基于分層模式的CDIO教育理念在程序設計競賽類課程方面的理論研究

周春樵

摘? 要： 針對現階段高等院校中程序設計類課程教學內容與實踐體系在培養創新人才方面所存在的問題，將分層化教學模式結合CDIO教學理念引入傳統程序設計課程。融合課程特點，分析教學內容的內部關聯性與層次性，優化程序設計類課程體系，構建程序在線測試平臺，改進課堂教學模式。以程序競賽為驅動，以培養學生的創新能力與團隊意識為目標，并結合大學生各類創新創業項目，理論與實踐相互結合，提高學生的學習興趣與動手實踐能力，取得了良好的教學效果。

關鍵詞： 分層化教學模式; CDIO; 課程體系; 程序競賽; 創新能力

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1006-8228（2020）02-89-04

Theoretical research on application of CDIO education concept with hierarchical

model in courses for programming competition

Zhou Chunqiao

（Public Laboratory Center， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： In view of the problems existing in the teaching content and practice system of programming courses in training innovative talents in colleges and universities at present， this paper introduces the hierarchical teaching model and CDIO teaching concept into the traditional programming course， integrating course characteristics， analyzing the internal relevance and hierarchy of teaching content， optimizing the programming course system， constructing program online testing platform， improving classroom teaching model. And driven by programming competition， aiming at cultivating students' innovative ability and team consciousness， combining with various innovative entrepreneurship projects， and combining theory with practice， students' practical ability and interest in learning have been continuously improved and good teaching results have been achieved.

Key words： hierarchical teaching model; CDIO; course system; programming competition; innovative ability

0 引言

培養新時代的創新型計算機人才已經在國內外高等教育體系中成為了一個普遍的共識。教育部計算機教指委針對計算機人才培養提出了4項專業能力要求：①計算思維能力;②算法分析與設計能力;③程序分析與設計能力;④計算機系統能力[1]。針對計算機程序設計競賽的創新教育類課程對于培養學生的思維能力、計算機編程能力以及團隊合作精神都有著極其重要的作用。而在大學通識類計算機編程課程的基礎上，競賽類程序設計課程可以幫助學生更全面和系統地了解學科領域的專業知識、提升學生的學習積極性以及培養學生解決生產實際問題的創新能力。

1 計算機程序設計類課程教學的現狀

在現階段各高等院校計算機程序設計類教學中主要以基于C/C++/Java/Python等“程序設計原理”和“數據結構”課程作為核心的理論教學課程，這些課程目前存在著許多不完善之處。

⑴ 課程定位目標不明確。基于程序語言的課程在教授學生知識點的過程中存在著“照本宣科”的問題，教學過程中沒有融合授課教師自身的教學理念，且對于如何在教學過程中提升學生的實踐能力、創新意識以及培養學生團隊精神的教學目的性不明確，而隨著多學科交叉課程數量的不斷攀升，導致分配給基礎課程的學時只夠授課教師講解一些基礎概念，學習內容過于單薄。

⑵ 課堂教學重理論，輕實踐。程序設計類課程中所闡述的各類語法知識和算法結構一般具有理論性與抽象性強的特點，學生在學習過程中可能存在無法掌握和理解的某些知識點。大部分高校為了幫助學生更好掌握程序設計課程中的知識點，都會開設“程序設計短學期”類課程，一般兩周左右，但其效果并不理想，很多學生因為程序設計能力基礎薄弱，只能通過徇私舞弊的行為來完成課程設計報告[2]。可見，短期和密集的兩周實踐學習對于提升學生整體的編程能力效果甚微。

⑶ 授課知識點陳舊，更新不及時。國內部分高校的計算機程序設計課程的教學大綱長沒及時修訂，無法適應新時代對創新程序設計人才的培養需求[5]。部分軟件科技公司在進行校園招聘過程中普遍反映現階段大部分計算機軟件專業學生的知識面狹隘的問題，上機題的程序實施過程冗余、算法過于簡單，邏輯結構缺乏靈活性。此外，學校教務部門在制定教學規劃中要求授課教師嚴格按照教學大綱從事相關教學活動，對如何培養學生的專業能力沒有形成共識。

⑷ 課程考核方式單一，缺乏對培養學生興趣的引導。一般高校針對計算機程序類課程的考核通常采用期末筆試成績為主（占70%左右），上機實驗與平時成績為輔（占30%左右）。期末考試更多的采用紙質版的形式，這類測試手段更側重于考察學生對知識點內容的記憶力，而非理解力，缺乏對學生解決實際問題的邏輯思考能力、上機編程能力以及程序調試能力的考察，并不能全面和客觀的展現學生的綜合編程水平，單一的課程考核形式也不能正確引導學生對編程類課程的學習興趣。

