C 語言程序設計課程的金課建設實踐

李 薇，黑新宏，王 磊,2

（1.西安理工大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安 710048；2.陜西理工大學 數學與計算機科學學院，陜西 漢中 723001）

0 引言

目前，由于關鍵環節核心技術、中央處理器、操作系統均受制于發達國家，從而導致國內企業做不出高端設備，只能實現一些低端化和空心化的應用[1]。美國分別于2018 年4 月16 日和2019 年5 月16 日引發的中興事件和華為事件，對我國制造業發展產生較大影響。通過自主創新，中興已經掌握了很多核心技術，但是一些高端新產品仍然依賴于發達國家，核心技術、關鍵零部件依然是企業的薄弱環節；在華為主打產品智能手機業務中，基帶芯片使用近10%來自于美國高通公司的專利。“中興、華為”事件一方面表明要想在國際舞臺上擁有更多的話語權和主動權，就必須打造自身的核心競爭力；另一方面真實反映了我國計算機專業高等教育的現狀，即所培養的學生缺乏基于使命和技術的系統能力、創新能力。

1 建設金課的意義

隨著精英高等教育轉變為大眾普及教育，生源質量受到了一定的影響；計算機技術和互聯網技術的快速發展，網絡已經成為學生學習和生活的重要組成部分。當代學生的特點是視野開闊、充滿自信、獨立性強、個性鮮明，能快速接受新事物；缺點是學習動機不明確、缺乏學習動力、自我約束能力弱、自學能力弱、缺乏探索和研究能力，沉迷于手機、社交網絡、短視頻、電子競技游戲、直播等，是互聯網和移動互聯網的原住民。面對這種現狀，如何改革與創新計算機教育，培養具有高度競爭力的人才，是教育領域研究的熱點問題。

教育部高教司司長吳巖[2]指出，課程是人才培養的核心要素，是體現“以學生發展為中心”理念的“最后一公里”。在新時代全國高等學校本科教育工作會議上，陳寶生部長指出本科教學要合理提高課程難度，拓展課程深度，提升學生學業挑戰度。《教育部在關于一流本科課程建設的實施意見》中指出，課程質量直接決定人才培養質量，高等院校要全面開展一流本科課程建設，樹立課程建設新理念，推進課程改革創新，實施科學課程評價；要讓課程優起來、教師強起來、學生忙起來、效果實起來。因此，對課程進行探索與創新，淘汰“水課”，打造“金課”，對學生思維能力培養、解決復雜問題的綜合能力培養和系統能力培養都具有重要的意義。

2 C語言程序設計金課建設教學模式探索

“金課建設”是指建設國家級一流課程和省級一流課程，包括具有“高階性、創新性、挑戰度”的線上、線下、線上線下混合式、虛擬仿真和社會實踐各類型課程。高階性是指通過知識、能力、素質的有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。創新性是指課程內容要反映前沿性和時代性，教學形式呈現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化。挑戰度是指課程具有一定難度，需要跳一跳才能夠得著。C 語言程序設計課程是一門實踐性很強的課程，也是本科生接觸的第一門程序設計課程。這門課程將培養學生的計算思維能力、數據分析能力、問題求解能力和基本編程能力，不僅為學生后續課程的學習奠定良好的基礎，也為培養學科交叉人才奠定堅實的基礎[3]。

2.1 錘煉課程內容，提升課程內涵

圖1 課程內容設計邏輯結構

課程內容不是一個個分散的知識點，而是圍繞一條主脈絡、主線索組織教學內容。以C 語言為載體，程序設計的基本方法和思想如圖1 所示，主要內容有基本知識、程序設計和數據組織3 部分。首先，在介紹課程背景和發展時，引入當前最新科技發展，使課程內容具有前沿性和時代性，如華為技術有限公司研發的面向未來的鴻蒙操作系統，讓學生明白C 語言是執行效率最高的高級語言，操作系統的關鍵代碼都是用C 語言編寫的。其次，采用深度優先策略，由淺入深組織課程內容。為了讓學生樹立計算思維意識，介紹計算機科學的“計算”與數學的“計算”的差異，引出程序與計算系統的關系。第三，介紹高級語言，怎樣用程序求解問題，從問題引出算法再引出程序，從而讓學生對課程知識建立深度認識。第四，采用要素優先策略組織課程內容，如程序設計部分包括常量與變量、表達式、選擇結構、循環結構、模塊化程序設計（函數）、遞歸程序設計、結構化程序設計等；數據組織部分包括批量數據組織（數組）、表單數據組織（結構體）、外部數據組織（文件）和指針等數據存儲形式。最后，采用深度優先和廣度優先相結合策略，以經典案例驅動方式組織教學內容，促進學生主動思維，培養其邏輯思維、計算思維方式；引入專業案例，促進學生在思維層面的聯想與創新，實現計算思維與專業思維的有效融合、能力構建的層次性，進而培養學生解決復雜問題的綜合能力和高階復雜性思維技能。

