面向大類培養的程序設計“金課”建設思考

宋友?李瑩?肖文磊

摘 要：程序設計課是計算機、軟件等信息類專業的核心基礎課，同時又是理工科其他各專業的公共基礎課。本文圍繞通識教育背景下大類招生、大類培養的人才培養需求，論述了程序設計“金課”建設的幾個具體問題。

關鍵詞：程序設計;“金課”建設;大類培養

程序設計課是計算機、軟件等信息類專業的核心基礎課，專業性強;同時，又是理工科其他各專業的公共基礎課，學科交叉性特征明顯。程序設計課的教學目標是教會學生針對科學和工程問題，能進行可計算的分析、設計、驗證，理論性和實踐性結合要求很高。由于其具有傳統性、時代性、專業性、交叉性、理論性、實踐性融合的特點，對師資水平要求高，對實驗條件依賴性強。但在一些理工科專業，一些多年不編程甚至不會編程的老師卻在課堂上教學生編程，造成的直接后果是，不少學生雖然通過了考試甚至得了高分，但幾乎沒有實踐能力，不會編程解決問題、不會使用調試工具、不會查閱資料，更談不上具有計算思維了。因此，在通識教育背景下建設面向大類培養的程序設計“金課”迫在眉睫。

一、程序設計大類課的“金課”特征

1.高階性

課程的高階性強調知識、能力、素質的有機融合，注重培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維[1]。

程序設計課有高階性的自然要求。程序設計課的教學內容包括數據的讀取、表示與處理，運算的規則與邏輯，程序的結構與關系等;程序設計課的核心思想是計算思維，對復雜的科學問題或工程問題能進行分析與求解，包括抽象、簡化、歸納、演繹、分治、遞歸、封裝、組合、復用等。高階性要求程序設計課除了介紹基本編程語言語法外，還要進一步闡述其原理，教師要盡可能引其趣、激其疑、尋其思、解其惑，透過現象講解問題的本質。比如C語言中的浮點計算誤差問題，很多教材上就是一句話“C語言中的浮點數表示不是100%精確”，大多數老師講課時也往往一筆帶過此問題，這會給學生留下疑惑而不得解。針對此問題，可以舉一些具體的實例，如執行語句{a = 0.3; printf（"%d"， （int）（a*10））;}，直覺上應該輸出3，但實際上卻輸出2。學生有了直接的觀察，老師就可以介紹浮點數的二進制表示規則，清晰地闡述浮點數在計算機中不能100%精確表示的原理。再結合之前已經講授的整數的二進制表示規則，可闡述整數能保證準確性，但能表示的大小范圍卻很有限。浮點數能表示“很大”的范圍，但不能保證100%的準確性。這蘊含了生活中魚與熊掌不可兼得的哲學道理，揭示了程序設計學習對生活與工作的重要指導意義。這種思維的培養，對于理工科學生，比如航空航天類等對精度要求很高的專業來說尤其重要，這屬于高階思維的培養。

2.創新性

課程的創新性要求課程內容具有前沿性和時代性，教學形式體現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化。幾十年來，程序設計課程經歷了從簡單計算到復雜推理、從單機到網絡再到移動、從簡單數據處理到大數據分析、編程語言標準隨工業化信息化進程而快速更替的過程，對課程的前沿性和時代性要求非常高。

程序設計課的實踐性很強，實踐訓練的分量應超過理論課講授。在教學形式上，程序設計課程必須強化實踐，并且要體現當今信息時代的先進性和互動性。面向大類培養的程序設計課要考慮學生未來專業的不確定性，從材料到生物、從電子到自動化、從機械到光電、從語音到圖像，以及航空航天等，這就需要程序設計課在精選和保留經典內容的基礎上，吸收多學科、前沿性的案例，融合具有時代性的新工科元素，著力培養學生的計算思維，為未來不同專業的學習奠定應有的基礎。

3.挑戰度

課程的挑戰度是指課程有一定難度，需要跳一跳才能夠得著，這對老師備課和學生課下學習提出了較高的要求。

程序設計課的挑戰度非常明顯。一個好的程序設計課應該是：課上，學生能基本聽懂老師講授的內容;課下，學生能通過對知識的再學習而完成課設作業。課設作業需要有一定的難度和工作量，不能直接套用與照搬課堂上講解的編程語言的語法知識、基本的算法流程、示例代碼等，必須在反復試錯、不斷迭代、分析和調整各種邊界條件、綜合運用所學知識、與同學進行討論和交流、有效查閱資料后，才能編程實現給定的問題。這就是典型的跳一跳才夠得著的體現。

