以應用需求為導向的程序設計課程教學改革

李運發

（杭州電子科技大學計算機學院，浙江杭州 310018）

0 引言

科學技術的不斷進步推動了通信應用、電子應用、智能應用、互聯網應用、傳感應用的發展，對人們學習和掌握程序設計語言提出了更高要求。如今，越來越多應用領域急需掌握程序設計的高素質人才。在此現狀下，程序設計課程在大學生教育階段中扮演著舉足輕重的角色。掌握程序設計的基本知識和基本技能已成為了當代大學生不可或缺的技能之一。

長期以來，大學程序設計課程的教學均以教學大綱為指導，在規定的時間、地點完成授課內容。雖然任課老師在每節課的教學準備階段均設置了教學目標和任務，且在教學過程中著重說明了教學的重點和難點，但由于學生缺少具體的應用實踐，對應用場景缺乏直觀的了解，無法明確學習程序設計的目的，學習方向十分混亂，間接導致學生喪失了該課程的學習動力。

雖然目前教學方式隨著互聯網技術的發展已經發生了重大變化，線上教學平臺推動了高校程序設計課程教學模式的變革，提升了學生通過線上資源進行自主學習的積極性。教學模式打破了時間和空間的束縛，對大學程序設計課程教學起到了極大的推動和促進作用。但目前改革主要集中在教學方式的改變上，從教師講授為主轉變為輔導為主，學生聽課為主轉變為學生自學為主。在需求導向方面的作用較少，缺乏與實際相結合的應用場景。然而，隨著科學技術的不斷發展，從辦公自動化軟件到信息管理系統，從自動傳感器的嵌入式軟件到物聯網軟件，從工業自動化到工業物聯網等，這些軟件的應用模式和需求都在不斷發生變化。因此，需要進行以應用需求為導向的大學程序設計課程教學改革。

1 相關研究

程序設計作為許多專業的一門基礎課程，面向的不僅僅是千千萬萬的大學生，還有各行各業的工作者。由于程序設計課程的重要性，許多教育工作者對其進行了研究，提出了一系列與程序設計課程建設與培養相關的教學理論和方法。彭鑫［1］針對實踐化教學過程中所面臨的教學問題，在多年摸索及與企業相互交流的基礎上提出了一種以軟件構造為中心的軟件工程實踐化教學方法。此方法確定了以軟件構造為中心，依托云平臺，以迭代的方式開展課程教學實踐。彭鑫等［2］針對傳統軟件開發實踐教學中所面臨的問題，提出了一種以軟件維護為導向的軟件工程實踐教學方法。此方法主要通過加強軟件維護的實踐訓練提高學生對系統的理解、修改和維護能力。李文騫［3］提出了一種基于OBE 理念的程序設計類課程的教學改革模式。此模式以預期的學習成效為出發點反向設計教學過程。目的是讓學生成為教學活動的主體，提高程序設計類課程的教學質量和教學水平。

周會平等［4］針對程序設計課程教學中面臨的問題和挑戰，提出建設程序設計教學生態。通過結合各種教學資源和輔助教學工具，依靠群智學習的方法構建自主學習環境，實現真正的個性化教學，并介紹了支撐教學生態的資源和平臺。鐘登華［5］基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求指明了我國工程教育的改革方向。需要重點把握學與教、實踐與創新、本土化與國際化這三個任務，以立德樹人為目標進行教學評價體系的教育改革。李青山等［6］針對高校人才培養中亟待解決的重大問題，從軟件工程專業人才培養的實際出發，探索面向人才需求導向的軟件工程專業實踐能力培養體系，提出“三全育人”的新模式及實現路徑。

為了解決高校課堂普遍不重視理論知識與實際應用相結合的問題，張帥［7］提出了基于“五位一體”的應用型大學軟件技術專業人才的培養方法。針對目前C 語言程序設計課程教學中存在的問題，靳小燕等［8］通過有效融合專業特色，對“C 語言程序設計”課程教學進行改革與實踐，提高了學生的學習興趣與編程能力。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，馬華［9］通過改革傳統的教學內容與方法，利用在線學習平臺，構建了程序設計語言課程的開放式教學體系，有效地提高了程序設計語言課程的教學質量和效果，實現新工科人才培養的目標。