2.2 創新教學方法，提高綜合能力

研究表明[2]，大學課堂教學具有五重境界：①寂靜，課堂上教師熱火朝天地講，學生鴉雀無聲，睡、看手機、發呆，互不干擾，一片祥和；②問答，教師提出一些非常簡單的問題，學生只是回答對不對？是不是？這只是一種機械的、形式上的互動；③對話，教師針對授課內容與學生進行討論、交流，學生講述自己對問題的理解；④ 批判，批評質疑，教師營造討論氛圍，培養學生的質疑能力；⑤辯論，課堂上學生之間、學生與教師有爭論、爭辯，甚至爭吵，學生對教師講解的知識有自己的見解。在寂靜的課堂上，學生循規蹈矩，只是記憶、掌握知識，不能靈活運用知識；在批判或者辯論的課堂上，學生通過獨立思考，敢于批評、質疑教師講解的知識，有助于培養學生的創新思維和創新能力。第一重境界、第二重境界屬于低階課堂；第三、第四和第五重境界屬于高階課堂。低階課堂是水課的一種形式，即低階層次教學[4]，學生掌握的是低階知識，培養的是低階思維，形成的是低階能力。如何構建高階課堂，讓學生能夠與教師進行積極互動，能夠批評質疑教師所講授的知識，進而形成高階思維，培養學術的高階能力？可以采用“能力驅動+知識融合+興趣培養”的個性化發展教學理念，通過“MOOC+翻轉課堂”的教學形式，激發學生主動學習的興趣與動力，使學生能夠探索并解決復雜專業問題，進而培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。

以C 語言程序設計課程第五章函數的教學內容為例，在線上學習階段，教師首先制定一個能清楚展示學生學習成果的學習藍圖，即學生取得的學習成果是什么？根據預期的學習成果設計問題，問題見表1。在授課之前，將設計的問題發給學生。學生通過觀看教學視頻、查閱相關資料等方式進行自主學習，完成老師所布置的任務，記錄有疑問的知識點。

表1 函數問題示例

在課堂教學中，如果單一地講解概念，學生不僅覺得枯燥，而且會有“只見樹木不見森林”的感覺，因此，可以在課堂教學中采用多元化教學方法。

（1）串聯多方面知識，采用啟發教育模式。例如，在講解函數的性質和作用時，首先從“圖書借閱”入手，通過講解借閱圖書的過程，使學生明白輸出圖書信息、查找圖書、借書、還書等操作，其本質都是一些獨立的模塊，每個模塊完成一定的問題求解；其次，進一步介紹圖書管理系統是一個復雜問題，包括圖書的錄入、刪除、查找、借書、還書等功能，很難直接實現。一個復雜的問題通常是由若干個比較簡單的問題構成，為了解決這個復雜問題，可以把它分解為若干個較小的、簡單的部分，即“模塊劃分”，每一個模塊對應一個函數；同時，引出在程序設計時，先考慮總體目標、后考慮局部目標的“自頂向下、逐步求解”的設計理念；最后，講解調用函數的過程。調用者將傳遞給函數的參數一一壓棧，函數建立自己的棧幀，為局部變量和可能用到的臨時變量分配空間，調用并執行函數；函數執行完后將程序控制權返回到調用者，整個函數調用結束。通過事例引出問題，再到如何實現，形成具有啟發性的教學，使學生理解和掌握用計算機解決復雜問題的方法，實現由知識傳授到思維培養。

