì)算思維的運(yùn)用，因?yàn)橛?jì)算思維的本質(zhì)就是抽象和自動(dòng)化，而通過數(shù)據(jù)抽象建立數(shù)據(jù)的對象模型恰恰就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要解決的問題。在這一模塊中，我們首先利用ADT建立數(shù)據(jù)對象模型，使學(xué)生從抽象的頂層認(rèn)識某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);然后再結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以理解問題求解的算法;在對常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在邏輯已經(jīng)熟練掌握的前提下，再通過實(shí)用類的應(yīng)用簡化程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。這樣逐步使學(xué)生能駕馭的程序規(guī)模不斷擴(kuò)大、應(yīng)用能力不斷增強(qiáng)，學(xué)習(xí)過程中不斷體驗(yàn)獲得感。通過這個(gè)知識模塊的訓(xùn)練，強(qiáng)化了學(xué)生問題抽象、建模，進(jìn)行遞歸思維和折衷處理等計(jì)算思維能力。

⑶ 以應(yīng)用開發(fā)為目標(biāo)組織數(shù)據(jù)庫模塊

“數(shù)據(jù)庫”作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門核心課程，其理論內(nèi)容非常豐富，應(yīng)用層次多樣。但在我們這門課程有限的知識體量中只能選擇一個(gè)合適的角度選取組織內(nèi)容。我們以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序?yàn)槟繕?biāo)，按設(shè)計(jì)主線組織這個(gè)模塊。先使學(xué)生掌握數(shù)據(jù)庫從概念設(shè)計(jì)到邏輯設(shè)計(jì)，再到物理設(shè)計(jì)的基本概念、工具、方法以及數(shù)據(jù)庫操縱的SQL語言;進(jìn)而與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合介紹ADO.net數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，實(shí)現(xiàn)前后臺的數(shù)據(jù)訪問交互;再在開發(fā)實(shí)例中進(jìn)一步提升從問題域中抽象數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)類之間關(guān)聯(lián)分析的能力，使學(xué)生掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)建模之間的統(tǒng)一。

通過對各知識模塊理論知識的理解與開發(fā)實(shí)例的實(shí)踐應(yīng)用相互支撐來組織教學(xué)實(shí)施，使得知識難點(diǎn)得以分散，學(xué)生對概念的接受水到渠成，駕馭能力逐漸增強(qiáng)，從而持久保持學(xué)習(xí)課程的興趣。

2.3 基于開發(fā)實(shí)例的工程思維構(gòu)建，進(jìn)一步提升思維層次

如陳國良院士所指出的：計(jì)算思維教育的目的是培養(yǎng)一種思維習(xí)慣[5]。我們希望在更高層面上培養(yǎng)學(xué)生的這種思維習(xí)慣，幫助學(xué)生構(gòu)建更高層次的系統(tǒng)思維、工程思維，進(jìn)一步提升知識的應(yīng)用能力。為此，在三大知識模塊之上設(shè)計(jì)了開發(fā)實(shí)例模塊。通過一個(gè)基于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)例將幾個(gè)模塊內(nèi)容有機(jī)貫穿起來，運(yùn)用軟件工程思想，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，使學(xué)生學(xué)會從全局分析問題、把握目標(biāo)，掌握計(jì)算思維如何通過抽象和分解進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程和方法。

⑴ 按軟件體系結(jié)構(gòu)分層部署

突破直接編寫窗體事件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問那種局部解決方案的局限，按照軟件開發(fā)的要求，從認(rèn)識事物的全局出發(fā)，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)訪問層、邏輯層和表示層四層體系結(jié)構(gòu)，分別完成數(shù)據(jù)存儲、訪問、控制和界面表達(dá)的功能。如表1所示。四層體系架構(gòu)反映了各層次要素之間的一種橫向聯(lián)系，幫助學(xué)生跳出孤立考慮問題的局限，學(xué)會正確分析事物間相互聯(lián)系和作用的關(guān)系，更加全面地認(rèn)識問題。

⑵ 多層次工程思維構(gòu)建

為便于項(xiàng)目管理，從系統(tǒng)功能角度將系統(tǒng)劃分為多個(gè)子模塊，每個(gè)模塊組織在一個(gè)項(xiàng)目文件夾下，對應(yīng)一個(gè)命名空間;模塊內(nèi)部涉及實(shí)體類、控制類和窗體類等多個(gè)層次的管理。四層體系結(jié)構(gòu)劃分和多模塊項(xiàng)目組織管理，縱向思維和橫向思維相互交織，需要能夠進(jìn)行立體層次思維和總體功能把握。在系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)現(xiàn)過程中，需要明確各層次要素的作用、每個(gè)層次要素與其他層次要素的對應(yīng)及相互作用關(guān)系，從而抽象出類數(shù)據(jù)、方法及其訪問屬性和其他屬性的正確表達(dá)。像諸如靜態(tài)方法的運(yùn)用、類的public訪問屬性的使用、哈希表的應(yīng)用、自定義命名空間的意義等等難以抽象理解的概念、方法，通過在實(shí)際開發(fā)中解決應(yīng)用問題得到了具體的詮釋，這也加深了學(xué)生對前面所學(xué)理論知識的進(jìn)一步理解。

2.4 全方位的過程化課程考核

課程采用過程化考核。課程評價(jià)由平時(shí)成績、期中考試成績、期末考試成績和項(xiàng)目開發(fā)大作業(yè)共同構(gòu)成。平時(shí)成績包括了理論課和上機(jī)實(shí)踐課的考勤及每個(gè)模塊中布置的作業(yè)，而這些作業(yè)都要求學(xué)生將調(diào)試過的程序在指定日期前上傳到我們自己的網(wǎng)站;期中、期末考試均采用上機(jī)考試方式，目的是以考促練，促使學(xué)生重視平時(shí)的實(shí)踐訓(xùn)練;項(xiàng)目開發(fā)大作業(yè)考慮學(xué)生能力的不同，提出分層要求，完成較高要求的可通過申請項(xiàng)目答辯獲得一定加分。這種過程化考核規(guī)范了過程管理，一定程度上保障了教學(xué)實(shí)施效果。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)探討了“軟件開發(fā)技術(shù)”課程改革的教學(xué)目標(biāo)、新課程內(nèi)容體系的構(gòu)建，以及圍繞教學(xué)目標(biāo)如何組織實(shí)施教學(xué)的方法。從教學(xué)過程和課程考核結(jié)果來看，改革取得了一定的效果，體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中興趣的持久性和考核中反映出對知識運(yùn)用的能力上。部分學(xué)生還通過課程學(xué)習(xí)，激發(fā)了進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)的興趣，在后續(xù)參加的不同層級計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力競賽中獲得了不錯(cuò)的成績，也從側(cè)面反映了我們課程改革的效果。

雖然課程改革初見成效，但尚有許多可以改進(jìn)、完善之處。比如在考核中如何提升項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)效，讓更多學(xué)生在不同層面受益更多;在應(yīng)用開發(fā)中，將更先進(jìn)的面向?qū)ο蟮姆治龇椒ㄒ胂到y(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中通過通用類來優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)開發(fā)效率等等。這些改進(jìn)都將進(jìn)一步提升學(xué)生對計(jì)算思維的深入理解，也是我們需要努力挖掘梳理的內(nèi)容。

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