基于科學(xué)計算思維與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)探索

孫文杰　李睿　段繼豪　劉辰　元振毅

［摘 要］培養(yǎng)多元化、綜合型人才是新工科建設(shè)的基本要求，其中科學(xué)計算思維與實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是重要的舉措之一。文章以機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的必修課C語言程序設(shè)計為研究對象，認(rèn)真全面地剖析了該課程現(xiàn)行教學(xué)模式中存在的問題與相應(yīng)原因，基于“學(xué)生為主、教師為輔”的教學(xué)理念并綜合新工科與本專業(yè)培養(yǎng)要求，提出了一系列切實可行的課程改革方法，以期達(dá)到提升課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)具有科學(xué)計算思維與實踐創(chuàng)新能力人才的目標(biāo)。

［關(guān)鍵詞］C語言程序設(shè)計；科學(xué)計算思維；實踐創(chuàng)新能力；課程改革

［中圖分類號］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）14-0054-04

伴隨著第四次工業(yè)革命的到來，為了滿足國家戰(zhàn)略發(fā)展的新需要，著力提升國家核心競爭力，以培養(yǎng)卓越工程師為核心的“新工科”建設(shè)應(yīng)運而生[1]，與傳統(tǒng)工科不同，新工科更加注重培養(yǎng)學(xué)生積極的批判性思維、敏銳的發(fā)展眼光以及有效的創(chuàng)新思維與能力[2]。其中程序設(shè)計能力是工科學(xué)生今后在科學(xué)研究與工程實踐中開展科學(xué)計算、數(shù)據(jù)分析以及系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)工作的基本要求[3]，與數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科具有同樣不可或缺的地位，它是落實新工科教育要求的重要體現(xiàn)。C語言作為一門通用的計算機語言，因其高效、靈活、功能豐富、表達(dá)能力強和較高移植性等突出優(yōu)點而被廣泛用于系統(tǒng)與應(yīng)用軟件的開發(fā)，是高等院校培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)計算思維與實踐創(chuàng)新能力的一門必修課程[4]。

但在目前的C語言程序設(shè)計課程教學(xué)中，教師往往照本宣科、不重視學(xué)生程序設(shè)計思維與實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，部分學(xué)生課堂被動式聽講、學(xué)習(xí)興趣缺乏、獨立思考與自主學(xué)習(xí)意識淡薄，面對抽象枯燥的基本概念、煩瑣易錯的數(shù)據(jù)類型以及復(fù)雜靈活的語法結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生畏難與抵觸心理[5-6]，這些問題嚴(yán)重影響了課程的教學(xué)效果以及專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。開展C語言程序設(shè)計課程的教學(xué)探索與改革創(chuàng)新，不僅可以分析當(dāng)前教學(xué)實踐中存在的問題并找出有效的解決辦法，而且能夠為后續(xù)其他課程的教學(xué)實踐與改革提供理論基礎(chǔ)與實戰(zhàn)經(jīng)驗，同時對于培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣、科學(xué)的思維方式以及實踐創(chuàng)新能力具有重要的現(xiàn)實意義。

一、傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題

機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)作為西安理工大學(xué)（以下簡稱我校）首批國家級一流本科建設(shè)專業(yè)，自開辦以來始終以堅持培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才為目標(biāo)，其中培養(yǎng)學(xué)生正確使用信息技術(shù)工具對機械裝備制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析、計算與設(shè)計是畢業(yè)要求的重要評價指標(biāo)，因此C語言程序設(shè)計課程一直都是本專業(yè)一門重要的公共基礎(chǔ)課程。為了落實課程思政教育與國家一流專業(yè)建設(shè)整體要求，C語言程序設(shè)計課程調(diào)整了原有的教學(xué)大綱與教學(xué)任務(wù)，開課學(xué)期由第二學(xué)期調(diào)整為第一學(xué)期，總學(xué)時調(diào)整為40學(xué)時（其中講課學(xué)時28學(xué)時、上機實驗12學(xué)時），選課人數(shù)300余人，授課老師均由本學(xué)院專業(yè)教師擔(dān)任；課程考核采用筆試方式，課程成績由平時成績（10%）、實驗成績（30%）、期終考試（60%）綜合評定產(chǎn)生。

在近幾年的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于C語言程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)整體存在興趣不濃、熱情不高、通過率偏低等問題，而這些問題也直接影響了學(xué)生對于其他課程的學(xué)習(xí)，因此分析上述問題對于提高課程教學(xué)質(zhì)量勢在必行，同時也為制定有效可行的解決方案提供可靠依據(jù)。經(jīng)過課程小組的研討與分析，目前本課程主要存在以下三個方面的問題：

