新工科背景下程序設計語言課程的探究式教學

摘? 要： 針對新工科背景下程序設計語言課程在實際教學中面臨的主要問題，結合探究式教學模式，建設程序設計語言課程的開放式教學體系。采用探究式教學，改革傳統的教學內容和教學方法，利用在線學習平臺，支持學生進行“自主學習”和“在線實驗”，開展競爭性學習和創新性實驗的教學改革實踐。這些教學改革的探索，有效地提高了程序設計語言課程的教學質量和教學效果，有利于實現新工科人才培養的目標。

關鍵詞： 程序設計語言課程; 新工科; 探究式教學; 教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2021）03-72-04

Inquiry teaching for programming language courses in the context of New Engineering

Ma Hua

（College of Information Science and Engineering， Hunan Normal University， Changsha， Hunan 410081， China）

Abstract： Aiming at the main problems in the practical teaching of programming language courses in the context of New Engineering， the inquiry teaching mode is applied to build the open teaching system of programming language courses. The traditional teaching contents and methods are reformed by using the inquiry teaching mode， and the online learning platforms are used to support students to carry out "autonomous learning" and "online experiment"， and the teaching reform practice with competitive learning and innovative experiment is put into effect. These explorations of teaching reform effectively improved the teaching quality and teaching effect of programming language courses， which are beneficial to achieve the goals of talents training in the context of New Engineering.

Key words： programming language course; New Engineering; inquiry teaching; teaching reform

0 引言

近年來，教育部積極推進新工科建設，新工科背景下的人才培養對高校的教育教學提出了新要求，需要我們更新人才培養體系，將新技術和發展前沿引入教學過程，更新課程體系和教學內容，促進學生全面發展。對于計算機類本科專業的學生而言，新工科建設要求他們應具有計算思維能力、程序設計與系統開發能力、算法設計與分析能力等。程序設計語言課程正是培養學生具備上述能力的重要途徑。以基于C或Python的程序設計基礎、基于C++或Java的面向對象程序設計等為代表的高級語言課程，具有較強的專業性和實踐性，這類課程的學習對于提高學生分析和解決工程實踐問題的能力有關鍵作用。然而，現有的教學過程仍通常采用以教師為中心的“單聲道”教學模式，難以滿足新工科背景下培養卓越工程師的需求[1-2]，因此，對現有教學模式進行改革已成為當前高校面臨的迫切需要。

目前，一些高校已對程序設計語言課程的教學進行了改革[1-5]，但是，以新工科為背景的改革研究尚處于探索階段，如何調整適應新工科發展需要的教學模式與方法仍是值得研究的重要問題。探究式教學是一種將研究與教學相融合的師生互動型教學，具有創新性、實踐性和開放性等特點，是現代高校在培養創新創業人才中探索、建構的互動型教學模式[6]。國內一些高校通過創新探究式教學模式，已取得了具有代表性的成果[7]，從而為相關教學改革活動的開展提供了寶貴的經驗。近年來，我們努力探索面向新工科人才培養的程序設計語言課程的探究式教學改革，以期不斷改進相關課程的教學質量和效果。

1 新工科背景下程序設計語言課程的教學改革現狀

新工科背景下程序設計語言課程的教學尚存在四個方面的不足[1-2]。①教學中理論和實驗課時不足，學生只能掌握基礎知識和教材中有限的例程。②傳統教學方法與當前的培養目標不相適應，多數學生在實驗時停留在對教材例程進行調試驗證，盡管學生能掌握基本的編程語法和程序的調試技巧，但遠未達到自主分析和解決實際問題的程度。③教學質量評價方式單一，與新工科背景下的人才培養理念不相符，當前教學質量評價仍普遍是依據學生的筆試與實驗報告成績，難以全面、客觀地反映學生對知識的掌握情況和對知識的靈活運用能力，從而容易出現高分低能的現象。④缺少與新工科背景下人才培養相適應的線上教學資源，而優秀的在線教學資源對于學生開展課前預習、課后輔導和答疑解惑具有重要作用。