（2）采用翻轉課堂，增加師生互動，促進學生主動學習，提升學生學習成效。學習效果金字塔理論指出[5]，如果學生用被動地聽教師講授、閱讀、演示等手段進行學習，這種被動學習的學習成效只能達到30%左右；如果讓學生參與討論、教授他人等主動學習，其學習成效最高達到90%。課堂教學主要分為3 個教學活動：秀成果、提問—研討、答疑解惑。首先，檢查學生MOOC學習成果，即“秀成果”，針對教師布置的任務，每個小組選派1 個代表展示其學習成果，重點講解自己的設計思路和算法原理，從而展現本小組的學習效果和學習深度。其次，其他學生進行提問，在提問過程中，一方面學生能清楚地認識到自己的知識漏洞；另一方面，引導學生積極思考、討論、交流、研究，從認識知識到消化知識，培養學生的探究習慣和研究能力。最后，教師對學生存在的問題進行答疑解惑，并對重點、難點知識進行講解、總結，保證學生知識的系統性和連貫性，加深學生對知識的理解與應用。

3 C語言程序設計金課建設實踐案例及效果

為了檢驗C 語言程序設計課程的教學效果，筆者選擇了2 個專業的學生，分別進行“MOOC+翻轉課堂”教學模式和傳統教學模式，并在教學過程中分3 個階段對學生進行測試。基礎階段測試的內容是基礎知識、常量、變量和表達式、順序結構、選擇結構，8 道題目（80分），主要考核學生對知識的理解、掌握程度；算法思維階段測試的內容是循環結構、函數和數組，9 道題目（90 分），考核學生對知識的掌握和編程能力；第3 階段即期末測試（100 分），考核學生對知識的理解、應用和綜合能力。采用“MOOC+翻轉課堂”教學模式和傳統教學模式的學生在3 個階段學習成果評價對比如圖2所示。

圖2 傳統教學模式和“MOOC+翻轉課堂”教學模式學習成果評價對比

圖2 表明，在基礎知識與技能方面，傳統教學模式方式下學生對知識的掌握比“MOOC+翻轉課堂”的學生掌握程度好。這是因為基礎測試主要是測試學生對C 語言的基本概念的理解和掌握程度，傳統教學模式以教師的講授為主，詳細的講解有助于學生理解、記憶知識，此外，這一部分的程序測試比較簡單，主要考查學生的基本編程能力。“MOOC+翻轉課堂”教學模式要求學生先看視頻進行自學，然后在課堂上進行討論，最后教師對重點、難點知識進行講解。個人學習能力強的學生，通過自主學習、課堂討論、教師講授等過程，能夠掌握程序設計的基礎知識，并具有編寫基本程序的能力；反之，個人學習能力弱的學生，由于未能適應這種教學模式，因此基礎知識掌握不扎實，且編程能力弱。算法思維階段不僅檢測知識的掌握程度，還有能力考核。采用“MOOC+翻轉課堂”教學模式的學生成績略高于采用傳統教學模式的學生成績。這是因為經過一段時間的學習，采用“MOOC+翻轉課堂”教學模式的學生已經適應了這種教學模式，學習能力、計算思維能力和問題求解能力逐步增強。期末測試結果表明，“MOOC+翻轉課堂”教學模式通過線上學習、串聯多方面知識、啟發教育模式、翻轉課堂等方式，引導學生將知識內化為經驗、能力，提高了學生數據分析能力、編程能力、復雜問題求解能力和獨立研究能力，因此采用“MOOC+翻轉課堂”教學模式的學生學習成果比采用傳統教學模式的學生學習成果有了顯著提高。

4 結語

金課不是客觀知識的搬運工，必須具有高階性，即培養學生的實證思維、邏輯思維和計算思維，實現知識、能力和素質的有機融合。必須實現創新性，即發掘學生潛質，激發學生興趣，提高學生能力，成就學生價值；必須具有挑戰度，即課程要具有難度、深度和廣度；筆者通過錘煉課程內容和創新教學模式，探索并實現了C 語言程序設計課程金課建設。統計數據表明，通過本課程的學習，學生在形成計算思維的基礎上，培養了探究能力、編程能力和解決復雜問題的求解能力，為后續課程學習奠定了堅實的基礎。