基于知識遷移的程序設(shè)計課程實(shí)踐探索

高 蕾，王志英

（國防科技大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

0 引言

隨著信息化社會逐步向智能時代推進(jìn)，計算機(jī)程序設(shè)計能力不再是計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的獨(dú)門技能，已成為普適于各行業(yè)各領(lǐng)域人員的基本素質(zhì)。隨著近兩年國內(nèi)掀起的全民編程熱潮，計算機(jī)程序設(shè)計得到了教育部門和社會民眾的廣泛關(guān)注，并呈現(xiàn)出從精英教育逐漸走向普世教育的趨勢。計算機(jī)程序設(shè)計類課程作為高等學(xué)校教育中非常重要的公共基礎(chǔ)課程，很多高校在大學(xué)一年級就已開設(shè)，為了讓學(xué)生短、平、快地學(xué)習(xí)一門程序設(shè)計語言，C++、Python等學(xué)習(xí)門檻相對較低的程序語言成為最佳選擇。程序設(shè)計類課程的特點(diǎn)是概念多、涉及面廣、難度大、抽象性高，同時有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性[1]。該課程的目標(biāo)是使學(xué)生掌握計算機(jī)程序設(shè)計的相關(guān)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題能力和利用計算機(jī)求解問題的能力，不斷提升學(xué)生的信息處理素養(yǎng)，使其能跟上時代發(fā)展的步伐。

1 教學(xué)現(xiàn)狀與面臨的問題

國防科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院開設(shè)的計算機(jī)程序設(shè)計類課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，在課時比例分配、作業(yè)提交與批改、考核方式等方面都有所體現(xiàn)。首先是實(shí)驗(yàn)課時的比例逐年增長，課程的課堂講授和實(shí)驗(yàn)的課時比例一般不高于2：1，通過充足的實(shí)驗(yàn)課保障學(xué)生有足夠的動手編程時間。其次，所有作業(yè)的提交和批改全部在線完成，筆者采用Trustie創(chuàng)新實(shí)踐平臺[2]作為課件等資源共享、作業(yè)發(fā)布和提交、答疑解惑、熱點(diǎn)討論的平臺，所有作業(yè)以編程練習(xí)的形式發(fā)布給學(xué)生，學(xué)生可以直接在該平臺上編程并提交，由于作業(yè)下發(fā)前已由教師事先設(shè)計好作業(yè)驗(yàn)收的測試案例，學(xué)生在線提交后會立刻得到程序是否正確的提示信息，進(jìn)而可以依據(jù)提示信息修改、測試自己的程序，直到程序測試通過。采用這種作業(yè)在線測試提交方式，學(xué)生對于編程的體驗(yàn)變得更深刻，同時可以有效提高學(xué)生查糾改程序錯誤的能力。第三，課程考核采用上機(jī)編程考試，由計算機(jī)考試系統(tǒng)統(tǒng)一閱卷。機(jī)試考核對學(xué)生平時編程練習(xí)是一個很好的促進(jìn)，能夠比較真實(shí)地反映學(xué)生的實(shí)際編程水平，并有效保證考試的客觀公正。

在各種改革措施的牽引下，學(xué)生動手編程的能力普遍提升，課程整體教學(xué)效果得到明顯改善，但教學(xué)過程中仍暴露諸多問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）傳統(tǒng)課堂講授和新型教學(xué)方式在新生教學(xué)方面都存在局限性。雖然各高校的計算機(jī)程序設(shè)計課大多采用課堂教學(xué)與編程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的形式組織教學(xué)，但是課堂講授仍作為教學(xué)中最重要的環(huán)節(jié)占據(jù)大量教學(xué)時間，不可避免地存在偏重知識灌輸、學(xué)生被動聽、缺乏學(xué)習(xí)興趣、教與練脫節(jié)等一系列問題。實(shí)際上這并不是唯一的教學(xué)組織方式，MOOC、翻轉(zhuǎn)課堂、微課等很多新型教學(xué)形式已經(jīng)不斷被引入，為計算機(jī)程序設(shè)計類課程提供了新的助力，也對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力提出更高要求。而對于大學(xué)新人，中學(xué)建立的學(xué)習(xí)模式無法立即改變、對新知識新思維的接受程度差異大、自我管理能力缺乏、課下時間有限等問題表現(xiàn)得尤為突出，容易造成學(xué)生對知識點(diǎn)的理解不深入或產(chǎn)生偏差，知識學(xué)習(xí)變得零散化，無法系統(tǒng)掌握一門編程語言及編程技術(shù)，這些都使新型教學(xué)方式無法有效開展并發(fā)揮其優(yōu)勢。

