高校程序設(shè)計課程的分層教學(xué)研究與實踐

傅川　羅杰　趙鳴

摘 要： 在充分調(diào)研目前計算機專業(yè)程序設(shè)計課程中諸多教與學(xué)的不足的基礎(chǔ)上，提出了一種基于實際教學(xué)的分層教學(xué)模式，即啟蒙-進階-提高銜接-拔優(yōu)四個層次，同時評價其效果。分層教學(xué)模式有效地激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，增強了專業(yè)課程間的連貫性，發(fā)揮了程序設(shè)計在各課程間的聚核作用。程序設(shè)計能力訓(xùn)練的自動評測系統(tǒng)最大程度地解放了老師的機械批改工作。有效的分層教學(xué)模式體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，提高了學(xué)生整體的程序設(shè)計能力和社會競爭力。

關(guān)鍵詞： 分層教學(xué)； 自動評測系統(tǒng)； 程序設(shè)計； 以學(xué)生為中心

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）11-90-03

Abstract： On the basis of full investigation of many of the lack in current teaching and learning of computer programming course， a hierarchical teaching mode is proposed based on the teaching practice， namely the enlightening， advancing， improving and excellence selecting four levels， and its effect is evaluated. The hierarchical teaching mode can effectively stimulate students' professional learning interest， enhance the coherence between the professional courses， make computer programming course to play an aggregation role in between the various courses. The automatic evaluation system of programming ability training maximizes the liberation of the teacher's workload of mechanical correction. The hierarchical teaching mode reflects the student-centered teaching idea， improves the students' programming ability and social competitiveness.

Key words： hierarchical teaching mode； automatic evaluation system； programming language； student-centered

0 引言

信息社會的高速發(fā)展，軟硬件產(chǎn)品及服務(wù)的朝夕瞬變，使高素質(zhì)程序設(shè)計人才需求與日劇增，高校的計算機專業(yè)人才培養(yǎng)也時刻面臨更新更高的要求。在計算機學(xué)科知識體系中，計算機程序設(shè)計類課程具有啟蒙、銜接和聚核的作用。對計算機專業(yè)的學(xué)生來說，在程序設(shè)計過程中貫穿閱讀判斷、分析思考、抽象表達、綜合創(chuàng)造等多項技能[1]。因此，如何提高大學(xué)生程序設(shè)計能力一直是計算機專業(yè)教師研究和考慮的問題。

1 現(xiàn)狀分析

基于多年的程序設(shè)計課程教授經(jīng)歷，我們歸納總結(jié)了大學(xué)生程序設(shè)計能力培養(yǎng)和訓(xùn)練方面存在的一些問題或不足。

⑴ 實踐環(huán)節(jié)時間太少。

⑵ 傳統(tǒng)教學(xué)手段不適合程序設(shè)計課程，學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)。

⑶ 教師人工判題評閱課后作業(yè)、上機實驗報告以及試卷的負擔沉重，而且對學(xué)生來說時效性差，學(xué)習(xí)效果受到影響。

⑷ 相關(guān)課程多但課程之間聯(lián)系少。

⑸ 目前的學(xué)生課程評價體系不夠完善。

2 具體改革內(nèi)容

著名的教育學(xué)家Gagné R.M說過：“教育的中心目標就是教會人們思考，運用他們的理性，成為更好的問題解決者[2]。”針對以上的不足點，結(jié)合目前我校計算機專業(yè)的教學(xué)規(guī)劃和學(xué)生不同階段程序設(shè)計能力特點，我們設(shè)計了如下層次教育模式，并初見成效。

2.1 層次化教育模式

啟蒙層次（第一學(xué)期）：目標是使一年級的學(xué)生具備基本的程序設(shè)計能力，掌握一些基礎(chǔ)算法，知曉如何編寫程序解決一些生活和科學(xué)的問題。

進階層次（第二學(xué)期，第三學(xué)期，第四學(xué)期）：目標是通過與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的銜接和滲透，讓學(xué)生理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。強化學(xué)生的計算思維，引導(dǎo)解決綜合型系統(tǒng)級別的應(yīng)用型問題。

銜接層次（第五學(xué)期，小學(xué)期實踐）：目標通過與軟件工程課程的銜接和滲透，培養(yǎng)學(xué)生的綜合程序設(shè)計能力，讓學(xué)生具有利用程序解決綜合性問題的能力。

拔優(yōu)層次（二年級，三年級）：目標是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。從對程序設(shè)計感興趣的學(xué)生中選拔出一批算法運用設(shè)計能力較強的學(xué)生，進行ACM競賽訓(xùn)練，以及更高級算法的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，培養(yǎng)出一批具有榜樣作用的創(chuàng)新人才。

2.2 程序在線評測激勵系統(tǒng)及其模式的建立

培養(yǎng)程序設(shè)計能力的關(guān)鍵是動手編程實踐，一般程序設(shè)計類課程實驗課與理論課的比例是1：1，從教學(xué)安排上，實踐類課時已經(jīng)很多了，但是僅靠課時要真正掌握好一門程序設(shè)計類課程是遠遠不夠的。雖然絕大部分學(xué)生都較重視理論課的學(xué)習(xí)，但課內(nèi)實驗就不那么理想了。

根據(jù)實際教學(xué)的情況，我們設(shè)計了程序在線評測激勵系統(tǒng)化訓(xùn)練平臺。根據(jù)不同層次需求，配置了不同內(nèi)容的題庫和具體機制。我們將其用于實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，這個作為學(xué)生練習(xí)程序編制的平臺，在提高學(xué)生編程水平的同時，大大減少了教師的工作量；而且較之人工，機器自動評測更具嚴格性和客觀性。同時加入了激勵策略，輕松激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如：提交解答后系統(tǒng)會對提交的代碼自動進行評判，并同時給出時間占用和內(nèi)存占用等相關(guān)信息，如果排名在前三，就給予首頁彩帶滾屏獎勵，提升學(xué)生的自我榮譽感。又或給予學(xué)績考核的額外加分等。