針對上述問題，本文提出了在計算機程序設計類課程的教學體系中引入CDIO教育模式，改進傳統課堂上存在的弊端與不足，激發學生對于程序類課程的學習熱情，達到更好的教學效果。

2 程序設計競賽類課程對于計算機類學科發展的促進作用

近年，隨著計算機技術在高校通識教育體系中的不斷發展，各類大學生程序設計競賽也在全國乃至全世界范圍內不斷壯大。其中，影響力較大是ACM-ICPC（ACM International Collegiate Programming Contest，國際大學生程序設計競賽）和CCPC（China Collegiate Programming Contest，中國大學生程序競賽）。此外，ACM-ICPC也被列入了中國大學學科競賽排行榜。有別于其他單人競賽體系，ACM-ICPC和CCPC這兩項競賽更注重展現學生團隊分析問題與解決問題的能力、創新意識以及合作精神，該項賽事也被譽為“世界上規模最大、最公平、水平最高的國際大學生程序設計賽事”，為全世界的學生提供了一個衡量計算機程序設計能力的客觀平臺，在這個平臺上，大家相互學習，共同進步[4]。

團隊程序設計競賽提倡培養學生發現問題與解決問題的創新實踐能力以及與他人共同合作的團隊意識，與高等院校對于創新人才培養體系的建立以及卓越工程師的培養計劃是一致的。由此可提倡以面向學科競賽為導向，通過在計算機程序設計類課程中引入競賽型機制，這樣一方面擴展學科知識點的普及面，拓寬學生的專業視野，另一方面鼓勵學生多參與課外學科競賽，提升學生的競爭意識，通過此類賽事，實現培養與選拔創新人才的教學目標，促進專業學科良性發展。

3 基于分層與CDIO理念的程序競賽課程的創新教學模式

3.1 程序設計類課程的教學目標與架構分層

高校學生來自全國各地，其基礎和學習能力有差異，所以應考慮分層次教學，制定相應的教學目標，完善教學架構。

可以采用課程中期考核制，來對學生進行分組。根據程序設計類課程的教學體系，基礎學科從匯編、C語言、python開始進行授課，教師在學期中段對學生進行一次理論筆試和上機練習的摸底測試，根據筆試和機試的成績對學生進行分組教學，大致分為三類：①基礎鞏固組;②實踐提高組;③程序競賽組。

基礎鞏固組的學生由于其學習能力較弱，在學習過程中可能沒有掌握必要的語法知識，因此可以根據程序設計課程的教材大綱，以熟練掌握基本語法知識和培養程序設計的邏輯思維能力為教學目標，通過多次上機操作來鞏固知識點，提升學生解決一般計算問題的程序設計能力。

實踐提高組的學生一般對于語法知識、基本概念都掌握的較好，但是缺乏深入學習的主動性，在分析綜合性的程序問題上面存在思路不清的問題，且欠缺創新精神。針對提高組學生的這些問題，設定合理的教學目標，有別于基礎鞏固組進行分層化教學，要求除了將程序設計課程教學大綱里面的實踐內容完成之外，適當增加課外的綜合上機練習，結合數據結構的內容優化課程體系結構，倡導學生發揮創新精神和團隊意識，同時可以布置綜合性的學科問題進行階段性的加強學習。

程序競賽組的學生相對于前面兩組的學生在學習能力、學習興趣以及學習主動性上面更有優勢，這類學生程序設計基礎扎實，邏輯思維以及分析問題、解決問題的能力較強，對于綜合性的應用問題有敏銳的洞察力，能靈活應用所學的學科知識點。對于這類學生在采用分層化教學的過程中需要更多的引導其參與到ACM這類高等級比賽中，更好的發揮學生的優勢，在比賽和日常的訓練過程中進行高強度訓練，這樣可以一方面培養學生的創新能力，另一方面也可鍛煉學生在解決較難問題過程中的耐心和意志品質，更加多元化的提升學生的綜合水平。

