支撐“復雜工程問題”的程序設計公共基礎課改革

朱丹紅，于元隆，張 棟

（福州大學 數學與計算機科學學院，福建 福州 350116）

0 引 言

近年來，工程教育專業認證工作在全國各高等院校如火如荼地開展。該項工作引入先進的工程教育理念，對促進我國本科工程教育改革，提高教育質量具有重要意義[1]。2013年國際工程聯盟公布的《華盛頓協議》與我國的《工程教育認證標準（2015版）》，明確了本科畢業要求必須涉及“復雜工程問題”[2]。因此，在認證要求下，對工科專業觸及“復雜工程問題”的通識類與專業類課程改革勢在必行。

在高等學校本科培養方案中，程序設計公共基礎課是一門面向全校非計算機工科專業的重要通識類課程[3]。教學內容主要包括程序語言基礎知識、結構化程序設計方法、程序實現問題求解等。在工程教育專業認證背景下，課程教學應當順應人才培養需求，面向專業領域的“復雜工程問題”展開，對教學目的、內容、方法與考核的全過程深層剖析，并進行相應改革，進而培養學生主動利用計算機程序技術解決專業“復雜工程問題”的實踐能力。

1 課程的教學現狀與不足

長期以來，程序設計公共課教學大多以高校所在省份的計算機等級考試統考制度為導向，對計算機技能的推廣普及的確發揮了重要作用[4]，但由于信息技術發展迅速，等級考試主動變革的節奏遲緩，在當前工程認證背景下，課程教學存在教學目標不清、教學內容陳舊、教學方法落后和考核方式單一的問題。

2 工程認證對課程的改革要求

解讀《華盛頓協議》，基于“復雜工程問題”對本科畢業生提出的知識要求第2條為“適用于本學科的支持分析和建模的以概念為基礎的數學、數值分析、統計、計算機和信息科學的通識內容”[5]?！豆こ探逃J證標準（2015版）》的畢業要求第5條也明確指出“能夠針對復雜工程問題，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性”[6]。

由此可見，讓學生掌握和運用計算機與信息技術是培養其解決“復雜工程問題”的一個重要方面。作為承載信息技術的典型課程，程序基礎課要實現對專業“復雜工程問題”的支撐，就需要培養學生：①能全面系統地分析實際工程問題，抽象化描述，建立數學模型；②有較強的編程實踐能力，能靈活運用所學知識，設計多樣化算法并比較算法優劣、優化算法；③有積極思考、深入探索的主動學習興趣，對利用程序解決問題能舉一反三，有創新能力；④對于有一定復雜性的項目，能較好地分解程序模塊，有良好的分工協作意識與團隊精神。

3 課程的教學改革探索

在認證工作指導下，課程教學須以專業的“復雜工程問題”為導向，以經典的案例和項目為基礎，以先進的教學手段和平臺為載體，以多維度的考核方式為綜合評價，并不斷總結、反饋、反思和提升，從教學目標、教學內容、教學方法、考核方式及持續改進5個方面進行改革，培養學生將程序設計知識真正用于相關的專業領域。課程改革如圖1所示。

圖1 課程改革示意圖

3.1 制訂面向專業“復雜工程問題”的教學目標

首先，明確課程教學的總體目標為掌握程序設計的基本知識與方法，能夠運用程序開發工具編寫程序，能夠以全局的視角系統分析問題，建立計算機模型，構造求解算法，編程調試獲得結果，并初步掌握模塊化的程序實現方式。

其次，對采用同一程序語種的不同專業還須細化教學目標設置。以C語言公共基礎課程為例，由于單片機系列課程是電氣、電子、機電等相關專業的重要課程，能夠為專業的“復雜工程問題”提供理論與實踐基礎，其軟件編程均采用C語言，因此，這些專業開設的 C語言基礎課就應當針對單片機系統的開發要求，側重底層硬件編程，學習C程序的語法規則和設計方法。數學專業的C語言，更需學生學會編程實現相關的數學問題，如積分、求導等。

3.2 設置支撐專業“復雜工程問題”的教學內容

由于公共基礎課學時局限，因此需要精簡課程中部分細碎繁瑣、缺乏連貫性的基礎知識，并針對專業“復雜工程問題”的程序需求，篩選知識點，適當調整順序，探討相關算法，重構教學內容。以支持單片機編程的C語言為例，可以圍繞程序設計的三大基本結構，重點掌握位運算、數組、函數、指針、宏定義等內容，其中，單片機底層程序涉及大量位運算、循環、數組的相關知識，由此，C語言的二進制移位與循環移位、數組的選擇與冒泡排序、順序與二分查找算法等就應當作為教學內容的重中之重。此外，程序實現“復雜工程問題”還要求具有全局的思想，因此掌握函數和宏定義的模塊化設計方法也是教學中必不可少的重要內容。

3.3 選取培養“復雜工程問題”解決能力的教學方法

在程序設計基礎課程中培養學生解決“復雜工程問題”的能力，要求課程內容涉及專業的實際工程問題，在教學過程中提高學生的自主學習和團隊協作能力，提升工程意識和設計技能，因此，需要借助一定的教學手段，充分調動學生的積極性，激發學生的學習興趣，促進學生主動學習。

（1）案例驅動教學。課堂教學可通過程序案例引導，讓學生對相關知識點產生感性認識，從而促進其對該知識點具體用法的理解和掌握。另外，案例教學能夠有針對性地將模型構建、系統設計、算法應用、編程實現的綜合過程與專業的實際工程問題交叉、組合、滲透并融入教與學中，為學生應用計算機程序解決“復雜工程問題”打下基礎。例如，C語言教學可以采用單片機“汽車轉向燈”實例，其左、右轉向及延時控制與C程序的選擇與循環結構關聯，知識點涉及選擇結構的if-else 與循環結構的while，不僅形象地提出新知識，而且能傳授編程實現工程問題的方法。