在線評測系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。學(xué)生提交一個程序源代碼后，評測程序就對代碼進行編譯，然后執(zhí)行，將執(zhí)行結(jié)果和評測系統(tǒng)后臺正確的測試數(shù)據(jù)進行比較，如果答案和后臺數(shù)據(jù)完全相同則AC（Accept），說明你的程序是正確的；否則返回錯誤信息，對不同的錯誤類型給出不同的提示。同時源代碼的評測結(jié)果保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。教師如需要結(jié)果列表，也可一次性導(dǎo)出。

目前程序設(shè)計的教學(xué)過程中很需要這樣的自動評測平臺。它既減輕了教師繁重的程序代碼批改工作量，也可更客觀和高效地給出評判結(jié)果。國際最重要的程序設(shè)計大賽ACM-ICPC[4]使用的就是這樣的模塊來測評結(jié)果。在實際教學(xué)中我們也真實地感受到了這個系統(tǒng)帶給我們教師的便捷，學(xué)生也體會到了實時高效評測的興奮和成就感。

2.3 構(gòu)建軟件設(shè)計課程群[3]

程序類課程教學(xué)中重視語法結(jié)構(gòu)和案例，很少能從程序設(shè)計的基本方法和思想進行引導(dǎo)，使學(xué)生停留在照樣畫瓢的程度，缺少抽象思維、邏輯思維能力，難以編程解決實際問題。我們希望在學(xué)生掌握程序設(shè)計過程中激發(fā)起學(xué)生的軟件工程興趣。因此，在本學(xué)年新一階段的程序設(shè)計課程中，安排軟件工程的原理討論。討論的目的當然不是代替獨立的軟件工程課程，而是將基本的軟件工程原理引入早期的學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生能更好地為以后正式參與項目開發(fā)做好準備；同時起到一個承上啟下的銜接作用。如果一開始就將邏輯簡單清晰、易讀易懂作為程序編寫的一個重要標準，學(xué)生就不會在以后被強迫忘卻壞習(xí)慣和重新學(xué)習(xí)。他們能在以后的課程中更好地理解軟件的涵義，了解軟件開發(fā)的過程。

以下是主要的實施環(huán)節(jié)。

⑴ 按照上面構(gòu)建的程序設(shè)計能力層次化教育模式的框架，制定出每個層面的教學(xué)目標、教學(xué)大綱，匯聚有層次差別的各種教學(xué)資源。

⑵ 在線訓(xùn)練激勵系統(tǒng)與學(xué)生實踐評價體系相配合。及時激勵先進，樹立榜樣。

⑶ 配置有層次化的學(xué)習(xí)輔導(dǎo)及習(xí)題集資料。豐富目前BlackBoard網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上內(nèi)容的質(zhì)與量。

⑷ 軟件工程環(huán)境映襯整個程序設(shè)計課程的教學(xué)環(huán)節(jié)。

3 結(jié)束語

本文研究了分層化教學(xué)改革，我們的總體目標是針對程序設(shè)計能力培養(yǎng)的啟蒙入門、發(fā)展提高和開發(fā)應(yīng)用三個階段，研究和設(shè)計軟件程序設(shè)計課程體系的分階段學(xué)習(xí)模式，建立以任務(wù)驅(qū)動的課外程序設(shè)計激勵機制，實現(xiàn)大學(xué)四年平均每位學(xué)生累計達到1萬行程序編寫量，并能獨立完成千行以上的較大規(guī)模的程序設(shè)計。

我院從2009年開始就在探索學(xué)生程序?qū)哟位逃呐囵B(yǎng)模式，就前面講到的第四層次的學(xué)生群的實踐來看，已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗。在這些比較出色的程序設(shè)計的愛好者中，我們挑選了部分學(xué)生每年參加ACM-ICPC國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽[4-5]。其作為世界最高水平的競賽，有獨特的氛圍和形式，吸引了無數(shù)愛好者，也鍛煉了一大批具有超強問題求解能力的人才。其中在2014年9-11月的比賽中，我院的隊伍獲得了亞洲賽區(qū)的5個銅獎。由于在ACM比賽中近幾年的良好賽績以及學(xué)生高漲的ACM熱情，我院還在2015年3月承辦了首屆全國中醫(yī)院校程序設(shè)計競賽，采用的就是ACM-ICPC的競賽規(guī)則與形式。接繼這樣的成果，我們接下來準備將層次細化到其他相關(guān)專業(yè)課程，希望通過這樣的實施過程，能達到預(yù)期的最大化目標。

參考文獻（References）：

[1] 韓建民，王麗俠，賈泂.大學(xué)生程序設(shè)計能力的層次化培養(yǎng)模

式[J].計算機教育，2012.3：15-18，22

[2] Jonassen， D.H. Toward a Design Theory of Problem

Solving[J]. Educational Technology： Research & Development，2000.48（4）：63-85

[3] 傅川，沈鑫，蔣巍巍.軟件工程環(huán)境下的C程序設(shè)計課程教學(xué)[J].

計算機教育，2011.13：96-99

[4] Wikipedia. ACM International Collegiate Programming

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International_Collegiate_Programming_Contest.2015

[5] The ACM-ICPC International Collegiate Programming

Contest [EB/OL].http：//icpc.baylor.edu/，2015.