“新工科”背景下以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的《程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革

田紅磊　李傳秀　鐘敏

【摘要】“新工科”是新科技、新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟(jì)背景下高等工程教育改革的重大戰(zhàn)略部署，強(qiáng)調(diào)學(xué)科之間的交叉與融合、協(xié)作與共享。在“新工科”建設(shè)中，如何面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開(kāi)展計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是《程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)的首要問(wèn)題。針對(duì)“新工科”的主要特點(diǎn)，在分析《程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)《程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】新工科? 計(jì)算思維? 程序設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G642? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）08-0056-03

1.“新工科”與“計(jì)算思維”

2006 年，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的周以真教授在計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志上發(fā)表了一篇標(biāo)題為“Computational Thinking”的論文，對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行了詳細(xì)的論述和分析。她認(rèn)為，計(jì)算思維就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[1]。這一概念一經(jīng)提出，獲得了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，越來(lái)越多的專家學(xué)者認(rèn)識(shí)到“計(jì)算思維”的重要性，將其與理論思維、實(shí)驗(yàn)思維并列為人類認(rèn)識(shí)和改造世界的三種思維方式之一。

2017 年 2 月，教育部高等教育司《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》以高等工程教育要適應(yīng)國(guó)家面臨新時(shí)代新經(jīng)濟(jì)的發(fā)展為依據(jù)，從工程教育新理念、學(xué)科專業(yè)新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)新模式、教育教學(xué)新質(zhì)量和分類發(fā)展新體系五個(gè)方面界定了“新工科”的“新”內(nèi)容，表明“新工科”建設(shè)就是要培養(yǎng)人工智能、智能制造、“互聯(lián)網(wǎng)+制造”、機(jī)器人、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)等方面的跨學(xué)科、跨專業(yè)的新型人才[2]’。隨著“新工科”建設(shè)的深入開(kāi)展，各學(xué)科的發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)的需求與日俱增，特別在高端交叉學(xué)科的人才培養(yǎng)上，計(jì)算思維的培養(yǎng)更是至關(guān)重要。因此，計(jì)算思維不僅是計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生必不可少的，也是非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生必須具備的思維能力[3]。

《程序設(shè)計(jì)》課程作為“新工科”體系中較活躍的課程之一，在“計(jì)算思維”學(xué)術(shù)層面詮釋了學(xué)科交叉、專業(yè)融合的理念。如何引導(dǎo)非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)、理解、掌握和應(yīng)用計(jì)算思維，是“新工科”建設(shè)中《程序設(shè)計(jì)》課程建設(shè)的重要問(wèn)題。因此，探索更科學(xué)的教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計(jì)，以及科學(xué)的實(shí)施教學(xué)過(guò)程，成為《程序設(shè)計(jì)》課程改革的重要任務(wù)。

2.《程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前，《程序設(shè)計(jì)》課程在傳統(tǒng)教學(xué)模式下以“知識(shí)點(diǎn)”為教學(xué)重點(diǎn)的填鴨式教學(xué)方法取得了較好的效果，也得到了學(xué)生的認(rèn)可，但是在新工科背景下，以“計(jì)算思維”能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的《程序設(shè)計(jì)》課程仍面臨著巨大的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，以我校為例主要存在以下問(wèn)題：

（1）教學(xué)模式以教師講授為主，不利于學(xué)生獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師是課堂的主導(dǎo)、知識(shí)的傳播者，學(xué)生只是機(jī)械地接受，不是主動(dòng)學(xué)習(xí)，忽視了學(xué)生的認(rèn)知主體作用，不利于學(xué)生的獨(dú)立思考能力的培養(yǎng)。而且在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生較少參與到教學(xué)活動(dòng)中，課堂氣氛活躍度較低，學(xué)生在這樣的課堂中對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣逐漸消失。