（一）基礎(chǔ)知識薄弱、課程目標(biāo)不清、學(xué)習(xí)動力不足

C語言程序設(shè)計作為大一新生入學(xué)后的第一門計算機類課程，很多學(xué)生覺得既熟悉又陌生，熟悉的是他們經(jīng)常使用的文檔編輯與娛樂社交都離不開計算機，但對于計算機內(nèi)部的存儲、編碼以及內(nèi)存地址等基本概念完全陌生，對于計算機程序設(shè)計更是知之甚少；本課程使用的編輯環(huán)境又多采用英文模式，英語水平一般的學(xué)生看到代碼調(diào)試與運行時的專業(yè)術(shù)語更容易望而生畏。

此外，很多學(xué)生不清楚機械專業(yè)為何需要學(xué)習(xí)程序設(shè)計語言，程序設(shè)計對于后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)有何幫助，既然需要學(xué)習(xí)編程語言為何不選用Python、C++等流行語言，而學(xué)習(xí)相對古老和過時的C語言。這些問題導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時往往積極性不高、學(xué)習(xí)興趣淡薄，甚至有個別學(xué)生因此產(chǎn)生厭學(xué)放棄的不良情緒，這不僅嚴(yán)重影響本課程的教學(xué)質(zhì)量與效果，而且很容易讓學(xué)生形成不良的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

（二）自主學(xué)習(xí)欠佳、實踐創(chuàng)新脫節(jié)、學(xué)習(xí)維度不高

部分學(xué)生對于C語言程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)依然是被動式的，除了課堂聽講與上機實驗之外很少對課程內(nèi)容進(jìn)行溫習(xí)與總結(jié)，課程作業(yè)與實驗上機報告大多都互相抄襲、草草了事，課堂上只聽不記，基本沒有記筆記的習(xí)慣。

C語言程序設(shè)計是一門理論與實踐并重的課程，學(xué)生除了掌握課程知識點外，還需通過動手操作來提高編程能力，但部分學(xué)生除了必備的上機實驗外并沒有其他的編程實踐。學(xué)生上機實踐時，往往都參照教材，對于與課程例題或課本習(xí)題相似的題目，依葫蘆畫瓢尚可順利編譯成功，但對于陌生的題目往往不知從何入手，通常只會寫出幾行頭文件代碼以及與之相關(guān)的變量定義，缺乏對問題的系統(tǒng)分析以及對所學(xué)知識的整合與變通。一些學(xué)生在程序調(diào)試過程中遇到編譯錯誤時缺乏自我探索，習(xí)慣于依靠老師的輔導(dǎo)，并錯誤地認(rèn)為只要死記硬背不需實踐訓(xùn)練也能學(xué)好這門課程。

此外，本課程選定的實驗上機題目大多來源于教材，對于學(xué)生的考查往往局限于某個特定的知識點，缺乏綜合性與創(chuàng)新性，學(xué)生雖然可以通過模仿課堂習(xí)題完成上機任務(wù)，但無法有效培養(yǎng)綜合編程能力，更難以培養(yǎng)解決實際科學(xué)問題的能力。這種扁平化、低維度的學(xué)習(xí)導(dǎo)致學(xué)生在課程結(jié)束后只達(dá)到了對C語言程序設(shè)計課程基本知識與原理的理解要求，無法達(dá)到靈活應(yīng)用、創(chuàng)新發(fā)展的高層次要求。

（三）教學(xué)模式單一、考核方式傳統(tǒng)、學(xué)習(xí)延續(xù)性差

傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)雖然可以保證授課內(nèi)容的完備性和系統(tǒng)性，但枯燥無味的基礎(chǔ)知識講解，無法調(diào)動學(xué)生的積極性與主動性；教師與學(xué)生難以利用課堂與有限的上機環(huán)節(jié)進(jìn)行有效互動，導(dǎo)致學(xué)生課堂參與度不高；受時間與空間條件限制，教師在課后無法有效開展答疑輔導(dǎo)，及時解決學(xué)生在課外學(xué)習(xí)中遇到的問題，這些問題都導(dǎo)致了教師無法全面、有效地掌握學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況。此外，授課內(nèi)容完全依賴課程教材，缺乏與課外知識的聯(lián)系和拓展，學(xué)生無法了解課程知識與工程實踐之間的聯(lián)系，教學(xué)形式與內(nèi)容單一、死板。