在未來的科學研究與工程應用中，需要計算處理的問題千變萬化、復雜煩瑣，并沒有固定的、一成不變的套路，學生只有接受過挑戰思維的訓練，才能具備解決實際問題的潛力。要做到這一點，老師除了以教材為藍本進行正向式教學備課外，還必須設計啟發式、逆向式的具體教學案例。同時，學生課下必須認真復習，加強上機編程練習，僅靠課堂聽課肯定遠遠不夠。

二、程序設計大類“金課”師資隊伍建設

“金課”建設的關鍵在教師，優秀的教師隊伍是成就一流本科教育的核心要素。

1.師資構成

國內傳統的程序設計課師資主要有兩種類型，一種是信息類（計算機或軟件等專業）師資承擔全校的程序設計課。教師面對信息類和非信息類學生的教學方式、教學內容基本相同，教師很難把握住非信息類專業學生的特點。另一種是各專業的教師承擔本專業的程序設計課。這些老師大多是非信息類科班出身，對程序設計課內容的系統性、完整性認識有偏差，且各專業的師資差距相差非常大。

復合型師資團隊是程序設計大類“金課”建設的基本要求。大類培養的學生在高年級時將走向各個具體的專業，面向大類培養的程序設計課兼具基礎性與專業性，這就要求該課程的授課教師應來自各專業，共同組成課程組，把多學科的背景、知識、經驗融合到教學內容中，從而使課程具備高階性的師資基礎和特征。

2.師資選聘

一般情況下，教師講授一門課久了，容易產生惰性，不大愿意去改變教學內容和方法，這在知識更替非常快的信息時代顯然是不合適的。因此，在大類課背景下，針對教師業務能力參差不齊的現狀，面向全校實行“公開招聘、擇優上崗、業績考核、準入退出”的競爭機制，有利于打破陳規，組建優秀的教學團隊，激發教學活力。

通過“自主報名、上機考試、答辯試講、專家評審”等多個考核環節，能夠打破學科專業限制、職稱職位限制、年齡限制，選出合適的教師。這幾個環節的操作辦法和意義主要體現在：第一步報名，讓老師提交過去的教學大綱、課件等，如果是新老師，則需要按要求去認真準備這方面的材料，然后進行講課申請，這一步檢驗老師的教學熱情和意愿。第二步是上機考試，就是上機編程測試，這一點非常重要，因為程序設計課不僅僅是理論課，還是實踐性很強的課，如果老師不熟悉編程，或長期不練習編程，實踐能力生疏，則很難教好學生。第三步，答辯與試講能檢驗出老師是否具備必要的教學潛力或能力、是否有豐富的教學經驗、是否掌握教學方法、是否懂得教學規律，等等。最后，專家通過對這幾個環節進行綜合評價和推薦，幫助教學單位選拔并聘任優秀老師組建課程團隊。教師的聘任實行聘期制，實行教學質量考核、教師準入和退出辦法[2]。

3.師資團隊建設

組建大類課的師資團隊、課程組，能夠實現“統一規劃、統一標準、統一建設、統一管理”的課程建設方針，淡化專業限制和學科邊界，統一教學標準，定期開展集體備課，聚積集體智慧，整合優質資源。同時，課程組教師之間開展相互聽課，落實同行評議制度，形成教學的學、比、趕、超風氣，營造相互學習、相互幫助、共同進步的教學團隊氛圍。

在傳統的程序設計課教學中，教師需全流程負責，包括備課、實驗設計、實驗系統運營維護、答疑、學生學習過程分析、出考題、閱卷等，工作量很大。在課程組機制下，每位教師合理分擔不同任務，做自己擅長的事情。教師的教學工作負荷降低了，就可以分出更多精力開展教學研究，發揮個人優勢，專注于在自己擅長的領域開展深入的教學探索。在課程組建設與分工模式下，教學效率得以提升，水課的生存空間也就很難再存在。