（2）教學(xué)內(nèi)容重語(yǔ)法輕思維，不利于學(xué)生編程思維的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教學(xué)內(nèi)容過(guò)分注重語(yǔ)法知識(shí)的講解，輕視了算法設(shè)計(jì)、邏輯思維和編程方法等編程能力的培養(yǎng)，大多數(shù)學(xué)生能夠掌握語(yǔ)法知識(shí)點(diǎn)，但是在實(shí)踐課中感到實(shí)驗(yàn)難度大，存在“聽(tīng)得懂，編不出”的問(wèn)題，還有部分學(xué)生能夠把課本上的例題調(diào)試好，但是自己編程解決問(wèn)題感覺(jué)無(wú)從下手，沒(méi)有真正掌握計(jì)算機(jī)編程的思維。

（3）實(shí)踐教學(xué)重結(jié)果輕過(guò)程，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

實(shí)踐課中教師布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)，基本上統(tǒng)一安排實(shí)驗(yàn)任務(wù)，沒(méi)有考慮學(xué)生的個(gè)性化差異。這樣的教學(xué)方式?jīng)]有針對(duì)性，既使得能力較差的同學(xué)總是無(wú)法完成任務(wù)、失去學(xué)習(xí)熱情和信心，也使基礎(chǔ)好的同學(xué)能力得不到體現(xiàn)、無(wú)法進(jìn)一步提高。同時(shí)在實(shí)踐課中對(duì)于一道題，學(xué)生只要能夠編程輸出正確結(jié)果就可以了，但是學(xué)生是用什么方法做的，教學(xué)中沒(méi)有重視，這使得學(xué)生做題不關(guān)心有多少種解決問(wèn)題的方案、哪一種方案最優(yōu)。這種實(shí)踐教學(xué)方式既不能全面展現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力，更不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（4）單一的筆試考核形式，缺乏對(duì)教學(xué)過(guò)程有效的反饋和編程能力的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，考核形式采用單一的筆試考試，忽略學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，更多的只看學(xué)生的最終考試結(jié)果。僅憑期末一張?jiān)嚲頇z驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，成績(jī)獲得的偶然性大，學(xué)生易養(yǎng)成“臨時(shí)抱佛腳”的學(xué)習(xí)習(xí)慣。以紙質(zhì)試卷的筆試考試形式，早期對(duì)語(yǔ)法等死記硬背的內(nèi)容的考核占據(jù)較大比重，主要以選擇、填空形式為主，卷面筆試等于紙上談兵，無(wú)法真正考核學(xué)生實(shí)踐能力尤其是編程能力及程序調(diào)試能力，最終的考試成績(jī)很難科學(xué)、真實(shí)地反映出學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握及應(yīng)用程度，學(xué)生的思維、創(chuàng)新能力也反映不出來(lái)。

3.《程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革

在“新工科”背景下，針對(duì)《程序設(shè)計(jì)》課程存在的問(wèn)題，圍繞“以計(jì)算思維能力培養(yǎng)”為導(dǎo)向，利用信息化輔助教學(xué)工具設(shè)計(jì)混合式教學(xué)[4]對(duì)課程進(jìn)行改革，如圖1所示，讓學(xué)生在“輸出”與“實(shí)踐”中學(xué)習(xí)編程，掌握《程序設(shè)計(jì)》課程的精髓——“計(jì)算思維”。

（1）混合式教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力

打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，結(jié)合傳統(tǒng)課堂與網(wǎng)絡(luò)課堂設(shè)計(jì)混合式教學(xué)模式，教學(xué)活動(dòng)分為課前、課中、課后。課前階段主要通過(guò)線上學(xué)習(xí)，掌握基本知識(shí);課中階段組織學(xué)生實(shí)踐與討論，鞏固基本知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用，提高學(xué)生的編程能力;課后階段結(jié)合線上與線下所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行綜合提高，結(jié)合專業(yè)加強(qiáng)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，課前完成知識(shí)的自主學(xué)習(xí)，課堂變?yōu)閹熒g互動(dòng)交流的場(chǎng)所，包括答疑解惑、知識(shí)的運(yùn)用和拓展等，課后變成對(duì)知識(shí)的進(jìn)一步提高，整個(gè)教學(xué)過(guò)程均培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考的能力，達(dá)到更好的教育效果。

