工科大學生應(yīng)用軟件開發(fā)課程教學改革與實踐

張權(quán) 艾學山

摘要：應(yīng)用軟件是工科大學生專業(yè)課學習的重要工具，開發(fā)應(yīng)用軟件對促進大學生對專業(yè)課程相關(guān)知識的理解與掌握至關(guān)重要。文章以水利應(yīng)用開發(fā)技術(shù)課程為背景，提出了工科大學生應(yīng)用軟件開發(fā)課程的建設(shè)思路、建設(shè)方案，并對近幾年的教學效果進行總結(jié)，為工科大學生應(yīng)用軟件開發(fā)類課程的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：工科；應(yīng)用軟件開發(fā)；教學實踐

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）27-0163-03

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 引言

2016年6月，中國成為第18個《華盛頓協(xié)議》正式成員。這標志著我國工程教育質(zhì)量得到國際認可，工程教育國際化邁出重要步伐[1]。這也為提高我國工程類大學生教育提出新的要求和挑戰(zhàn)。工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系、相互支撐。教育部推動高校主動應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，建設(shè)發(fā)展新工科。以應(yīng)對變化、塑造未來為指引，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)同與共享為主要途徑，深入開展新工科研究與實踐，推動思想創(chuàng)新、機制創(chuàng)新、模式創(chuàng)新，實現(xiàn)從學科導(dǎo)向轉(zhuǎn)向以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合，從適應(yīng)服務(wù)轉(zhuǎn)向支撐引領(lǐng)。大力發(fā)展大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、人工智能、虛擬現(xiàn)實、基因工程、核技術(shù)等新技術(shù)和智能制造、集成電路、空天海洋、生物醫(yī)藥、新材料等新產(chǎn)業(yè)相關(guān)的新興工科專業(yè)和特色專業(yè)集群。新工科的建設(shè)，一方面要設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)，另一方面要推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新。在新工科建設(shè)的背景下，培養(yǎng)多元化復(fù)合型和創(chuàng)新型工程人才對程序設(shè)計類課程的實踐教學提出了更高的要求[2]。

高校工科課程既具有普遍的理論性、又具有特殊的工科領(lǐng)域的專業(yè)性、實踐操作性和一定的可創(chuàng)新性，存在著鮮明而突出的專業(yè)特點。課程教學既需要解決工科專業(yè)基礎(chǔ)理論的認知，也需要解決專業(yè)技能的培養(yǎng)，特別是對工程建設(shè)的實踐能力[3]。工科專業(yè)課程通常具有應(yīng)用性強、數(shù)據(jù)量大、模型復(fù)雜、方法眾多等特點。為推動傳統(tǒng)工科專業(yè)的改革創(chuàng)新，以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的專業(yè)應(yīng)用軟件成為工科學生的重要工具，開發(fā)專業(yè)應(yīng)用軟件不僅對專業(yè)知識點的理解、模型的結(jié)構(gòu)、算法的邏輯關(guān)系等都是一個全面整理、總結(jié)和提高的過程，而且對各知識點的數(shù)據(jù)需求，參數(shù)敏感性分析，計算結(jié)果展示等都有很好的認識，對問題的理解也更加透徹。本文結(jié)合水文學及水資源工程專業(yè)的學科背景，依托水利應(yīng)用開發(fā)技術(shù)課程，探索了基于新工科背景下的專業(yè)應(yīng)用軟件開發(fā)課程教學理念、教學方法，取得了一定的教學效果，學生們在軟件開發(fā)過程中熟練掌握了數(shù)據(jù)庫的使用和計算機軟件界面設(shè)計開發(fā)基本技能，鍛煉了嚴謹?shù)乃季S能力，提高了專業(yè)知識的認識水平，增強了專業(yè)軟件設(shè)計開發(fā)的信心。

