C語言程序設(shè)計在石油相關(guān)專業(yè)中的教學(xué)實踐

摘要：在“卓越計劃”的背景下，針對石油相關(guān)專業(yè)C語言程序設(shè)計課程教學(xué)中存在的問題，在探討課程教學(xué)主線的基礎(chǔ)上，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)手段等多個方面對課程改革的措施進行詳細闡述，提出培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、創(chuàng)新意識以及工程能力的方法。

關(guān)鍵詞：C語言程序設(shè)計；卓越計劃；計算思維；教學(xué)實踐；創(chuàng)新；研究型；工程能力

0.引言

2010年我國教育部聯(lián)合其他有關(guān)部委，共同制定了“卓越計劃”的培養(yǎng)目標及實施方案，其目的是加速我國由工程教育大國向工程教育強國的轉(zhuǎn)變。為貫徹落實“卓越計劃”及《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的有關(guān)精神，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和自主學(xué)習(xí)能力，中國石油大學(xué)（北京）從2010級開始，在石油工程、地質(zhì)工程、化學(xué)工程等專業(yè)中新增了兩種重要的人才培養(yǎng)模式：創(chuàng)新班和卓越班。其目的是嘗試進行研討式、交流式小班授課，通過大量的課堂互動，強化學(xué)生的實習(xí)、設(shè)計和實踐能力。C語言程序設(shè)計作為學(xué)校的一門重要公共基礎(chǔ)課，在石油專業(yè)的本科教學(xué)中占有重要地位。由于學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程之前，缺乏嚴格的程序設(shè)計訓(xùn)練，傳統(tǒng)的教學(xué)模式也由于缺少有效的溝通而無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)生的抽象思維能力和動手實踐能力都出現(xiàn)一些問題。為了適應(yīng)石油行業(yè)發(fā)展對高素質(zhì)人才多樣化的需求和貫徹研究型教學(xué)的要求，有必要針對創(chuàng)新班和卓越班學(xué)生的特點，制訂出更加切實可行的研究型的C語言程序設(shè)計教學(xué)內(nèi)容和實踐方案。

1.課程教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)的C語言程序設(shè)計教學(xué)存在以下問題：

1）教育模式單一。

C語言概念多，應(yīng)用靈活，傳統(tǒng)的教學(xué)方法注重講解C語言的基本語法，教師所選編程實例大多用于語法規(guī)則的驗證和說明，學(xué)生很難將所掌握的理論知識應(yīng)用到實踐中。

2）缺乏計算思維。

石油專業(yè)學(xué)生對計算機課程的學(xué)習(xí)方法還不太適應(yīng)。由于學(xué)生編程的邏輯思維方法還沒有形成，很難正確理解計算機學(xué)科的基礎(chǔ)概念，更不要說靈活運用各種思想、方法和技術(shù)解決實際能源行業(yè)的問題了。

3）師生之間缺乏實時溝通平臺與手段。

師生交流多局限在課堂上圍繞課程進行，對學(xué)生在課后的學(xué)習(xí)和實踐缺乏有效指導(dǎo)。學(xué)生遇到問題不能及時解決會嚴重影響學(xué)習(xí)進度，甚至影響學(xué)習(xí)的積極性。

4）課堂教學(xué)與專業(yè)背景脫節(jié)。

石油行業(yè)各相關(guān)專業(yè)的教育對信息技術(shù)的要求越來越高，而行業(yè)內(nèi)不同專業(yè)之間對信息基礎(chǔ)教育的需求又存在著較大的差異。作為大學(xué)公共基礎(chǔ)課程的C語言程序設(shè)計是一門理論性和實踐性很強的課程，如何適應(yīng)石油行業(yè)內(nèi)各類專業(yè)要求，做到與專業(yè)背景盡可能“無縫連接”，是亟待解決的特殊課題。

針對上述問題，如何培養(yǎng)石油專業(yè)學(xué)生將計算機科學(xué)知識運用到專業(yè)實踐中去？需要我們在教學(xué)中將理論與學(xué)生專業(yè)背景相融合，讓學(xué)生結(jié)合專業(yè)知識加深對語言功能的理解，使他們真正體會到該課程是為專業(yè)實踐服務(wù)的。由于計算機在石油科技中的應(yīng)用范圍十分廣泛，幾乎涉及石油科技領(lǐng)域的各個方面，作為石油專業(yè)本科生的C語言程序設(shè)計課程就必須涉及這些內(nèi)容。因此，在理論和實驗課中如何聯(lián)系實際，激發(fā)石油專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是教學(xué)改革的一個重點。同時，如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，使他們將這種思維有效地運用在專業(yè)實踐中，也成為教學(xué)內(nèi)容改革的指南和研究重點。