為了加強(qiáng)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，以與專業(yè)相關(guān)的案例組織教學(xué)內(nèi)容，因此打破程序設(shè)計(jì)傳統(tǒng)語(yǔ)法的界限，將語(yǔ)法知識(shí)點(diǎn)分散到案例中，將課程內(nèi)容劃分為三部分：基礎(chǔ)知識(shí)、案例導(dǎo)教、知識(shí)拓展，分別在課前、課中、課后學(xué)習(xí)。

課前學(xué)生通過(guò)線上自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，兼有傳統(tǒng)教學(xué)的課前預(yù)習(xí)和課堂教學(xué)的一些功能，教師課前把相關(guān)的學(xué)習(xí)資料上傳到教學(xué)平臺(tái)上，學(xué)習(xí)資料包括基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)與經(jīng)典案例的微視頻、單元測(cè)驗(yàn)等，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度學(xué)習(xí)相應(yīng)的資料，最終完成單元測(cè)驗(yàn)進(jìn)行自我考核，有問(wèn)題可以通過(guò)平臺(tái)或課程答疑群與教師交流，教師通過(guò)平臺(tái)全面收集學(xué)生自主學(xué)習(xí)的反饋信息，了解學(xué)生對(duì)相關(guān)學(xué)習(xí)資料的吸收和掌握情況，增強(qiáng)信息反饋教學(xué)的指導(dǎo)力度，更新和完善線下教學(xué)內(nèi)容。

課中主要通過(guò)線下教學(xué)進(jìn)行，教學(xué)內(nèi)容主要是案例教學(xué)，以討論、實(shí)踐為主，有探究學(xué)習(xí)、小組合作、交流討論、成果展示等，圍繞學(xué)生課前任務(wù)階段的生成性問(wèn)題展開(kāi)，提出一個(gè)新穎的、能吸引學(xué)生注意力的案例，案例與專業(yè)問(wèn)題相結(jié)合。例如在對(duì)通信專業(yè)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)時(shí)，可以利用奇偶校驗(yàn)碼的原理變一個(gè)魔術(shù)，讓學(xué)生在好奇心的驅(qū)使下，既掌握二維數(shù)組的使用，又學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)。然后從案例中歸納出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考并進(jìn)行討論，讓盡量多的學(xué)生參與到討論中，教師的主要作用是將學(xué)生向解決方案上引導(dǎo)。線下教學(xué)采用信息化工具雨課堂，教師在電腦端和手機(jī)端安裝雨課堂，學(xué)生在手機(jī)端安裝雨課堂，這樣，教師上課的整個(gè)資料將會(huì)在學(xué)生和教師的手機(jī)雨課堂中保存，學(xué)生隨時(shí)隨地可以查看上課的全部資料，有問(wèn)題隨時(shí)可以與教師交流，為教學(xué)更好地進(jìn)行提供了支持。

課后鞏固拓展，通過(guò)歸納課堂教學(xué)活動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題和發(fā)現(xiàn)的新思路、新想法，將完善后的課件和學(xué)習(xí)資源再次發(fā)布到平臺(tái)上，幫助學(xué)生鞏固知識(shí)，同時(shí)分層次設(shè)計(jì)一些具有挑戰(zhàn)性的與專業(yè)相關(guān)的任務(wù)和小組任務(wù)，激勵(lì)不同水平的學(xué)生進(jìn)行自我挑戰(zhàn)，以此達(dá)到循環(huán)、拓展和拔高的效果。

（2）分層次的實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

為了適應(yīng)不同層次的學(xué)生的特點(diǎn)，通過(guò)增加不同難度的實(shí)驗(yàn)題目構(gòu)建基礎(chǔ)型、設(shè)計(jì)型、探究型三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，盡可能讓不同層次的學(xué)生在程序設(shè)計(jì)課程過(guò)程中都有所付出、有所收獲。