2 軟件開發(fā)工具的選擇

軟件開發(fā)工具能夠搭建一個基本的開發(fā)框架，編程人員在這個框架上進行開發(fā)，無須編寫太多的代碼便可快速開發(fā)出企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng)[4]，目前可用的軟件開發(fā)工具很多，根據(jù)工科大學生的專業(yè)特點，考慮軟件的可持續(xù)性要求，軟件開發(fā)平臺的選擇以主流軟件為主，通常主流軟件具有用戶量大、操作簡便、資源豐富等優(yōu)勢，適用于學生的持續(xù)學習。

另外，在選擇軟件開發(fā)平臺時要考慮學生課時少的現(xiàn)狀，以生成C/S模式操作界面為目標，選擇容易上手的開發(fā)工具，最好與大學生已學過的軟件相銜接，這樣可讓大多數(shù)學生都能夠很快掌握，同時使先修的軟件課程得到延伸。在水利應(yīng)用開發(fā)技術(shù)課程的軟件開發(fā)平臺選擇的過程中，根據(jù)專業(yè)軟件開發(fā)的特點，選用的是微軟公司的Microsoft Visual Studio開發(fā)工具包，最早是以Visual C++為程序設(shè)計工具，經(jīng)過幾年的教學實踐后發(fā)現(xiàn)學生難以在一個學期內(nèi)掌握，也很難實現(xiàn)獨立開發(fā)專業(yè)軟件的目的。后來經(jīng)過多個語言的比較，最近幾年選擇了C#作為開發(fā)語言，重點講解控制臺應(yīng)用程序和界面應(yīng)用程序開發(fā)。由于C#具有簡潔實用易上手等優(yōu)勢，逐漸成為目前主流軟件開發(fā)工具之一，在互聯(lián)網(wǎng)上有海量學習資源，便于大學生在軟件開發(fā)過程中遇到問題時及時找到解決方法。雖然C++和C#都是學生在低年級普遍學習過的C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的優(yōu)秀程序語言，但C#在界面開發(fā)方面更顯優(yōu)秀。使用Visual C#作為開發(fā)工具，不僅是對學生以前C語言學習內(nèi)容的一次回顧和提升，同時在軟件開發(fā)過程中可以實現(xiàn)編程語言的連續(xù)性。經(jīng)過近3年的針對武漢大學水利水電學院本科生教學實踐表明，該開發(fā)工具比較適用于本課程的需要，在課堂上受到學生的普遍好評。

3 應(yīng)用軟件開發(fā)課程內(nèi)容的設(shè)計

課程內(nèi)容本著以學生為中心、循序漸進的原則，從學生現(xiàn)有的知識情況入手，兼顧零基礎(chǔ)學習的同學進行設(shè)計，主要從以下幾個方面考慮。

3.1 快速入門

入門是深入學習的基礎(chǔ)，對于一門新的編程語言，首先要能在電腦上正確安裝所需要的開發(fā)平臺，微軟提供了Visual Studio的學習版本，在官網(wǎng)即可下載，安裝時選擇C#等主要功能語言模塊，按步驟安裝即可。此外需要能夠新建工程并運行，開始學習新建控制臺應(yīng)用程序，在編輯界面中給出簡單的代碼并能夠運行出結(jié)果，理解各代碼的作用，在掌握了C#語法中幾個關(guān)鍵語句后，就可以將以前學習過的C語言的編程內(nèi)容在C#語言環(huán)境中進行重現(xiàn)了，這樣學生就很快掌握了開發(fā)C#的控制臺應(yīng)用程序。學生可以快速入門，一方面節(jié)約了學生寶貴的學習時間，另一方面則提高了學生學習的積極性，為課堂教學效果打下了基礎(chǔ)。

3.2 基本語法

C#語言的主要特點是面向?qū)ο缶幊痰乃枷?，在基礎(chǔ)及語法上，C#語言基礎(chǔ)與C語言差異不大，可概括地講解；面向?qū)ο笫悄壳爸髁鬈浖捎玫木幊趟枷?，需要較詳細地講解及實例演練。讓學生理解并掌握面向?qū)ο缶幊痰木杷冢@樣對任何的編程題目都能夠很快找到解決思路。通過實例練習，使學生能夠編寫并學會如何調(diào)試控制臺應(yīng)用程序，掌握編程要領(lǐng)及出現(xiàn)錯誤時的調(diào)試方法。