三、程序設計大類“金課”的教學模式

“金課”建設并不是開設新課程，而是在現有課程基礎上，擴展深度、難度和廣度，使其具有高階性、創新性和挑戰度。程序設計課具有“金課”“兩性一度”特征，理論與實踐結合要求高，做好“理論課堂+實驗課堂+課下練習”的三位一體的教學實踐，有利于程序設計課的“金課”目標的達成。就像游泳一樣，要成為一名專業的游泳健將，既需要專業教練（老師）傳授基本要領（理論），也需要進行必要的訓練，更需要選手在平時多花工夫進行刻苦練習。程序設計課三位一體的教學模式可具體表述為如下內容。

1.實例驅動的課堂教學

傳統程序設計類課程通常注重語法知識的理解、記憶和應用，教師通過陳述性知識，講解什么是程序。這是一種低階性教學模式。基于計算思維的程序設計類課程則屬于高階性教學，教師通過程序性知識和策略性知識，盡可能使學生理解如何設計和編寫程序，它旨在培養學生運用計算機解決實際問題的能力。陳述性知識主要指描述程序設計的概念和語法，程序設計性知識主要指編寫程序的過程和方法，策略性知識主要指運用已有知識來解決新問題。

上述三類知識應有機地融合，通過具體的實例設計，把枯燥的編程語言的語法知識講得生動有趣，這是課堂教學的關鍵。比如，對于較難理解的指針部分，講解指針變量的時候，把變量A比作抽屜，A的地址比作鑰匙，而指針變量B則是另一抽屜，里面存放的就是A的鑰匙（地址），這樣，能打開（訪問）抽屜B，實際就能間接打開（訪問）抽屜A。又如，講解指針與數組的關系時，要闡述兩者“孰優孰劣”的相對邏輯，可以用南方指路的“前后左右”模式（直觀好懂，但電話問路時就不管用了），北方指路的“東南西北”模式（準確清晰，但在南北極時該方法就不再有效）。在理論課堂上以這樣的實例設計為驅動，講課時配上相應的圖示，就能把復雜晦澀的概念講得通俗易懂，能保證學生聽起來饒有興趣，引發學生更寬廣的思考，培養學生的高級思維能力。

2.競賽模式的實驗教學

程序設計課的實踐性要求高，把ACM（Association for Computing Machine）程序設計競賽模式引入實驗課，能有效地向課程中注入前沿性和時代性。而在實驗課中采用ACM模式，展現了教學形式的先進性和互動性。ACM競賽是世界最知名的程序設計高端競賽，至今已40余年，每年吸引全世界3000多所著名高校的數萬名優秀學生參與其中，被計算機教育界和產業界高度認可。但該競賽一直以來都停留在高端層面，對于非計算機類專業學生和教學編程的老師而言，還非常陌生。目前，新工科建設提出了更高的計算思維培養要求，并且信息技術已發展到了新的階段，把ACM競賽模式引入到理工科程序設計教學中已不存在門檻。

把競賽模式引入實驗教學環節，將改變傳統實驗教學模式，從以知識為中心轉變為以實踐為中心。（1）改進教學方法。把ACM競賽題目改造為實驗案例，以故事形式描述問題，能激發學生解決問題的興趣，實現理論和實踐的有機結合。（2）增強教學效果。按競賽的形式，把實驗案例設計成題目描述、輸入輸出要求、輸入輸出用例等幾個部分，一方面能鞏固和應用所學知識，加強與實際應用緊密結合的情景，另一方面加深學生對IPO（Input-Process-Output）程序設計模式的理解，訓練他們運用理論知識解決實際問題的意識和能力。（3）調整學習方式。競賽模式不僅培養學生的實戰能力，在機器判題、實時排名的場景下，能使學生充分理解和深刻認識程序設計的嚴密要求，可以培養學生一絲不茍的嚴謹精神。