針對新形勢下社會對測繪工程專業學生培養的新需求，董超等［10］結合測繪工程專業認證背景及社會、學校、學生的實際情況，對新形勢下測繪程序設計課程的教學進行研究。具體措施為：調整培養計劃，協調課程關系；綜合系統統籌，梳理教學內容；提升教學條件，改進教學模式；改善評價體系，鼓勵個性發展。針對思政教育難以有機融入專業課程的問題，李金忠［11］分析了面向對象程序設計（Java）課程思政的現狀，提出程思政育人的目標，探討如何將思政元素有機融入課程教學中，為計算機類專業的課程思政教學提供參考。為提升程序設計基礎課程的教學實效，谷長龍等［12］針對非計算機專業程序設計基礎課程的教學現狀，探討了基于任務驅動的混合式教學模式。為適應在線教學的特殊形式，徐偉等［13］首先介紹了程序設計課程在線教學，然后利用OJ 系統、增加代碼風格、優化成績統計等方式對程序設計課程教學進行改革和研究。基于以學生為中心的教育理念，結合目前的教學現狀和存在的問題，盧瑾等［14］以編程在線評判系統為依托，結合競賽教學，分別從教學內容、教學模式以及教學評價三個方面對程度設計課程教學進行了分析和改革，強調必須根據施教效果的反饋來調節教學環節。

從上述研究可知，程序設計課程教學改革已取得了一定的效果，對于促進程序設計課程教學實施、提高教學效率和效果等方面都起到了非常重要的作用。但是，隨著科學技術的飛速發展，現有的教學模式無法滿足社會實際應用發展的需求，需要不斷進行探索和改革。

2 應用需求與大學程序設計課程教學的現狀分析

隨著經濟、科技和文化的高速發展，云計算、物聯網、大數據、人工智能等前沿科技技術得到了廣泛的應用。這些應用涉及到電子工程、航空航天、海洋保護、能源開發、生物治理、政府管理、商業貿易、自動控制、信息通信、汽車駕駛、醫藥衛生、財務管理等領域。隨著實際需求的不斷增加，要求高校在教學中面向不同專業的實際需求時，提出合適的教學大綱、教學任務和教學內容。

目前，大學程序設計課程涉及匯編語言、C 程序設計語言、C++程序設計語言、SQL 數據庫、Java 程序設計語言、Python 程序設計語言、JavaScript 程序設計語言、C#程序設計語言、Rust 程序設計語言、PHP 程序設計語言、Pascal 程序設計語言、Fortran 程序設計語言、go 語言、NoSQL 圖形數據庫等。然而，這些語言在實際教學過程中，過多的注重程序設計理論、程序設計規則、程序設計技巧等，導致實際應用與程序設計課程教學之間相互脫節，缺乏以應用需求為導向的教學大綱、教學任務和教學內容，沒有考慮到學生的專業特性、實際應用背景和未來的職業需求。

Fig.1 The relationship Diagram between software application and program design course teaching圖1 目前軟件應用與程序設計課程教學之間關系圖

由圖1 可見，實際應用與課程教學存在脫節的原因主要表現在以下三個方面：①學生對程序設計語言難以產生深刻的理解。由于程序設計語言的教學缺乏與實際應用相結合，導致學生無法使用所學知識解決實際問題。②學生難以掌握程序設計語言的精髓。學生只是被動（或主動）的接收程序設計語言課程的零碎知識，未能將其應用于實際問題中，缺乏解決實際問題的經驗和能力。③學生對程序設計語言難以產生興趣和愛好。學生在程序設計語言的學習過程中實際應用的機會較少，因此缺乏主動學習的動力，學習效果較差，難以產生濃厚的興趣和愛好。

3 以應用需求為導向的程序設計課程教學改革

大學程序設計人才培養的目標必須圍繞國家發展的應用需求，堅持理論和實踐相結合的教學方式，全面貫徹以應用需求為導向的教學指導方針，培養符合國家、社會需要的軟件設計和開發人才，充分認識到軟件自主開發對我國經濟發展的重要性，切實提高學生的實際動手能力和開發能力。基本方法如圖2 所示。

Fig.2 The teaching reform method diagram of programming course oriented application demand圖2 以應用需求為導向的程序設計課程教學改革方法

3.1 基于學生專業的實際應用需求分析

大學生掌握程序設計語言既是自身發展的需要，還是社會發展的必然要求。因此，需要分析不同專業學生的應用特性，調查學生的實際應用需求，將實際應用需求貫穿于大學程序設計課程的整個教學過程中將有利于提高學生的程序設計水平與能力，具體方法如下：

（1）從學生專業的角度出發，深入了解學生的專業領域，分析專業的發展現狀和應用需求，探討現有技術變革下的未來需求。具體為：分析實際的生活需求、工作需求、生存需求、學習需求、研發需求等方面；另一方面也要分析個人需求、家庭需求、單位需求、社會需求、國家需求等方面。將學生的專業需求與個人需求、社會需求和國家需求相互統一，制定出不同專業學生的應用需求大綱。