3.3 界面編程

控制臺應(yīng)用程序雖然可以解決專業(yè)中需要解決的問題，但不直觀，不方便使用和傳播。窗體界面是目前主要的界面形式，易于使用，把專業(yè)軟件轉(zhuǎn)化成窗體界面軟件有助于軟件的長久使用和分享。首先學習創(chuàng)建窗體，了解窗體的基本結(jié)構(gòu)和界面與代碼間的邏輯關(guān)系；其次，通過一些簡單的實例了解窗體應(yīng)用程序的基本使用方法；再次，學習各種工具箱控件的使用方法，以及菜單欄、工具欄和狀態(tài)欄的創(chuàng)建和使用。最后，學習各要素的綜合使用以及一些組件、外部控件的引入方法等。

3.4 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用

工科的一大特點就是數(shù)據(jù)量大，如果管理和使用數(shù)據(jù)成為工科學生的重要能力之一。在學習軟件開發(fā)過程中，可以選擇諸如Access，SQL Server等常用數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)庫管理工具，學習用C#調(diào)用數(shù)據(jù)庫并使用數(shù)據(jù)的方法，C#中提供了很好的控件能使數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與界面控件靈活交互，即界面可以從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，也可以向數(shù)據(jù)庫寫入數(shù)據(jù)，這樣界面軟件的數(shù)據(jù)處理能力提升，使用數(shù)據(jù)庫就更加方便。

3.5 綜合應(yīng)用軟件開發(fā)

有了以上的基礎(chǔ)，就可以著手開發(fā)專業(yè)領(lǐng)域的各知識點軟件了。在開發(fā)時，首先要明確該知識點需要哪些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)可以放在數(shù)據(jù)庫中，軟件啟動或計算時調(diào)用；輸入數(shù)據(jù)可放在界面上，便于設(shè)置和調(diào)整；輸出結(jié)果數(shù)據(jù)可以表格和圖形形式展示在界面上，在計算完成后直接可以看到，也可同時寫入到數(shù)據(jù)庫或其他文件（如Excel、txt文件等）中，成為永久文件在需要時查看。因此，可以實現(xiàn)具有一定功能的軟件封裝的開發(fā)，從而實現(xiàn)課程教學的預(yù)期效果。

4 水利應(yīng)用開發(fā)技術(shù)課程的探索與實踐

4.1 水利應(yīng)用開發(fā)的特點

1）數(shù)據(jù)量大：水利應(yīng)用開發(fā)涉及水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水庫特性資料數(shù)據(jù)、水電站運行數(shù)據(jù)、水生態(tài)環(huán)境變化過程數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)多呈現(xiàn)不斷累積、逐漸增大等特點。

2）模型多：在水文預(yù)報中就有非常多的模型，通常在應(yīng)用過程中都是多個模型同時計算，以方便進行結(jié)果的互相比較分析；在水庫調(diào)度中，根據(jù)目標函數(shù)的不同也有多個模型需要進行同時計算。

3）求解方法多：無論是水文預(yù)報模型還是水庫調(diào)度模型均有很多種求解方法，也經(jīng)常出現(xiàn)對同一個模型應(yīng)用多種方法同時進行求解的情況。

4）影響因素復(fù)雜：對有些知識點模塊的開發(fā)（如水文預(yù)報）需要考慮的參數(shù)非常多，且不容易得到合適的參數(shù)值，需要不斷地試算或通過優(yōu)化算法優(yōu)化參數(shù)。