近年來，一些高校對新工科背景下程序設計語言課程的教學進行了改革實踐。桂林理工大學基于C程序設計課程，進行了針對非計算機專業學生的計算思維能力的“一線三層四維”培養模式教學改革，在教學實踐活動中以“創設環境、項目引導、講授新知、合作探究、總結拓展”為主線，對學生的思維能力分層培養，并從多維度啟發學生思維，激發其興趣[2]。西安工程大學充分發揮傳統教學與互聯網線上教學相結合的優勢，按照程序設計語言課程的“教學目標、學習重點與難點、線上資源和學生個人能力”等四個方面綜合分析實現混合式教學的新思想、新模式[1]。河南大學在Java程序設計課程教學中提出了以“過程性評價、項目驅動”為核心的新教學體系改革[3]。武漢理工大學在Python程序設計課程中開展交叉融合案例教學的改革實踐[4]。蘭州理工大學結合MOOC和SPOC來改革教學模式，設計了工程領域的教學案例[5]。

2 新工科背景下探究式教學改革的理論基礎

探究式教學由芝加哥大學教授施瓦布倡導。在探究式教學過程中，學生在老師的指導下，對教學內容中的重要知識點進行“自主學習”、“深入探究”、“小組合作交流”，以實現課程教學的認知目標與情感目標。隨著建構主義、人本主義等思想的普及，探究式教學凸顯出其重要的理論和實踐價值，受到了全球教育改革者的關注。通過近幾十年的發展，探究式教學在美國已成為最有影響力的科學教育方法之一。在我國，教育部印發的《基礎教育課程改革指導綱要（試行）》大力提倡了探究式學習，在《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中，也強調要積極推動研究型教學。當前，許多高校已把探究式教學模式作為培養創新人才的重要途徑之一。例如，汕頭大學結合CDIO工程教育改革背景進行了工科課程的探究式教學改革的實踐[8];天津大學在材料力學課程的探究式教學改革結果顯示，基于問題學習的探究式教學有利于統一教與學兩個過程，有利于培養大學生的創新意識，可為培養高素質工程技術人才打好基礎[9]。近年來，四川大學正是以“探究式--小班化”課程改革為突破口，在2018年獲得了國家級教學成果特等獎[7]。這些工作為開展新工科背景下程序設計語言課程的教學改革提供了關鍵的理論支撐和實踐指導。

3 新工科背景下教學改革的主要內容

⑴ 構建基于探究式教學模式的開放式程序設計語言課程教學體系

針對傳統封閉型教學體系的不足，我們基于探究式教學模式摸索適用于程序設計語言課程的開放式教學體系。該體系以“小組協作在線學習”為主要方式，形成一個有利于開展個性化教學、探究式學習和實踐創新活動的綜合平臺。通過應用“及時教學”模式，形成教學“反饋鏈”，將學生的課前預習、課中協作和交流、課后總結等三個環節有機整合，充分調動學生作為教學過程中的“雙主體”之一的積極性，也充分發揮教師作為教學組織者和參與者（但不是領導者）的作用。從而，適應新工科背景下培養實踐能力強、具有創新素質的高層次人才的需求。以面向對象程序設計課程為例，鑒于當前計算機類本科專業班級人數規模大多在50～60人的現狀，摸索在“探究式教學”中實施基于公共在線教學平臺的“小組協作學習”，在學習中，注重強化落實工程案例討論、開源項目源碼分析、軟件系統重構、分組協作與競爭、全過程學業評價和非標準答案考試、學生的個性化學習等。

⑵ 面向項目探究式教學的教學內容和教學方法改革

結合新工科對本科教育提出的新要求，我們通過探究式教學模式改革程序設計語言課程的現有教學內容和方法。從情境構建、任務分解、獨立探究、協作學習、綜合評價等方面研究教學方法的設計要素和教學步驟的指導性原則。我們緊密結合現實的軟件項目需求，構建適用于探究式教學的項目環境，從面向學生工程應用能力發展的角度進行任務分解，促進學生在完成任務過程中做到學以致用和活學活用。

在具體的實踐方面，我們利用在線教學平臺和開源軟件社區的學習資源，豐富教學內容;利用在線學習社區，組織多樣化的學習協作小組，增強學生的自主學習與團隊協作能力;通過增設研究生助教的形式來強化對學生實踐環節的線下和線上輔導，以緩解實驗課時不足的矛盾。同時，在教學內容和教學方法方面也進行了重點改革。①基于EduCoder系統（educoder.net）設計游戲通關式的練習與測試資源庫，引導學生從游戲中學習、在學習中競爭，引導學生真正喜歡編程。近年來我們已在EduCoder建設了多門課程，構建了可以支撐探究式教學的較為完善的資源庫。②從開源中國和GitHub等開源軟件社區引入一些具有新意的開源軟件，幫助學生快速體驗到程序設計的樂趣感與成就感。以面向對象程序設計課程教學中的游戲作品開發環節為例，我們不再拘泥于要求學生手工編寫作品的全部代碼，而是引導學生自主性地探究一個給定的代碼行在2000到5000行左右的開源游戲源碼，完成一系列針對該開源項目的Bug分析與修復、系統重構設計與實現、游戲功能的擴展與完善等開放性任務。我們以學習小組為單位，組織“游戲測試與開發迭代”的開放式挑戰賽，營造小組間的競爭與相互學習氛圍。通過引入設計模式的原理和思想，教師以具體的項目案例為基礎，引導學生直觀地體會編碼的藝術性，理解實現系統的可維護、可重用的重要性，讓學生身臨其境地感受經典的代碼編寫模式、高效的程序開發框架、強大的界面表現力等，從而快速培養學生的學習興趣。