（2）根據不同專業學生的應用需求大綱，結合不同專業的應用特性，分析程序設計課程知識的應用背景，探索如何將程序設計課程的知識應用到實際需求當中，建立程序設計課程知識與應用需求相統一、相融合的對應關系，使學生能夠利用所學知識去解決實際應用中的問題。

3.2 以應用需求為導向的程序設計教學課程設計

目前大學程序設計教學課程大部分是按照以下三種情況進行組織：通識基礎課、專業核心課和創新實踐課。通識基礎課是將大學程序設計教學課程在非計算機專業的學科中設為必修課，主要向學生傳授程序設計的基本知識和方法理論。這種設置從某種程度上體現了程序設計教學課程對非計算機專業的重要性。專業核心課則將部分大學程序設計教學課程在計算機專業的學科中設置為必修課，一方面向學生傳授程序設計的基本知識、方法和理論，另一方面向學生傳授程序設計的技巧與分析方法。創新實踐課則將部分大學程序設計教學課程在計算機專業的學科中設置為選修課，主要向學生傳授程序設計的創新思想和方法，使學生能夠運用所學知識解決一些較為復雜的問題。這種組織方式具有一定的科學性，但也面臨著一系列的問題。主要表現為：在通識基礎課中，非計算機專業的學科眾多，不同學科的專業互不相同，實際應用需求、未來從事職業、有待解決的問題均不一致。在專業核心課中，程序設計課程的教學內容過多關注程序設計理論、規則、技巧等，缺乏有效地引導學生利用所學知識解決實際問題。在創新實踐課中，雖為學生提供了鍛煉的機會，但隨著科學技術的發展，大數據、人工智能等前沿領域得到了廣泛應用，當前高校的程序設計教學課程的應用思想和應用理念與該學科的發展相互脫離，未能真正讓學生學以致用。

針對目前大學程序設計教學課程所面臨的問題，設計以應用需求為導向的程序設計教學課程，具體方法如下：

（1）制定與應用需求相結合的教學大綱和內容。為了全面貫徹程序設計課程教為所用、學以致用的目標，對大學程序設計課程的教學大綱進行全面分析，積極打造校企合作新方式，將傳統的程序設計理念方法與新時代的需求緊密結合，緊跟科技創新新步伐，構建軟件應用與課程教學相通的橋梁。同時，聚焦國家發展戰略，努力培養社會、國家所急需的軟件設計和開發的工程實用型人才和科技開發型人才。

（2）設計與應用相結合的教學方式。隨著教學大綱和內容的迭代更新以及市場需求的變化，教師在教學過程中應該同步調整教學方法，一方面需要著重培養學生的創新能力，另一方面要培養學生的實際動手能力。創新與實踐是大學程序設計課程的重點，只有讓學生真正動手實踐，才能充分吸收課程的基本知識，消化理解老師的授課內容，形成自己的理解，從而為理論創新奠定基礎。

大學程序設計教學課程應緊密結合社會和國家的發展需要，及時調整教學計劃與教學方式。即使入門級的程序設計課程，也要根據實際應用需求對教學方法做出相應的調整。對于當下流行的、前沿的程序設計技術，可通過對相關實踐教學的介紹，使學生了解前沿程序設計技術，從而可以初步選擇自己未來的研究領域。因此，提升學生在實際應用中的參與度是當前大學程序設計課程在教學過程中需要解決的重要問題之一，可通過設計與應用相結合的教學方式來解決。教師在教授相應課程時，應結合慕課模式、翻轉課題模式和上機實踐模式，引出一些熱門的應用問題，讓學生分組探討和實踐，提高學生的參與度，增強學生的學習興趣和思維能力。更重要的，通過與應用相結合的教學方式，將傳統教學模式轉化為教師演講與學生實戰練習相互結合的方式，使學生在強化知識的同時提升發現問題和解決問題的能力。

（3）構建以學生發現問題和解決問題能力為主的評估方法和評測模式。目前，許多高校在程序設計教學課程的效果評估與評測中，依然采用傳統的筆試方法，從學生的答題效果來評測學生掌握知識的情況和教師的授課質量。這種方式對于一些偏理論性或記憶性的基礎課程而言更適合，但對于應用性、操作性都很強的程序設計類課程則并不適合。以C、C++、Java、Python 等基礎程序設計語言為例，采用傳統的考核方法雖然可以涵蓋語言基礎、程序流程控制、數組等內容，但未包含實際操作的程序設計步驟和基本的調試運行方法。因此，難以適用于以應用為導向的程序設計語言教學課程的評估與評測。為此，需要構建以學生發現和解決問題能力為主的評估方法和評測模式。