（2）編程練習(xí)缺乏跟蹤互動，實(shí)際效果比預(yù)期差。程序設(shè)計編程練習(xí)主要安排在實(shí)驗(yàn)課開展，課堂講授中也會根據(jù)知識點(diǎn)穿插一些簡單的編程練習(xí)。俗話說熟能生巧，很多教師都會用這句話激勵學(xué)生多練習(xí)，提高編程水平。但實(shí)際上，每次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)、任務(wù)以及涉及的編程技巧不同，雖然教師安排的練習(xí)內(nèi)容很充實(shí)，但缺乏足夠的反饋，學(xué)生往往因?yàn)閷?shí)驗(yàn)知識點(diǎn)不熟悉、拿到練習(xí)題無從下手、不會查糾程序錯誤等原因，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課上編程練習(xí)的進(jìn)度減慢，練習(xí)效果并不理想，無法達(dá)到教師的預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。究其根源在于教師并沒有根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況組織實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，學(xué)生有效的反饋與教師合理設(shè)計練習(xí)題目同樣至關(guān)重要。

（3）編程實(shí)踐的內(nèi)容脫離學(xué)生實(shí)際。經(jīng)常有學(xué)生抱怨說千辛萬苦學(xué)習(xí)了一門復(fù)雜的編程語言，卻只能用來解決雞兔同籠、楊輝三角之類的“無用問題”，感覺學(xué)習(xí)很失敗。導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生這種想法的原因在于，教師在設(shè)計編程練習(xí)時往往只考慮到題目的編程難度、題目與知識點(diǎn)的結(jié)合程度等方面，而忽視了這些題目與學(xué)生的知識背景嚴(yán)重不符，讓學(xué)生無法提起編程的興趣。而類似二分算法、背包問題等有一定編程難度的算法類問題更受學(xué)生歡迎，讓學(xué)生覺得這些題目更具有實(shí)際意義、與其他課程內(nèi)容有聯(lián)結(jié)，甚至產(chǎn)生自己可以編出程序的自信感和自我認(rèn)同，容易激發(fā)學(xué)生編程的主動性和積極性。因此，課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計應(yīng)從學(xué)生已有知識背景出發(fā)，真正做到為學(xué)而教，讓學(xué)生學(xué)習(xí)有的放矢。

2 基于知識遷移的課程設(shè)計

所謂知識遷移就是一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)的影響，是在一種情景中技能、知識和理解的獲得或者態(tài)度形成的影響，以及利用所學(xué)的技能、知識等解決問題的過程[3]。大學(xué)新生對知識遷移并不陌生，他們以往獲得的知識都是通過對已有知識的遷移整合逐步習(xí)得，也就是常說的舉一反三、觸類旁通，這種方式在大多情況下會對學(xué)生的學(xué)習(xí)產(chǎn)生正面積極的刺激效應(yīng)，能夠?qū)W(xué)生快速帶入新知識的學(xué)習(xí)情境[4]。針對在計算機(jī)程序設(shè)計類課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問題，筆者開展基于知識遷移的教學(xué)實(shí)踐探索，將從下面3個方面研究如何組織課堂教學(xué)與設(shè)計編程實(shí)踐內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、練的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)、研究問題的能力。