4 新工科背景下教學改革的實踐

近年來，我們在面向對象程序設計課程的教學中進行了改革實踐。該課程的教學目標和教學要求確定為：①基于Java語言講授面向對象程序設計，進行面向對象思維、方法的訓練;②通過學習、設計及編程實現，學生能熟練使用UML類圖和常用的設計模式，具有一定的面向對象設計、開發能力;③通過開源項目分析與重構訓練，為后續課程及大型應用軟件的研究、設計打下基礎。

教學過程采用多媒體教室授課和實驗室實踐相結合，分組學習與課堂討論相結合，學生的個性化學習與分組匯報相結合，進行任務驅動的探究式教學。在具體教學實施時，我們基于EduCoder平臺開展線上與線下教學下結合的混合式教學方式。

⑴ 基于平臺的“試卷”模塊，通過設計多次知識能力測試和綜合能力測試，以對學生進行認知能力分析和綜合素質診斷。一方面，這些分析與診斷結果將直接用于指導任課教師優化現有的教學內容及教學過程，可有針對性地對學生進行輔導和指導。另一方面，根據測試所獲得的學生在學習能力、學習狀態和協作能力等方面的量化評分數據，按照“組間同質、組內異質”的原則，指導任課教師構建更加合理的學習小組[10]，以更高效的開展合作學習。

⑵ 基于平臺的“實訓作業”模塊，導入平臺現有的豐富“實訓”資源，并發布給學生在課后針對“面向對象編程”相關的知識點進行全覆蓋的密集式訓練，以確保學生能夠扎實地理解封裝、繼承、多態等基本概念，正確地運用重載和重寫、抽象類和接口、常用的工具類等。

⑶ 基于平臺的“普通作業”模塊，手工新建十余個“實驗”項目，任課教師在實驗課時可對學生進行涉及重點、難點知識的針對性輔導，尤其強調培養學生利用UML進行系統分析和設計的能力，也要求學生至少熟練應用工廠模式、建造者模式、單例模式、適配器模式、橋接模式、組合模式、裝飾模式、外觀模式、命令模式、策略模式等經典設計模式。

⑷ 通過“分組作業”模塊手工新建兩個“作品設計”項目（包括一個擁有1000多行代碼的坦克大戰游戲和一個擁有數十萬行代碼的工作流系統開源項目），組織學生進行開源項目的源碼分析、Bug識別與修復、系統重構的設計與實現、功能擴展與完善等，并鼓勵和落實作品的合作學習及相互點評，啟發學生自主思考和自我提升，實現學生發現問題、分析問題和解決問題能力的培養。

⑸ 利用平臺的“統計”模塊，定期公布學生在線學習情況的綜合排名及得分，點評有代表性的學生在平臺上的表現，這樣能對大多數學生起到督促和導向作用，并且，對于改進學生的學習積極性和提高在線學習的活躍程度也均是有益的。

5 結束語

通過近年來的努力，我們在新工科背景下基于程序設計語言課程的探究式教學過程取得了較好的改革效果，主要表現在：學生對于程序設計語言的學習興趣較濃;學生的自主學習和協作學習的意識不斷提升;學生解決實際應用問題的能力有一定程度的增強;學生期末考核的不及格率呈明顯下降趨勢;參加省級學科競賽的學生人數持續增加，特別是軟件工程專業學生，近三年來均取得了多項省級大學生程序設計競賽的一、二、三等獎;不少學生獲得了校級或省級大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目資助，人才培養質量得以提升。接下來，我們將進一步結合校企合作背景來構建與大數據、云計算、人工智能等相關的教學案例，引導學生進行跨學科、跨專業的遷移學習。

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