2.確立C語言教學(xué)主線

C語言基礎(chǔ)是語法，學(xué)生只有掌握了必要的語法知識，才能進行后續(xù)算法的學(xué)習(xí)。面對繁雜的C語言語法知識，教師如能將各章節(jié)的知識點串聯(lián)起來，形成一個“教學(xué)主線”，再配合計算機的內(nèi)存變化，就可以幫助學(xué)生理解和記憶各知識點。因此，“教學(xué)主線”是綱，緊緊抓住“內(nèi)存變化”這個主要矛盾，就可以達到“綱舉目張”效果。

C語言的核心內(nèi)容有三個：數(shù)組、指針和函數(shù)。因此，在教學(xué)中只要抓住“數(shù)組一函數(shù)一指針”這條主線，通過示意圖描述數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲和變化，就可以將紛繁的知識點化簡規(guī)約，從而形成清晰的知識脈絡(luò)。數(shù)組是具有相同數(shù)據(jù)類型的變量的集合。函數(shù)在程序設(shè)計過程中的主要任務(wù)是可以分解成多個功能獨立的模塊來實現(xiàn)，這體現(xiàn)了“分而治之”的思想。函數(shù)的參數(shù)可以是普通變量、數(shù)組名或指針變量。當在函數(shù)間傳遞數(shù)字或字符的集合時可以采用數(shù)組名或指針變量作為函數(shù)參數(shù)進行地址傳遞，這樣實參與形參組合形式可以表達為：

①實參（數(shù)組）——形參（數(shù)組）；

②實參（數(shù)組）——形參（指針）；

③實參（指針）——形參（數(shù)組）；

④實參（指針）——形參（指針）。

通過編寫經(jīng)典的交換數(shù)據(jù)函數(shù)Swap就可以將函數(shù)調(diào)用以及數(shù)組和指針變量的4種組合形式聯(lián)合起來。

C語言最大的特點是程序能夠直接對內(nèi)存地址進行操作。而對內(nèi)存的操作主要是通過變量來實現(xiàn)的，變量代表了內(nèi)存中具有特定屬性的一個存儲單元，用來存放程序運行期間的數(shù)據(jù)，即變量的值。要正確推算到程序運行的結(jié)果，就必須掌握程序運行過程中內(nèi)存空間值的演變過程，即變量值的變化過程。為此，我們在教學(xué)中采用樣例程序（如圖1所示）結(jié)合變量內(nèi)存空間分配（如表1所示）的方式講述變量在內(nèi)存中的變化狀態(tài)，取得了較好的教學(xué)效果。

3.豐富教學(xué)方法與手段

德國教育學(xué)家第斯多惠曾說過：“教學(xué)的藝術(shù)不在于傳授本領(lǐng)，而在于激勵、呼喚和鼓舞。”基于“卓越計劃”的學(xué)生創(chuàng)新意識和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)需經(jīng)過一個長期的訓(xùn)練過程。創(chuàng)新班和卓越班提供了一種探究式人才培養(yǎng)模式，其特點是促進人才培養(yǎng)模式由以課本和課堂為中心轉(zhuǎn)向以學(xué)習(xí)和學(xué)生為中心。在教學(xué)過程中，教師除了講授基本知識和程序設(shè)計方法外，更要注重培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。在教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)由“學(xué)會”到“會學(xué)”的轉(zhuǎn)變，是創(chuàng)新班和卓越班教學(xué)改革的主要目的。為此，我們采取以下幾方面措施。

3.1注重啟發(fā)引導(dǎo)

創(chuàng)新班和卓越班的教學(xué)目標應(yīng)從注重知識傳授轉(zhuǎn)到注重智能的培養(yǎng)上來。在講授具體的知識點時，要注意加強前后知識的連貫性，對重點、難點問題要舉一反三，從多角度、多側(cè)面去闡述，將知識點擴展為知識面，擴大學(xué)生的思維空間。在此過程中，計算思維的培養(yǎng)是核心問題。通過多提問、鼓勵一題多解等措施，啟發(fā)學(xué)生運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計信息系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上促使他們了解信息技術(shù)在能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為將來創(chuàng)新性地解決石油行業(yè)問題奠定基礎(chǔ)。