基本方法包括：①構建以學生發現和解決問題能力為主的評價指標。在以應用需求為導向的程序設計教學課程的評估過程中，教師是教學活動的引路者和指引者，學生是教學活動的思索者和踐行者，應用需求是整個教學過程中的橋梁，是整個教育模式向前的動力。構建以學生發現和解決問題能力為主的評價指標在整個教學效果評估活動中起著關鍵作用，它能衡量學生如何將程序化的應用抽象化和具體化，又如何在有效的時間內將抽象化和具體化的應用程序化。②構建以學生發現和解決問題能力為主的評價步驟。在以應用需求為導向的程序設計教學課程的評估過程中，根據設計的教學大綱、教學內容和教學方式設計評估步驟是整個教學過程的前提。評估步驟不僅要考慮應用需求的引入、程序設計思想的運用、應用問題的解決等，還需綜合考慮應用需求的難點、程序設計語言的特點、教師態度、學生水平、學生實踐環境等。為此，需要采用理論聯系實際、循序漸進、不斷改進評價步驟。

4 案例和實施效果分析

根據上述研究和探討的結論，以Java 語言程序設計的課程教學結合快遞公司對物流配貨管理的信息化應用需求為案例進行展示和說明。

根據快遞公司對物流配貨管理的信息化應用需求，首先構建Java 語言程序設計的課程教學。教學大綱涉及的內容包括課程目標、課程內容和基本要求、實際動手環節及其要求等。具體為，基于快遞公司對物流配貨管理的信息化應用需求，構建Java 程序設計語言的基本學習方法，使學生通過系統功能的劃分、設計和開發過程，切實理解程序設計的基本概念和解決問題的基本思路，培養學生面向對象程序設計的基本思想，使學生具備功能劃分、功能設計、程序閱讀、程序設計的基本能力，并且能夠順利完成Java 語言程序的編寫和調試工作，解決系統設計過程中的各種實際問題。

接著，根據制定的教學大綱和內容，設計與應用相結合的教學方式。在實際教學過程中，基于快遞公司對物流配貨管理的實際過程，分析物流配貨信息化管理的需求。通過分析，有利于學生及時掌握物流配貨的車源信息、客戶訂單和客戶信息。基于此，教師依次制定每節課的授課內容，包括Java 語言中數據類型的分類、變量的定義、表達式的描述、運算符的種類劃分等。通過具體的應用信息，使學生能夠直觀、生動地了解數據類型、變量、表達式、運算符的應用場景，了解數據類型的分類、變量的定義、表達式的描述、運算符的種類劃分等在程序設計中的作用和功能。其次，在開發系統功能前，教師可指導學生配置程序的開發環境，使學生能夠掌握Java 語言程序設計所需的開發環境。包括操作系統的配置、JDK 版本的選擇、開發工具的部署、服務器的構建、后臺數據庫的搭建等。此過程能夠加深學生對Java 語言程序開發環境的了解和掌握。最后，對物流配貨信息化管理進行系統設計和開發，使學生能夠真正理解和掌握Java 語言數據的輸入和輸出、控制語句的實現、數組的聲明等。

最后，構建以學生發現和解決問題能力為主的評估方法和評測模式。根據物流配貨管理系統的功能劃分，評測學生在不同功能模塊中的實現方法、實現過程和完成狀況，給出系統功能的達成度指標和評價模式。

將此案例應用于實際教學過程中，并將其與傳統教學方法和翻轉課堂教學方法就學生對Java 語言程序設計的平均了解度、平均喜愛度和解決實際應用的平均達成度三個方面進行比較，結果如圖3 所示。

Fig.3 The statistical chart of the effects of three different teaching methods圖3 三種不同教學方法的效果統計

由圖3 可見，學生對Java 語言程序設計的平均了解度、平均喜愛度和解決實際應用的平均達成度都比傳統教學、翻轉課堂教學要高，表明該教學方法能夠使學生了解Java語言程序設計課程在實際中的應用需求，深受學生喜愛，能夠激發學生學習的潛力和動力。

5 結語

大學程序設計課程是高等學校向學生傳授計算機程序設計思想的基本課程，是培養應用型人才、科研型人才和創新型人才的必要課程。對于廣大教育工作者而言，如何有效地大量培養適合社會和國家應用需求的人才是急需解決的問題之一。當前大學程序設計課程的教學思想、教學方式難以滿足當今社會需求，因此，需要進行以應用需求為導向的大學程序設計課程的教學改革，提出切實可行、易于實施的方案。但大學程序設計課程涉及的程序設計語言種類繁多、應用需求十分廣泛，由于篇幅有限，不適合針對具體的應用需求給出詳細的實現方案。因此，本文針對整個大學程序設計課程，通過結合社會需求，提出以應用需求為導向的大學程序設計課程教改的基本思想和方法，對現有的教學方式進行適當取舍，引入利于學科發展、解決實際問題的措施與教學手段。