2.1 教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容

知識遷移注重在新舊知識之間架構(gòu)橋梁，已被學(xué)生熟練掌握的中學(xué)數(shù)理學(xué)理論將成為知識遷移的首選。其優(yōu)勢在于學(xué)生充分熟悉，當(dāng)遷移到新知識學(xué)習(xí)時難度最小且利于學(xué)生產(chǎn)生共鳴及自主思考，有利于開展良性的課堂互動。教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容的設(shè)計可以將學(xué)生已儲備的數(shù)理學(xué)領(lǐng)域理論知識與實(shí)例，通過知識遷移引入編程實(shí)踐練習(xí)，訓(xùn)練學(xué)生通過編寫程序完成相應(yīng)計算，使學(xué)生快速掌握使用計算機(jī)進(jìn)行問題求解的思想和方法，進(jìn)而逐步培養(yǎng)學(xué)生利用計算機(jī)解決科學(xué)研究和工程實(shí)踐問題的能力。經(jīng)過多年的知識積累與學(xué)習(xí)歷練，學(xué)生一般對數(shù)理學(xué)領(lǐng)域的知識構(gòu)建了比較系統(tǒng)的知識體系，形成了一套具有自身特色的知識學(xué)習(xí)系統(tǒng)。當(dāng)接收新領(lǐng)域新知識時，特別是具有嚴(yán)格語法規(guī)則、表達(dá)符號化且蘊(yùn)含一定邏輯思維的程序語言時，學(xué)生難免產(chǎn)生挫敗感或排斥性，延長了新知識的學(xué)習(xí)時間。但如果引入一個學(xué)生很熟悉的場景、概念、理論或應(yīng)用，學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的不適感會大大降低。例如，C++語言中二維數(shù)組的表示與應(yīng)用，這一知識點(diǎn)在課堂講授中比較抽象，學(xué)生并不容易理解與掌握；如果關(guān)聯(lián)數(shù)學(xué)中的矩陣對照學(xué)習(xí)，并選取矩陣相關(guān)練習(xí)題目進(jìn)行編程鞏固，這個知識點(diǎn)的掌握就變得輕松多了。為此，教師可以充分考慮學(xué)生已有知識背景，選取具有實(shí)際意義的練習(xí)題目，編排有利于促進(jìn)知識遷移的教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。利用編程練習(xí)激活學(xué)生已有知識，當(dāng)學(xué)生將新知識與已有知識聯(lián)系起來時，學(xué)習(xí)將變得更高效，也更有利于學(xué)生自身整合新知識。

另一方面，可以利用平行課程的理論知識牽引編程實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)交叉學(xué)科知識間的相互促進(jìn)與共贏。大多數(shù)高校在大學(xué)一年級都會開設(shè)高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、線性代數(shù)等公共基礎(chǔ)課程，其特點(diǎn)是難度較大、學(xué)習(xí)周期長、具有較強(qiáng)理論與實(shí)用背景。可以選取這些平行課程中理論知識或?qū)嵺`應(yīng)用遷移到程序設(shè)計課程的編程練習(xí)中，利用學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)理知識的先天優(yōu)勢帶動程序設(shè)計學(xué)習(xí)的積極性，并借助編程解題的快捷性幫助學(xué)生鞏固對數(shù)理知識的理解和運(yùn)用。例如，可以利用編程實(shí)現(xiàn)高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)中復(fù)雜公式的快速計算與測試。通過建立不同學(xué)科之間知識的內(nèi)在聯(lián)系，學(xué)習(xí)不再是抽象的行為，實(shí)現(xiàn)了知識的學(xué)以致用，讓學(xué)生真正感受到程序語言學(xué)習(xí)的實(shí)際意義所在。但也應(yīng)該注意到，學(xué)生將數(shù)理學(xué)知識與編程實(shí)踐結(jié)合時會存在一個磨合和轉(zhuǎn)化的過程，這時仍需要教師做適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)；同時，教師必須同步跟蹤平行課程的授課內(nèi)容與進(jìn)度，并要求對遷移使用的數(shù)理學(xué)知識必須充分掌握與靈活運(yùn)用。

