基于實踐創新能力培養的程序設計課程教學改革研究與實踐

楊福強　尹西杰　劉美珍　趙建秀　孫育紅

關鍵詞：課程改革；程序設計競賽；在線評測；混合式；實踐創新

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）36-0163-03

1 引言

近年來國家大力推行卓越工程師教育培養計劃2.0，面向工業界、面向世界、面向未來，主動應對新一輪科技革命和產業變革挑戰，切實推進基于實踐創新能力培養的課程混合式應用型教學改革研究與實踐具有深遠的意義，計算機專業教學改革的突破口在于人才培養目標的定位，研究計算機專業課程改革對推進我國高等教育改革具有重要意義和深遠影響。程序設計課程是計算機專業的核心課程，能否高質量地完成該課程的教學任務，對學生的職業能力、就業及其發展前途具有根本的影響。如何改革現有的程序設計課程教學模式，讓學生有效地掌握程序設計實際技能，目前已經成為計算機程序設計課程教學急需解決的迫切問題[1]。

該校程序設計基礎課程團隊積極回應時代與學生需求，構建一種基于實踐創新能力培養的《程序設計基礎》課程教學模式，用MOOC教學內容、進行問題導向、以賽促學、任務驅動、以實踐推動創新的教學方法[2]，從技術層面解決困擾程序設計課程教學的瓶頸，提升學生的程序設計能力，實現學生計算思維的形成，滿足國家社會、學校和個人發展的實踐創新型新工科人才需要。

課程團隊一是研究以培養實踐創新能力為目標所采取的以國際大學生程序設計競賽ICPC為導向進行教學實踐和開發程序在線評測網站（Online Judge）作為學生平時線上訓練平臺的這一措施的教學訓練效果[3]。二是研究變革課程考核方式、提高平時成績比重、重視學生代碼積累。結合線下作業，實驗報告，ACM題庫訓練，考勤，探索實踐教學的導向作用。三是進行基于“MOOC+SPOC+翻轉課堂”的混合式教學試點，研究引入SPOC平臺作為控制教學過程手段的教學實踐效果。

課程團隊結合創新型和應用型人才培養目標，確定程序設計基礎教育的教學改革方案，構建知識能力結構體系，確定教學內容。培養好學生的創新能力、專業思維與實踐能力，具體為：一是使學生達到社會就業及專業本身所需要的計算機基本知識和技能。

二是通過教改方案使學生在實踐中形成程序設計能力、計算思維和創新能力，教師督促學生的學習訓練，發揮好課上是教師，課下是教練，競賽是向導的引領作用。三是使學生具備新工科新形勢要求，培養學生在國際大學生程序設計競賽上取得重大突破，滿足應用型創新型人才培養市場需求。

2 問題分析

由于該校有濃重的女性特色，計算機相關專業雖然是理工科專業，但是仍然存在女生數量偏多，男生數量偏少的情況，問題分析與教學方案設定基于這一特色前提。現在的程序設計類教學內容設計中存在重視知識傳授，忽視學生能力培養特別的解決復雜性、綜合性問題的能力培養。存在學生程序設計的入門問題、程序設計能力提升問題、學生實踐創新能力弱，計算思維培養不足的問題。具體如下：

1）當前該校在校大學生動手實踐能力偏弱，專業程序設計訓練不足，大學生創新能力不足、團隊精神和在壓力下編寫程序的能力不足、分析和解決問題能力的有待提高。

2）在校大學生學習計算機的熱情可嘉，但是缺乏專業的訓練方法，在平時的學習中，僅僅靠教師布置作業，學生完成作業，教師檢查作業的模式對于學生對掌握算法，代碼能力的提升是低效的。在校大學生需要有更好的系統平臺高效提升學生的代碼能力與計算機思維。

3）該校在校大學生在當時代視野還不夠開闊，專業上應該去學習國內外優秀教師開設的優質課程，提高教育質量，讓學生站在巨人的肩上，站在大師的肩上，享受優質的教育資源。線上學習和線下學習相融合的新模式，將傳統課堂、網絡課堂和互動課堂進行有機結合，促進以學生為中心的教與學，可以有效體現教師對學生學習的指導和思維的引導，增加師生以及生生之間的互動交流，提高學生自主學習能力和學習主動性。

4）紙質考試已經不能實質性地考查學生的程序設計能力，顯露出了很多弊端，學生重視成績僅僅靠記憶提升來的成績并不能說明學生有很好的代碼能力。計算機專業要求學生用計算機編程實現算法，而考試卻寫在卷面上，平時訓練目的與考試不能達成統一，很容易造成學生只會紙上談兵、而不去實際上機實踐提升程序設計能力的尷尬局面。必須改革考試形式，以切實提高在校在大學生的程序設計能力與計算機思維。