3.在線平臺支撐的練習

保障程序設計課的教學質量，不僅要有優秀的課堂教學與實驗教學，而且學生在課下也必須保證足夠的練習量。學習程序設計課的目標是為了解決問題，因此，課下練習必須脫離應試教育、題海戰術的模式。建設和開放7*24小時的在線編程練習平臺，開放更豐富、更擴散的海量練習，能有效幫助學生完成課下練習任務。在線平臺的課下練習可看成是實驗課競賽模式的部分延續，練習編程解決具體問題。在線編程平臺的循序漸進式的練習、競賽模式的訓練，為老師在期末時采用競賽方式進行考試提供了方便。更重要的是，鍛煉了學生在未來工作中解決實際問題的實戰能力。

另外，在線平臺能記錄學生的學習行為、學習效果。通過數據分析，學生可以檢視自己的學習效果，教師可以分析自己的教學質量，為改進教學提供重要的決策依據。

四、程序設計大類“金課”的教學質量管控

“金課”的教學質量管控是一個長期維護和迭代優化的過程，需要在過程中建立多級質量管控機制，才能長期有效維持高水平的“金課”質量。

1.準入退出制度下的師資質量保障

授課教師準入和退出機制建設是保障“金課”教學質量的關鍵。采用對業務能力、教學效果、講課水平進行實時跟蹤與評價的迭代式機制，既可有效淘汰過時的水課，又可為教學團隊及時補充新鮮教師，給優秀的青年教師提供講課的機會。建立合理公平的教學團隊的準入與退出機制，可以充分尊重教師個人的意愿和平衡教學質量要求，使進入課程團隊的教師更加珍惜得來的機會。嚴格的準入退出機制會推進水課教師自然淘汰，使真正有意愿教好“金課”的教師倍加努力，認真對待課程建設，熱愛教學事業。

2.集體備課制度下的教學內容保障

集體備課制度能聚積集體智慧，有利于制訂出高質量的教案和講稿，從而保證教學內容的質量。迭代式交流可以對教學過程中產生的問題進行及時反饋和有效優化。因此，要重視備課會議的交流與討論，嚴格會議考勤，對少數缺席備課會議的教師核減其績效，對多次缺席備課會議的教師可勸其退出課程組。嚴格的備課制度能使教師認真對待教學工作，對課程建設具有使命感和責任意識。同時建立有效的激勵機制，對在課程組中貢獻較大的教師進行績效獎勵。

3.眾包方式的高質量題庫建設

眾包是信息技術領域知識高質量快速增長的重要方式。眾包與迭代模式的高質量題庫建設是保證“金課”質量與新鮮度的重要基礎。信息時代的應用與技術日新月異，程序設計課的練習題除了保留經典題以外，還應增強時代性，產生好的新題，才能使學生在練習中產生樂趣，愿意投入更多精力開展學習。

優秀的高年級學生助教是最了解學生學習特點與需求的群體。因此，應建立一支強大的助教隊伍，不斷地更新高質量題庫，使學生能夠得到充分的鍛煉和考察。為了緊跟教學進度，出題符合教學規律，由負責的教師進行出題前的范圍審核，給出上課的PPT和出題提綱，出題后有專門的教師負責審題。助教和教師給出題目的題解，由全體老師審核后再發給所有學生。這種眾包方式的題庫建設，能有效凝練知識和經驗。多級審核和迭代的方式，能有效提高實驗教學內容的質量。

4.多維度的教學過程控制

多維度的教學過程控制體系包括督導專家聽課、同行評議（課程組內教師之間相互聽課）、教輔聽課（班主任、輔導員、教務員等）、助教跟課等。督導專家聽課是最常見的做法。科研上進行同行評議是通行的做法，但在教學上進行同行聽課并評議則不多見。通過同行評議聽課，教師之間可以學習對方的優點，發現對方的不足，有利于組內互助與改進。輔導員聽課，有助于其了解課堂學習效果，促進班風建設，協調助教或教師跨教學班組織學習講座。鼓勵優秀高年級本科生和ACM競賽選手擔任助教，通過跟班聽課提升其助教水平。

參考文獻：

[1] 吳巖.建設中國“金課”[J].中國大學教學，2018（12）：4-9.

[2] 宋友. 面向大類工科專業的程序設計課程教學改革[J]. 中國大學教學，2018（11）：47-50.

[資助項目：中央高校教育教學改革專項“北航大類專業程序設計課程群建設”、騰訊—教育部產學合作新工科建設項目“面向新工科的計算機專業核心課程改革”（201702002005）]

[責任編輯：夏魯惠]