2.2 教學(xué)組織形式

利用思維導(dǎo)圖梳理和細(xì)化教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)組織形式，應(yīng)選擇有內(nèi)在聯(lián)結(jié)的數(shù)理學(xué)知識構(gòu)建有效的知識遷移場景。傳統(tǒng)課堂講授的優(yōu)勢在于能夠引導(dǎo)學(xué)生注意力、捕獲學(xué)生課堂反饋，但需考慮如何避免滿堂灌、互動少、只學(xué)不練等問題。之所以會出現(xiàn)上述情況，大多是因?yàn)榻處煂χR點(diǎn)的梳理不夠清晰以及對教學(xué)進(jìn)度把握不準(zhǔn)確引起的。一般來說，一堂課的時間里學(xué)生接受新知識或新技能的數(shù)量不超過3個[5]，如何在有限時間內(nèi)重點(diǎn)講授有價值的知識點(diǎn)，需要教師對知識點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)斟酌取舍甚至提前演練，以提高課堂教學(xué)效率。課程組在開課前首先會整理歸納教學(xué)內(nèi)容，將每一章的教學(xué)目標(biāo)、涵蓋的知識點(diǎn)、知識點(diǎn)評價方法以及可實(shí)施的課堂教學(xué)活動利用思維導(dǎo)圖[6]表示出來，其優(yōu)點(diǎn)是有助于呈現(xiàn)各模塊知識點(diǎn)之間的隸屬或關(guān)聯(lián)，利于輔助教師將數(shù)理學(xué)知識遷移到適合的知識講授和實(shí)踐活動中，從而促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建完整的知識體系，使課程整體脈絡(luò)更清晰，課程內(nèi)容更系統(tǒng)化[7]。圖1給出一個簡單思維導(dǎo)圖示例。針對程序語言中函數(shù)定義這一知識點(diǎn)的講授，使用思維導(dǎo)圖給出了具體教學(xué)目標(biāo)與課堂上可以開展的教學(xué)活動，并將學(xué)生熟悉的數(shù)學(xué)函數(shù)知識遷移引入程序函數(shù)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對程序函數(shù)的寫法和使用有更直觀的印象。在適合的知識遷移場景下，教師可以更有效地開展講授、實(shí)驗(yàn)、研討、對抗賽等形式的教學(xué)活動。

圖1 函數(shù)定義思維導(dǎo)圖示例

可以采用課堂講授與實(shí)踐練習(xí)緊耦合的教學(xué)模式提高知識遷移的教學(xué)效果。在教師構(gòu)建的知識遷移場景下，學(xué)生將新舊知識建立聯(lián)結(jié)關(guān)系，為了深化該聯(lián)結(jié)并快速應(yīng)用于新知識學(xué)習(xí)情境，需要結(jié)合編程練習(xí)來強(qiáng)化新知識的運(yùn)用。很多教師往往將知識點(diǎn)講授和編程練習(xí)這兩個緊密相關(guān)的環(huán)節(jié)安排在課堂和實(shí)驗(yàn)課中獨(dú)立開展，舊知識遷移到新環(huán)境下未及時融會貫通，同樣會降低學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)效率，特別是在學(xué)生尚未具備使用計算思維分析解決問題能力的情況下，還需要教師的耐心引導(dǎo)。因此，筆者鼓勵教師以邊講邊練的形式組織教學(xué)活動，由教師引導(dǎo)學(xué)生編程，使學(xué)生逐步獲得分析問題、用程序語言表達(dá)解題過程的思路與方法。為了提高學(xué)生編程實(shí)踐的效率，筆者利用網(wǎng)絡(luò)上公開使用的實(shí)訓(xùn)平臺[8]輔助學(xué)生的編程練習(xí)，將知識、方法和技術(shù)融入編程實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練。該實(shí)訓(xùn)平臺提供了知識傳授與工程實(shí)戰(zhàn)一體化的自主學(xué)習(xí)模式，教師根據(jù)知識點(diǎn)與知識遷移場景設(shè)計配套練習(xí)題，以實(shí)訓(xùn)的形式提前部署在平臺上，學(xué)生以類似游戲闖關(guān)的形式在線完成這組編程練習(xí)。題目設(shè)置上不要求學(xué)生寫出完整程序，而是根據(jù)任務(wù)要求補(bǔ)充程序語句的形式完成闖關(guān)任務(wù)。任務(wù)說明中還會給出此練習(xí)涉及的具體知識點(diǎn)與解決該類問題要使用的語句及程序示例，引導(dǎo)學(xué)生快速進(jìn)入闖關(guān)實(shí)戰(zhàn)狀態(tài)。當(dāng)知識點(diǎn)講授完之后，教師可以立即組織學(xué)生在實(shí)訓(xùn)平臺上開展訓(xùn)練，實(shí)踐和鞏固知識遷移后在新環(huán)境下的運(yùn)用，調(diào)動學(xué)生編程的積極性，而游戲闖關(guān)式的編程訓(xùn)練模式也更容易激發(fā)學(xué)生自發(fā)完成任務(wù)關(guān)、挑戰(zhàn)更難關(guān)的學(xué)習(xí)欲望。