5）在當前生多師少的情況下，教師還不能高效教學。教師如何高效引領學生學習，對于教學效果起到了重要作用。怎校實現這一目標，是一個很關鍵的問題。教師高效教授學生學習的前提是了解每個學生在不同教學內容上的薄弱環節。在如今教師少學生多的情況下一直是不能解決的矛盾問題。學生學習進度無法實時掌握，不能做到教師對在校大學生的因材施教，如何高效提高教師的教與學生的學不相匹配的矛盾，需要教師詳細了解學生對各個教學內容的掌握情況。

6）在校大學生學習效果應該更注重在平時教學過程中去檢驗，不能僅僅靠期末考試去衡量體現學生的學習效果，要繼續提平時成績的比重。對計算機專業的學生來說，學習程序設計應該是一件充滿挑戰、更充滿樂趣的事情，然而傳統的考核方式，常常讓半數以上的學生感覺編程枯燥乏味，那是因為沒有將編程的趣味性即編程之魂真正地挖掘出來。

3 改革方案設計和解決問題的方法

為切實達成實踐創新型人才培養目標，解決當前存在的6個方面的關鍵問題，在該團隊的改革方案中，提出6條對應改革措施，以期切實解決這些問題。措施如圖1所示。

具體如下：

1）以賽促學，選拔學生參加國際大學生程序設計競賽，以點帶面。

引入具有廣泛影響的國際大學生程序設計競賽ICPC競賽到課程學習中來，選拔學生參加賽事。國際大學生程序設計競賽（英文全稱：International Colle?giate Programming Contest，簡稱ICPC）最早是由美國計算機協會（ACM）主辦的，一項旨在展示大學生創新能力、團隊精神和在壓力下編寫程序、分析和解決問題能力的年度競賽。經過40年左右的發展，國際大學生程序設計競賽已經發展成為全球最具影響力的大學生程序設計競賽，是世界上公認的規模最大、水平最高的國際大學生程序設計競賽。

以ICPC 競賽活動為有效載體，通過完善人才培養方案、將ICPC 競賽與程序設計基礎課程體系建設有機結合、建立健全ICPC 競賽的科學運行機制、切實加強學生訓練基地建設，積極探索培養創新人才的新模式，全面提高學生的國際視野、實踐創新能力和綜合素質[4]。

2）開發建設山東女子學院在線評測網站（SDWUOJ， Online Judge），變革學生學習實踐訓練方式，提升學生程序設計能力，形成計算思維，用好網絡手段和先進方法理念。

由課程團隊教師牽頭組織開發網站，建設山東女子學院在線評測平臺，這是一個在線判題系統（英語：Online Judge，縮寫OJ），是可在編程競賽中用來測試參賽程序的在線系統，OJ系統能夠編譯并執行代碼，使用預設的數據對這些程序進行測試。提交的代碼一般會在受限的環境下運行，包括時間限制、內存限制、安全限制等。代碼的輸出會被OJ系統捕獲，與標準答案進行比較后返回結果[5]。學生的訓練內容增加為課后題、在線測試題、小組項目、實驗報告、測試等豐富多樣的實踐形式。提升學生在展示大學生實踐創新能力、團隊精神和在壓力下編寫程序、分析和解決問題能力。激發學生學習熱情，全部學生在在線評測OJ平臺上做課后練習，教師研究設計詳細的針對性的訓練計劃，使學生逐步掌握課程的重點、難點，形成計算思維。

3）教學手段上使用基于“MOOC+SPOC+翻轉課堂”的混合式教學。

課題組成員建設了超星MOOC課程和藍墨云班課SPOC課程，課前學生預習、課中檢查部分學生預習情況、課中線上現場做題，課下安排線上作業，讓學生完成，平時課后作業遷移到線上去做，這樣每次學生做完之后都會得到成績，清楚自己學習的薄弱環節，及時學習跟進，教師一方面省去批改作業時間，更多時間和學生在課后線上互動；另一方面教師也得及時掌握學生的總體和個體的學習情況，便于調整教學內容與教學方法。

4）改革考試形式，變紙質考試為上機考試，增加學期中期評測頻次。

改革原有紙質化作業及期末考試形式，全部變為上機作業和考試，扎實有效培養計算機專業學生實踐創新能力培養，增加學期中期測試次數，以測試作為保障手段督促學生切實提高實踐能力，讓中期評測作為檢驗學習效果、了解學生掌握情況，監督促進學生學習長效機制，發現問題教師及時做出調整。

5）開發程序智能監測程序，實時掌握每個學生學習情況，因材施教。

針對山東女子學院OJ在線評測網站，開發智能監測程序，監測每個學生的學習情況，監測所有程序設計基礎課程上課所有學生總體趨勢、監測班級總體學習趨勢。實時掌握學生學習情況，很容易發現學習進度較慢學生，根據數據對學生制訂學生方案，因材施教。