3.2實行導(dǎo)師制

創(chuàng)新班和卓越班實行導(dǎo)師引導(dǎo)式培養(yǎng)方式，教師和學(xué)生實行雙向選擇，學(xué)生根據(jù)所在專業(yè)教師的研究方向和特點選擇相應(yīng)的指導(dǎo)教師，指導(dǎo)老師也可以根據(jù)學(xué)生的能力和素養(yǎng)指定所帶學(xué)生。指導(dǎo)教師按照“傳幫帶”的培養(yǎng)方式，提出典型問題，讓學(xué)生進行抽象、分析和歸納，培養(yǎng)思維方式，凝練專業(yè)問題，提高掌握本學(xué)科前沿知識的能力，使其盡早進入科研狀態(tài)。同時，創(chuàng)新班實行小班上課模式，以利于學(xué)生和教師之間的良好互動。

3.3采用榜樣示范教學(xué)法

在C語言程序設(shè)計課程中，榜樣示范教學(xué)法是提高學(xué)生分析和解決問題能力的有效辦法。大學(xué)生的行為習(xí)慣多源于模仿他人，由于處在確立“事業(yè)觀”的關(guān)鍵時期，榜樣的力量對他們尤為重要。為此，我們邀請企業(yè)資深的工程師、校軟件協(xié)會的優(yōu)秀學(xué)生以及中國石油大學(xué)（北京）畢業(yè)的學(xué)長為學(xué)生做講座，探討C語言在石油領(lǐng)域的應(yīng)用方向，以及企業(yè)需求和學(xué)校教學(xué)在C語言上的差異，為學(xué)生進一步學(xué)習(xí)指明了目標。如我院與中關(guān)村信息產(chǎn)業(yè)園中的許多公司建立良好的合作關(guān)系，就程序代碼編寫規(guī)范以及C語言實訓(xùn)等內(nèi)容進行了廣泛的交流合作。從分析實際應(yīng)用問題開始，到對問題的解決進行整體規(guī)劃，在需求分析、系統(tǒng)設(shè)計到系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)測試等多個方面，鍛煉學(xué)生實際動手能力。在教學(xué)中融入軟件工程思想，使學(xué)生在掌握C語言的基本語法知識的同時，更深入理解程序設(shè)計的最終目的是解決實際應(yīng)用問題。

3.4面向ACM程序大賽，構(gòu)建研究型、小組討論的學(xué)習(xí)模式

為了能夠及時、全面地關(guān)注到每位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，我們采取分組方式進行教學(xué)控制和管理。4名學(xué)生構(gòu)成1組，每組設(shè)組長1名，組長由組員輪流擔任，每人任期4周。老師每周抽出固定時間對組長進行培訓(xùn)，讓他們做一些ACM程序大賽訓(xùn)練中難度較高、與實際生活接近的題目，并加以輔導(dǎo)，引導(dǎo)他們掌握良好的編程思想，選拔其中的優(yōu)秀組參加ACM程序大賽。在課堂研討和實踐課時間，由組長全權(quán)負責本小組的學(xué)習(xí)探究，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的組織領(lǐng)導(dǎo)才能以及團結(jié)協(xié)作精神。這種變被動接受為“自主研究”型的學(xué)習(xí)模式，滿足了學(xué)生學(xué)習(xí)方式的個性化。

3.5實施項目驅(qū)動教學(xué)法

為提升學(xué)生運用計算思維處理專業(yè)問題的創(chuàng)新綜合能力，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，我們采用結(jié)合學(xué)生專業(yè)的項目驅(qū)動模式，根據(jù)學(xué)生具體專業(yè)設(shè)置選取適當?shù)捻椖浚瑥木帉懞唵蔚男〕绦蛑鸩竭^渡到解決一定難度的實際問題上。為了最大限度地涉及專業(yè)內(nèi)容，我們在實驗指導(dǎo)書中簡要介紹了常用石油儀器的實際采集數(shù)據(jù)格式，對石油數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用進行一定深度的展開，并在具體數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系上進行廣度的拓展。同時，對石油科技中用到的計算模型進行了分類歸納，引導(dǎo)學(xué)生將同類問題放在一起進行分析比較。每類模型充分體現(xiàn)了計算思維的思想并經(jīng)過有限次操作就能夠完成，有利于提高學(xué)生實際處理問題的能力，培養(yǎng)其敏銳的思維能力。