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)題目設(shè)置明確的知識(shí)屬性，突出重要的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的重要性進(jìn)行基于知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)題目練習(xí);設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題目包涵多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)題目進(jìn)行算法屬性分類，突出比較常用的算法，增加知識(shí)的廣度;探究型實(shí)驗(yàn)題目精選帶有創(chuàng)新型的題目，包含多個(gè)知識(shí)點(diǎn)、多個(gè)算法，主要用于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力、計(jì)算思維能力，學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)、基礎(chǔ)相對(duì)較好的學(xué)生根據(jù)自己的情況挑戰(zhàn)探究型的題目，增加知識(shí)深度的掌握。

在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，建立學(xué)習(xí)小組，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。建立學(xué)習(xí)小組，小組內(nèi)有問(wèn)題分歧時(shí)，學(xué)生進(jìn)行討論，教師把組內(nèi)討論學(xué)生的活躍度作為平時(shí)考核的指標(biāo)，這可以大大提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。同時(shí)針對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生使用不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后小組能進(jìn)行講解、評(píng)價(jià)，從而培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的多樣性和創(chuàng)新性。

（3）分階段、累加式考評(píng)體系，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

《程序設(shè)計(jì)》課程以國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)理論為指導(dǎo)，采用過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的分階段、累加式考評(píng)體系，如圖2所示，從知識(shí)、思維、能力等多個(gè)方面考核學(xué)生，著重考核學(xué)生的實(shí)際工作能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新意識(shí)，考核方式與培養(yǎng)目標(biāo)相結(jié)合，主要評(píng)價(jià)在相應(yīng)的培養(yǎng)目標(biāo)下學(xué)生的學(xué)習(xí)達(dá)成度情況。

形成性評(píng)價(jià)的具體方式與課程學(xué)習(xí)任務(wù)的安排相配套。課前任務(wù)階段，學(xué)生通過(guò)在線測(cè)試、在線作業(yè)、交流反思等環(huán)節(jié)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和同伴互評(píng)。課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，主要是針對(duì)學(xué)習(xí)成果展示和課堂表現(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。課堂表現(xiàn)主要基于課堂發(fā)言、研討的數(shù)量和質(zhì)量、出勤率等指標(biāo)進(jìn)行學(xué)生自評(píng)、同伴互評(píng)和教師評(píng)價(jià)。課后拓展環(huán)節(jié)，老師基于每個(gè)同學(xué)的個(gè)體差異進(jìn)行差異性評(píng)價(jià)，使每個(gè)學(xué)生在知識(shí)、能力和素質(zhì)方面得到持續(xù)性發(fā)展。終結(jié)性評(píng)價(jià)包括章節(jié)測(cè)驗(yàn)成績(jī)、期末考試成績(jī)，由基于 Moodle 開(kāi)發(fā)的“知碼開(kāi)門”和ACM Online Judge的在線評(píng)測(cè)模塊給出，該過(guò)程不再是傳統(tǒng)的對(duì)知識(shí)概念的考核，真正考核了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的靈活運(yùn)用能力和綜合處理問(wèn)題能力。

推行分階段、累加式成績(jī)考核方法的核心和目標(biāo)是通過(guò)成果引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)、訓(xùn)練知識(shí)應(yīng)用能力，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，提升創(chuàng)新能力，特別重視學(xué)生個(gè)人預(yù)期與最終預(yù)期之間的差異，擺脫傳統(tǒng)教學(xué)固有的“標(biāo)準(zhǔn)化”的狀況，強(qiáng)調(diào)個(gè)性化、多元化，充分發(fā)揮個(gè)體的優(yōu)勢(shì)，這一過(guò)程對(duì)于學(xué)生的綜合考核具有一定的實(shí)際意義，也從某種方面上刺激學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。

4.總結(jié)

本文以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向探究《程序設(shè)計(jì)》課程的教學(xué)改革，從教學(xué)模式、教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)體系、考核方式四個(gè)方面對(duì)課程進(jìn)行了改革，以更適合在“新工科”背景下實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才培養(yǎng)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

田紅磊（1980年-），女，山東濰坊人，講師，工學(xué)碩士，從事大學(xué)計(jì)算機(jī)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)研究。