4.2 界面設(shè)計

為使軟件更加方便實用，通常將不必要的信息放在后臺，不在主界面上顯示，主界面主要顯示各參數(shù)輸入框、各模型方法的選擇控件、計算結(jié)果表和圖形以及計算結(jié)果的統(tǒng)計值等信息?；拘畔⒖梢酝ㄟ^菜單或按鈕等在其他頁面查詢顯示。界面程序設(shè)計好還可以很方便地進行參數(shù)敏感性分析，可從各參數(shù)的變化與計算結(jié)果的變化關(guān)系進行統(tǒng)計得到。界面設(shè)計可以較好地實現(xiàn)人機交互功能，從而使得開發(fā)的軟件具有“用戶友好”的特點。

4.3 教學過程

為了克服部分同學對軟件開發(fā)的畏懼心理，在開課前給同學們錄了一段如何使用開發(fā)工具的錄像，同學們可以熟悉開發(fā)的基本操作，前幾次課程在上課時注重學生的理解程度，課后安排與課程內(nèi)容相近的內(nèi)容作為作業(yè)，使學生能夠掌握本節(jié)內(nèi)容。當學生有一定基礎(chǔ)后，課后的作業(yè)就可以適當加大難度，不局限于課上的內(nèi)容，還需要在網(wǎng)上查找相關(guān)資料才能完成。因此課程內(nèi)容的設(shè)置通常遵循由簡入深的原則，不斷調(diào)動學生的積極性，并發(fā)揮自身的能動性，投入探索性的軟件開發(fā)實踐中。

4.4 結(jié)課作業(yè)

課程結(jié)束不安排考試，而是以結(jié)課作業(yè)的形式進行考核，在結(jié)課的安排上，讓學生每4人一組，每人需要開發(fā)一項本專業(yè)領(lǐng)域某知識點的軟件，每組共同開發(fā)一項指定的專業(yè)領(lǐng)域較為復(fù)雜的軟件。每組設(shè)置組長一名，負責組內(nèi)成員的分工、進度與協(xié)調(diào)等工作。同時要求每位同學都要進行結(jié)課匯報，以幻燈片形式介紹自己開發(fā)的軟件和在小組中的工作。同學們在完成結(jié)課作業(yè)的過程中，在組內(nèi)會有充分的交流溝通，組間也經(jīng)常溝通，最后每位同學都開發(fā)出了自己的專業(yè)軟件，每組也協(xié)作開發(fā)出了相對較復(fù)雜的基于數(shù)據(jù)庫的水利專業(yè)軟件，起到了互相促進、共同提高的效果。

軟件開發(fā)的實踐類課程，以軟件開發(fā)形式作為結(jié)課大作業(yè)，可以有效地考核同學們掌握課程知識和開發(fā)實踐能力。此外，結(jié)課作業(yè)可以采用同學們以往課程內(nèi)開發(fā)過的程序作為基礎(chǔ)，有效地促進了同學們對課程知識體系建設(shè)的理念，將以往的專業(yè)課知識有效地串聯(lián)起來。

4.5 教學效果

在近3年的課程教學實踐中，均取得了較好的教學效果，且教學效果與產(chǎn)出逐年提高。每屆約70人規(guī)模的課堂，都能申請10項以上與專業(yè)緊密結(jié)合的軟件著作權(quán)，如水文資料的皮爾遜3型頻率曲線分析、應(yīng)用遺傳算法進行水文預(yù)報新安江模型參數(shù)的率定、水庫興利調(diào)節(jié)計算中的興利庫容-調(diào)節(jié)流量-保證率關(guān)系、水庫調(diào)度中的等流量調(diào)節(jié)計算和水利工程經(jīng)濟中的財務(wù)評價計算等，該課程的學習對同學們自信心的培養(yǎng)、成就感的取得起到了積極作用。該課程的實踐表明，通過引導(dǎo)學生進行創(chuàng)新性的實踐探索，學生便可在課堂內(nèi)完成最基礎(chǔ)的軟件開發(fā)以及軟件著作權(quán)申請的實踐，這為本科生進一步深造以及進行更深層次的軟件開發(fā)，打下良好的基礎(chǔ)。