（2）強化實踐訓練。程序設計課程的上機實踐是教學的重要環節。通過課內與課外實踐的有機結合，能夠更好地培養學生的動手能力和綜合應用能力。其中，課內實踐由教師演示與自主操作，在完成例題的前提下，設計與教學內容同步的相關小項目進行實踐。以C語言for循環語句為例，除了完成累加、求最大數等常規習題，還將其用于延時程序的設計實現。課外布置與專業工程相關的綜合項目，采取小組協作方式完成。實踐過程中引導學生從設計思路、設計技巧、程序結構等方面分析問題，并啟發學生對同一問題設計多種解決方案，從中選擇最佳方案；同時，要求程序具有良好的書寫風格與模塊化的程序設計思想，從而全面培養學生程序設計與工程實踐的綜合能力。

（3）線上線下混合的SPOC課程模式?，F有的“教師課堂講授”模式，以教師為教學活動主體，忽略學生的基礎差異與個性化需求，導致學習缺乏自主性，阻礙學生的能力培養。線上線下混合的課堂模式，線上利用網絡優秀的課程資源，借助SPOC平臺，引導學生課外通過視頻自主學習；線下通過平臺反饋的學生學習情況，及時調整教學進度和內容，揚長避短，優化教學效果。此外，網絡平臺能夠讓教師方便組織學生討論，及時答疑解惑，增強師生的交流互動，使學習過程更加高效輕松。因此，該教學方式能激發學生主動學習的興趣，提高學生的探索創新能力、協作溝通能力等，從而為解決專業“復雜工程問題”的能力培養提供很好的支持。

3.4 設計適應專業“復雜工程問題”的考核方式

程序設計基礎課支撐專業的“復雜工程問題”，考查需要綜合反映學生的程序設計能力、自主學習能力與工程實踐能力，因此采用多維度的考核評價方式。其中，程序設計能力由線上練習答題情況和期末考試成績判定；自主學習考量學生的出勤情況、課堂表現、線上課程視頻學習情況、線上討論回答情況等；工程實踐能力根據分組協作的綜合項目完成情況評定。在對項目評判時，應設置多項指標檢驗，包括算法選取優劣、程序書寫風格（如變量或標識符命名、是否縮進、是否注釋等）、函數設計與調用、界面美觀程度、小組分工的模塊化合理性等。最終考核結果可以根據專業實際情況，對程序能力、自主學習、實踐能力設定權重并加權而得。

3.5 聚焦“復雜工程問題”的課程持續改進

工程教育專業認證要求有良好的質量監控機制對教學過程進行跟蹤評估，通過階段性評估與總結性評價，對教學內容、教學方法等進行持續改進。

首先是階段性評估。教師對照課程的教學大綱，分階段自查教學內容、進度等；通過平臺學習情況、上機實踐效果、分組協作的項目進展等，評估學生的知識掌握程度與實踐水平。由此，教師不僅能及時發現自身的教學問題，改進教學方法，還能實時關注學生的學習狀態，指導學生改善學習方法，鞏固之前學習過的知識。

其次是總結性評價。學期末，教師對學生的各項考核成績進行合理性分析，確認教學目標的完成情況。另外，設計學生評價調查問卷表，側重于學生“評學”，了解學生在課程學習與項目完成之后，對程序實踐能力提升的自我評價。通過課程考核的合理性分析與學生的自我評價，教師對整個學期的教學進行總結、反思與改進，緊緊圍繞程序設計支撐專業“復雜工程問題”的解決，促進教學質量提升。

最后依托學校教學督導的相關政策，確保階段性與總結性的評價結果用于課程的持續改進。通過各種渠道收集反饋信息，如教研組的教師座談會、學生的隨機訪談、高年級學生用程序解決“復雜工程問題”的能力調查等方式，綜合考察教學改進的實際情況。

4 結 語

程序設計公共基礎課作為非計算機類工科專業的一門重要通識課程，培養學生學習程序設計基本知識，掌握軟件開發的基本技能，最終能夠運用計算機程序求解專業的實際工程問題，是工程教育不可或缺的組成部分。面向專業的“復雜工程問題”對課程的教學目標、教學內容、教學方法、考核方式、持續改進5個方面改革，能夠提高課程的教學質量，激發學生的主動學習興趣，提升學生的探索創新意識，培養學生解決“復雜工程問題”的綜合素質和能力，從而為全面推進工程教育認證工作打下基礎。

參考文獻：

[1]周克寧, 羅朝盛, 康敏. 植入“復雜工程問題”的教學體系改革探索[J]. 中國大學教學, 2016, 18(10): 51-54.

[2]蔣宗禮. 本科工程教育: 聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養[J]. 中國大學教學, 2016(11): 27-30.

[3]李廉. 以計算思維培養為導向 深化大學計算機課程改革[J]. 中國大學教學, 2013(4): 188.

[4]張徐. 江蘇省高等學校計算機等級考試的反思及策略研究[J]. 中國大學教學, 2014(11): 89-92.

[5]林健. 如何理解和解決復雜工程問題: 基于“華盛頓協議”的界定和要求[J]. 高等工程教育研究, 2016(5): 17-26.

[6]中國工程教育專業認證協會. 工程教育認證標準[EB/OL]. [2017-09-01]. http://www.ceeaa.org.cn/main!newsList4Top.w?menuID=01010702 .