分層化的教學模式能在很大程度上改善學生不良的學習習慣，分組授課的方式更有利于發揮學生自身的特點和優勢。除了層次化的教學模式引入課堂之外，傳統的考核方式也需改進。全紙質試卷考核方式已不太適用于現在的學習內容和教學目標，應采用機試形式，通過OnlineJudge（在線評測系統）平臺進行綜合考試。上機考試一方面不需要花費授課老師太多時間閱卷和試卷分析，另外一方面做到更快和更合理的考核學生的編程能力，不局限于考察課本知識點的記憶能力，更多的考察學生對于知識點的應用能力，真正意義上實現理論和實踐結合的教學目標。通過OnlineJudge后端的數據分析可以專業化的展現學生掌握知識點的情況，幫助授課教師發現知識點盲區，為后續課程做好鋪墊。

3.2 程序設計競賽課程中CDIO教育理念的引入

CDIO理念由2005年從世界教育領域引入中國，在我國的工程教育模式改革方面提供了借鑒。CDIO教育理念在國內的高等院校中得到了迅速的傳播和推廣，并在部分高校中進行了試點工作，取得了優良的成效。CDIO工程教育理念由Conceive（構思）、Design（設計）以及Implement（完成）和運作（Operate）組成，在高等教育實施過程中更注重強調學生學習的主動性，根據專業學科課程的理論聯系搭建授課平臺，讓學生更多的參與到工程實踐中來，全面提升學生的專業創新開發能力和綜合素質[3]。

將CDIO國際工程教育理念引入程序設計競賽課程，以層次化教學小組為主體，以教學內容、教學方法和課程目標為導向，學科競賽為驅動，由此形成一個閉環教學體系，動態地優化課程架構[6]。

⑴ 團隊教學，興趣導向

基于CDIO教學理念，課程設計采用ACM團隊競賽模式，以三人為一小組，九人為一大組進行分層化教學。ACM競賽不僅要求學生具備足夠的程序設計知識，而且更注重學生團隊協作和共享，以此為契機，有利于學生綜合能力的培養。授課教師在理論知識點講解過程中以程序設計競賽中的特定案例為構思，循序漸進地引入問題中涉及的學科知識點，包括高等數學及概率論統計等相關理科專業知識，這對于授課教師的能力也有一定的要求。案例講解完，還需設計相關的競賽例題來幫助學生鞏固所學內容，激發學生的學習熱情和學習興趣。

⑵ 開放環境，拓展提升

由于一般高校在安排計算機類主修課程的過程中，更多考慮的是讓學生夯實理論知識，因而，上機實踐課程安排的較少，導致學生動手編寫程序的能力尤顯不足。CDIO教學理念強調學生的實踐教育，對無法在課堂完成的上機操作內容應借助于線下平臺完成，讓學生能在課余時間充分發揮學習自主性，將課堂上所學內容進行及時鞏固和記憶。而授課教師需以程序競賽為驅動，布置更貼近生活和生產實際的趣味性較強的程序設計題，在線下的OnlineJudge系統（自動測評系統）中提供給學生學習和實踐的內容，由此充分調動學生的學習積極性和主動性。對待難點，應更多的依靠學習小組去解決，加深學生的團隊意識。根據分層化后的不同小組，授課教師依據課程內容的難易程度劃分為基礎語法實踐課、綜合實踐課以及競賽設計實踐課三大類，分組施教，采用模塊化教學，引入四步走教學模式，即“設計問題-理論分析-提出方案-實踐驗證”，全面豐富課堂的教學內容，系統化地提升學生解決實際問題的邏輯思維能力和動手實踐能力。

4 結束語

通過對基于分層模式的CDIO教育理念在程序設計競賽課程中的理論和應用研究，我校已取得了較好的研究經驗和成果，在2018-2019年上海市以及全國各大程序設計競賽中取得了多項一等獎，且計算機專業學生在科研方面也取得了一定的創新成果。以此為契機，今后我校將進一步加大學科競賽與日常教學相互結合的師資投入，優化程序設計類課程體系，建設特色學科課程群，以專業人才培養為導向，以專業學科理論知識為補充，以提高學生創新能力為目標，加強師生之間以及學生之間的交流與溝通，爭取進一步提升課堂教學效果。

參考文獻（References）：

[1] 李環.基于ACM競賽的程序設計類課程教學改革研究[J].計算機教育，2016.3：115-118

[2] 于希山.分層教學模式的研究與實踐[D].遼寧師范大學，2005.

[3] 穆勝.未來是創客平臺的天下[J].中外管理，2015.1：36-40

[4] 梁霄.淺析CDIO 理念在《計算機應用基礎》課程教學中的應用[J].課程教育研究，2015.22：113-114

[5] 曾曉輝，文展，付琳.CDIO模式下的數據結構教學體系探索[J].計算機教育，2015.2：36-39

[6] 朱麗.創客是新一輪工業革命的先聲[J].中外管理，2015.1：51.