當學生們將自己開發(fā)的軟件申請了軟件著作權(quán)，并能將自己開發(fā)的軟件應(yīng)用于課程實踐和項目研究時，大大促進了學生們對專業(yè)的認可程度，這在當前高等教育過于重視分數(shù)、績點情況下，是一個很好的嘗試。從而通過提升同學們實踐能力，促進人才培養(yǎng)的新路徑探索。

4.6 教學啟示

工科教育重點在于培養(yǎng)學生的動手實踐能力，尤其解決工程實際問題的能力，這一點不僅限于筆者所在的水利工程行業(yè)，對所有工科專業(yè)都應(yīng)如此。軟件開發(fā)課程的教學，首先教師要自我提高，能適應(yīng)新工科教學的需要；其次，合適的軟件開發(fā)工具可以起到事半功倍的效果；再次，課程講授及課后練習的設(shè)計對提高教學效果發(fā)揮重要作用；最后，使學生能夠開發(fā)出自己喜歡的軟件作品能起到學生主動學習、持續(xù)學習的動力，從而培養(yǎng)學生終身學習的習慣。工科教育中的動手能力，需要通過課程設(shè)置，進行積極地培養(yǎng)和引導(dǎo)，這需要教育者在課程設(shè)計之時就要做好規(guī)劃。在當前我國面臨工科轉(zhuǎn)型的外部壓力情況下，是對工科人才培養(yǎng)，尤其是實踐動手能力的培養(yǎng)，本課程的教學實踐提供了較好的教學改革嘗試。工科教育開展得好，可為社會不斷輸送工程技術(shù)人才，這對于當前我們諸多領(lǐng)域面臨“卡脖子”問題來說，是值得格外重視的教育方面。

5 結(jié)束語

工程改變世界，行動創(chuàng)造未來。在當前通識教育已經(jīng)大規(guī)模開展之時[5]，我們需要思考專才的教育。而專業(yè)應(yīng)用軟件是工科大學生的重要學習工具，工科大學生既有理論基礎(chǔ)，又有較強的實踐動手能力，在任課老師的正確引導(dǎo)下，提高自己動手開發(fā)專業(yè)應(yīng)用軟件，不僅可以提高軟件編程能力，同時也對專業(yè)知識有了更深刻的認識，起到事半功倍的效果。應(yīng)用軟件開發(fā)能力的培養(yǎng)也為大學生繼續(xù)學習深造或參加專業(yè)領(lǐng)域工作都打下了堅實的基礎(chǔ)。專業(yè)軟件開發(fā)課程的學習，對增強學生的就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)具有較強行業(yè)背景知識、工程實踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展需求的應(yīng)用型和技術(shù)技能型人才具有重要的推動作用。隨著我國對新工科建設(shè)行動的常態(tài)化，培養(yǎng)出更多優(yōu)秀的工科人才，為應(yīng)對我國在發(fā)展過程中不斷面臨的各種挑戰(zhàn)，支撐國家的創(chuàng)新發(fā)展將起到重要作用。

參考文獻：

[1] 賀迎春，熊旭.中國成為《華盛頓協(xié)議》第18個正式成員[EB/OL].（2016-06-02）[2021-10-18].http：//edu.people.com.cn/n1/2016/0602/c1006-28407215.html.

[2] 高俊鋒，張淑麗，劉歡，等.新工科背景下程序設(shè)計類課程的實驗教學改革[J].高校實驗室科學技術(shù)，2019（4）：42-44.

[3] 王廣政，李相峰，段金輝，等.基于能力培養(yǎng)的高校工科課程混合式教學模式構(gòu)建[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（33）：200-201.

[4] 王永連，李樹虎，張麗娜.軟件開發(fā)平臺綜述[J].電腦編程技巧與維護，2018（4）：65-66，69.

[5] 張權(quán).關(guān)于我國高等通識教育的若干思考[J].教育教學論壇，2019（42）：44-45.

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