6）改革綜合成績組成結構，降低期末上機考試成績所占比重，增加平時成績比重。

考核評價采用平時單元測試+綜合測試相結合的方法，督促學生既掌握課程中應掌握的基本理論與方法，又能培養學生的綜合應用能力。以增加平時訓練、測試、監測方式考核學生的理論知識掌握程度，通過模塊考試（平時成績）+期中考試+期末考試的方式，對學生的學習起到常抓不懈的督促作用，為綜合能力的測試打好基礎[6]。上機考試主要考核學生的綜合應用能力和程序設計方法的掌握程度。提高平時成績在課程總成績當中的比重，期末考試全部采用線上ACM-OJ平臺考試，重視學生的代碼積累。平時成績包括作業、實驗報告、ACM題庫、考勤、中期測評考試。學生綜合成績＝平時成績50%+期末上機考試×50%。

4 創新點

1）教師引導鍛煉提升學生程序設計能力，采用國際大學生程序設計競賽訓練形式和利用好在線測評平臺OJ等實踐訓練方式。

在實踐中鍛煉提升學生計算思維；引入具有國際影響的ACM-ICPC競賽訓練平臺線上學習方式來讓學生進行程序設計課程的學習，教師教學方式更加契合當代大學生學習成長環境、作業拋棄紙質化、學生學習方式更容易激發學生學習興趣、學習手段更容易接受。

2）綜合成績分數結構改革、上機在線考試方式更加注重考查學生的程序設計思維與實踐創新能力。

3）課程采用基于“MOOC+SPOC+翻轉課堂”的混合式教學模式。保證學生隨時隨地全方位全平臺學習教學內容，拓展課堂教學。

5 成果

經過課程團隊自2017年以來的努力，在以下幾個方面取得了顯著的成績：

1）大學生創新能力、團隊精神和在壓力下編寫程序的能力、分析和解決問題能力的顯著提高。學生通過實踐創新能力培養在培養學生在國際大學生程序設計等學科競賽上取得獎項突破。

2）學生能夠掌握程序設計的學習方法，提高程序設計能力，達到社會就業及專業本身所需要的計算機基本知識和技能。

3）學生學習視野得以開闊，學習國內外優秀教師開設的優質課程，提高教育質量，讓學生站在巨人的肩上，站在大師的肩上，有更大更好的平臺去享受更公平更優質的教育資源。促進了教育的公平化，提高了教育質量。可將傳統課堂、網絡課堂和互動課堂進行有機結合，促進以學生為中心的教與學，有效的體現教師對學生學習的指導和思維的引導，增加師生以及生生之間的互動交流，提高學生自主學習能力和學習主動性。

4）切實提高了在校在大學生的程序設計能力、計算機思維、創新能力。

5）教師高效引領學生學習，提升教學效果。教師了解每個學生在不同教學內容上的薄弱環節。實時掌握學生學習進度，教師詳細了解學生對各個教學內容的掌握情況，做到教師對在校大學生的因材施教。

6）科學綜合評價學生的學習效果，引導學生加強課外自主學習，培養學生的計算思維能力和創新思維能力，為后續課程學習和今后工作打下堅實的基礎。

在ICPC國際大學生程序設計競賽方面，以省賽為例，從2017學生參賽沒有做出題目，2018年參賽開始做出題2道題目來但是也沒有獲獎，2019年學生做出5道題目但是仍然沒有獲獎，2020年因疫情比賽暫停一年，2021年學生首次在ICPC競賽上獲獎，并獲得銅牌兩項，這幾年來學生的競賽成績一直在穩步提升。藍橋杯競賽方面，2020年獲得國賽省賽10項和2021年獲得國賽省賽15項。這兩項賽事的獲獎對于學生而言是巨大的鼓舞，更多的學生看到了教學改革的效果，愿意加入進來。還有隊員的編程能力的提升也幫助其在數學建模等賽事上獲得獎項。這一競賽提高他們的分析和解決問題能力、團隊精神等實踐能力和創新能力。

6 結語

傳統的教學模式中強調知識傳授，很難滿足個性化、差異化的群體需求，師生間交流較少，學生編程能力訓練不足，缺乏團隊合作。針對目前傳統教學模式的缺陷，本文進行了混合式教學改革，通過引入ICPC 學科競賽訓練形式，參考學科競賽、改革考試成績組成結構，使用基于“MOOC+SPOC+翻轉課堂”的混合式教學模式，著重培養學生通過程序解決問題的能力，以及計算思維能力和團隊協作能力。通過對比分析近年來學科競賽取得的成績，教學改革達到了預期。以后會進一步攻堅克難，爭取在獎項上不斷取得新的進步。