2.3 教學(xué)評價

為了充分重視學(xué)生的主體地位，避免只重結(jié)果不重過程的被動評價模式，筆者采用過程評價和終結(jié)評價兩種方式對學(xué)生在知識遷移后的學(xué)習(xí)情況做評估，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)、過程和效果三位一體的綜合評價。

過程評價主要對學(xué)生日常學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)、反映出的情感與態(tài)度等方面的發(fā)展情況作出評價[9]，這是一個基于對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的持續(xù)觀察、記錄、反思做出的動態(tài)評價過程。當(dāng)激活的舊知識遷移應(yīng)用到新知識環(huán)境下時，必須對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果做出判斷，引導(dǎo)學(xué)生完成知識正向遷移與運(yùn)用。例如，在圖1思維導(dǎo)圖基礎(chǔ)上，筆者增加了數(shù)學(xué)函數(shù)知識遷移到函數(shù)定義學(xué)習(xí)中時所需的過程評價標(biāo)準(zhǔn)，見圖2，用以對學(xué)生在知識遷移場景下新知識的學(xué)習(xí)情況作出評價。過程評價可以通過教師課堂觀察、課堂提問、比賽、游戲等實(shí)踐活動的記錄以及問卷調(diào)查、教輔分組輔導(dǎo)反饋、學(xué)生自評與互評等形式進(jìn)行評價。譬如，筆者對學(xué)生采用小組集中輔導(dǎo)方式，為每5～8人的編程小組里安排一名教輔跟進(jìn)輔導(dǎo)，教輔主要針對知識遷移運(yùn)用中存在的疑惑進(jìn)行解答、督促學(xué)生練習(xí)進(jìn)度并給出學(xué)習(xí)進(jìn)展評價，結(jié)果顯示學(xué)生編寫、調(diào)試代碼能力得到迅速提升。教師通過各種過程評價獲取的關(guān)鍵信息有助于對教學(xué)行為與學(xué)生學(xué)習(xí)行為進(jìn)行分析判斷，為調(diào)整教學(xué)方案與設(shè)置合理知識遷移場景提供參考和依據(jù)。終結(jié)評價包含階段性測試與期末測試兩部分，主要采用上機(jī)考試與量化分?jǐn)?shù)形式進(jìn)行評價。終結(jié)評價仍以知識遷移場景為主題，結(jié)合知識點(diǎn)混合應(yīng)用來設(shè)計考試題目，主要對學(xué)生通過計算機(jī)編程分析解決復(fù)雜實(shí)際問題的能力進(jìn)行考核與評價。

3 結(jié)語

計算機(jī)程序設(shè)計類課程采用基于知識遷移方式開展課堂講授與編程訓(xùn)練緊密結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐活動，有利于學(xué)生快速整合已有知識來構(gòu)建新知識學(xué)習(xí)情境，促進(jìn)學(xué)生利用計算思維分析問題與解決問題能力的培養(yǎng)，同時也能夠激勵學(xué)生主動學(xué)習(xí)、積極思考與參與教學(xué)過程，有效提高教學(xué)質(zhì)量，也讓學(xué)生切實(shí)感受到程序語言學(xué)習(xí)的實(shí)際意義所在，真正做到學(xué)習(xí)有的放矢。

圖2 增加過程評價的函數(shù)定義思維導(dǎo)圖