4.改革教學(xué)條件與環(huán)境

4.1融合Prezi與FreeMind的教學(xué)方式

多種教學(xué)手段相互補充，適時融入特點突出的教學(xué)手段。多媒體教學(xué)方式的特點是信息量大，圖文直觀，便于算法的動態(tài)演示。目前，比較主流的輔助手段是運用Powerpoint制作課件，但Powerpoint不能很好地體現(xiàn)人的思維過程，學(xué)生在單頁中得到的只是具體的信息，想要理清課件的基本思路，需要繁瑣的翻頁操作，不利于學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的宏觀理解和整體把握。為此我們制作了基于Prezi的教學(xué)輔助課件，在一頁當中呈現(xiàn)全部的授課內(nèi)容以及授課的基本思路，以一種符合人類思維習(xí)慣的呈現(xiàn)方式與學(xué)生進行交互。同時，把C語言程序設(shè)計課程的邏輯思維圖中各個知識環(huán)節(jié)按照概念導(dǎo)圖的方式進行組織、關(guān)聯(lián)和鋪展，由此形成了基于FreeMind的思維導(dǎo)圖。它包括一個課程邏輯思維圖和多個章節(jié)知識結(jié)點的邏輯思維圖，可以讓整張思維導(dǎo)圖“活”起來，隨著授課過程可以任意地伸展每一個關(guān)鍵分支。

4.2常規(guī)教學(xué)與“教學(xué)網(wǎng)站+飛信”互動教學(xué)相結(jié)合

以常規(guī)教學(xué)滿足大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，在保留傳統(tǒng)的教師與學(xué)生面對面答疑方式的基礎(chǔ)上，以“教學(xué)網(wǎng)站+飛信”交流平臺作為課堂教學(xué)和實驗教學(xué)的有益補充。平臺支持在線答疑方式，使答疑不受時間和空間的限制，很好地支撐了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

4.3搭建基于Sloodle的C語言綜合網(wǎng)絡(luò)管理平臺

Sloodle平臺整合了多用戶分布式虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境Second Life和Moodle學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)，為學(xué)生和教師提供了逼真、直觀、沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境。將基于Sloodle的部分虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到C語言程序設(shè)計課程的教學(xué)活動中，可豐富教學(xué)環(huán)境，突破傳統(tǒng)教科書和某些硬件設(shè)施短缺的限制，多角度地展示教學(xué)內(nèi)容。如在中海油工程專業(yè)，教師為了展示海上石油鉆井平臺的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，不可能將真實的整套井架系統(tǒng)拆開來講解和示范，但是基于Sloodle平臺，教師用3D虛擬世界展示實物配件，將實際操作中的海上平臺控制模塊映射到虛擬現(xiàn)實世界里。為了完善Sloodle平臺的Moodle學(xué)習(xí)管理部分，使之具有在線程序測試評價功能，我們開發(fā)了程序在線評測插件，除了用于ACM大賽以及學(xué)校或?qū)W院舉辦的程序設(shè)計競賽外，還具有程序教學(xué)輔助功能。教師通過查看學(xué)生提交的代碼長度、執(zhí)行時間、占用內(nèi)存值和提交時間等信息，能快速地發(fā)現(xiàn)代碼拷貝現(xiàn)象。同時通過觀察學(xué)生提交的正確的和錯誤的代碼，總結(jié)出一般性問題，在課堂上有針對性地講解，以達到更好的教學(xué)效果。該平臺經(jīng)過進一步完善，還將被引入到C語言的后續(xù)課程，如高級語言程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析等實踐教學(xué)中。

5.結(jié)語

石油行業(yè)“卓越計劃”是高等工程教育滿足國家能源戰(zhàn)略需求，強化學(xué)生主動服務(wù)石油企業(yè)思想，完善校企聯(lián)合培養(yǎng)人才機制的新型教改課題。我們通過改革教學(xué)方法與手段、改善教學(xué)條件來培養(yǎng)石油院校學(xué)生的計算思維和工程意識，教學(xué)實踐表明，這些改革措施有利于學(xué)生深入了解和掌握與本專業(yè)相關(guān)的計算機知識和技能，大大激發(fā)了他們的求知欲。當然，作為新生事物的“卓越計劃”的實施仍然任重道遠，還需要不斷完善并建立科學(xué)的實踐教學(xué)體系。我們將繼續(xù)在C語言程序設(shè)計的教學(xué)改革上拓展新的領(lǐng)域，在能源行業(yè)尋求新的信息化切入點，將課程的理論教學(xué)和工程實際應(yīng)用更協(xié)調(diào)、更緊密地結(jié)合起來，培養(yǎng)出更多適應(yīng)信息化社會的能源類復(fù)合型、應(yīng)用型人才。

（編輯：彭遠紅）