目前課程的考核方式仍多采用傳統(tǒng)的筆試方式，考查內(nèi)容多以語法知識為主，題型設(shè)置陳舊，缺乏開發(fā)性與創(chuàng)新性，只注重考核學(xué)生的記憶能力、應(yīng)試能力，無法有效考查學(xué)生的編程能力以及解決實際問題能力，這樣就容易導(dǎo)致學(xué)生“高分低能”，教學(xué)效果不好，忽略了課程對學(xué)生綜合編程實踐與科學(xué)思維能力的培養(yǎng)[7]。此外，課程結(jié)束后沒有及時安排其他相關(guān)課程，使學(xué)生存在“知識斷層”的現(xiàn)象，沒有辦法做到學(xué)以致用，除了少部分報考計算機等級考試的學(xué)生外，其他學(xué)生直接將所需C語言編程拋之腦后，等后續(xù)課程再次使用時已基本忘卻，課程的延續(xù)性差。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前C語言程序設(shè)計課程教學(xué)中存在的問題主要在于師生對于新工科建設(shè)背景下人才培養(yǎng)要求的認(rèn)識不足，以及對高等教育中對“以學(xué)生為本”的教育理念理解不夠，而這些問題的存在不僅嚴(yán)重影響了課程教學(xué)質(zhì)量與效果，而且阻礙了對學(xué)生科學(xué)計算思維以及實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，同時也對學(xué)生其他課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生了負(fù)面影響。因此，分析本課程目前所存在的教學(xué)問題，并制定一系列行之有效的改革實踐方法來確保后續(xù)的高質(zhì)量教學(xué)是刻不容緩的，更是新工科人才培養(yǎng)與國家一流專業(yè)建設(shè)的基本要求與任務(wù)。

二、課程改革與實施措施

教學(xué)實踐環(huán)節(jié)是一個師生融合、師生共進(jìn)、教學(xué)相長的過程，任何教學(xué)問題的出現(xiàn)都與教師和學(xué)生密不可分，因此基于上述關(guān)于課程教學(xué)問題的剖析與研究，結(jié)合我校機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，以“學(xué)生為主、教師為輔”的教學(xué)理念制定了以下三個方面的課程改革實施辦法：

（一）查漏補缺、拋磚引玉，構(gòu)筑學(xué)習(xí)新動力

針對學(xué)生基礎(chǔ)知識薄弱的問題，在課程初期結(jié)合實際教學(xué)情況，安排與課程相關(guān)的計算機基礎(chǔ)知識講座并提供課外學(xué)習(xí)資料，幫助學(xué)生了解基本的計算機相關(guān)知識；采用現(xiàn)場演示的方法，對于課程編程所需的DevC++或XCode等主流編譯環(huán)境進(jìn)行細(xì)致講解，從軟件的下載、安裝、設(shè)置、使用等方面進(jìn)行逐步演示與輔導(dǎo)，并針對一些常見的調(diào)試錯誤進(jìn)行演示。

C語言雖然是一門相對古老的計算機編程語言，但其與硬件優(yōu)良的兼容性使得C語言在一些系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件中常立于不敗之地，其他高級語言如C++、C#等都是在C語言的基礎(chǔ)上拓展開發(fā)而來的[8]，日常生活中的安卓系統(tǒng)、Windows操作系統(tǒng)均離不開C語言的身影，因此選擇C語言作為程序設(shè)計能力培養(yǎng)的編程語言并不是落后的選擇，而是科學(xué)合理的。雖然機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)是培養(yǎng)機械裝備制造領(lǐng)域的技術(shù)人才，但隨著數(shù)字化、智能化、集成化機械裝備與系統(tǒng)的發(fā)展，從智能制造、無人工廠再到數(shù)字孿生等方面無不與程序設(shè)計緊密相連；根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案的要求，后續(xù)的單片機與嵌入式系統(tǒng)、計算機數(shù)控技術(shù)、機器人技術(shù)基礎(chǔ)等課程都對學(xué)生的編程能力具有一定要求，因此機械專業(yè)開設(shè)C語言程序設(shè)計課程非常必要且意義重大。

通過上述措施一方面幫助學(xué)生建立課程必備的計算機基本知識體系，另一方面讓學(xué)生正確認(rèn)識本課程開設(shè)的必要性與重要性，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)方案使學(xué)生產(chǎn)生強烈的學(xué)習(xí)興趣與動力，并激勵學(xué)生刻苦鉆研、迎難而上，學(xué)好程序設(shè)計以便今后為國家建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

（二）立體學(xué)習(xí)、實踐創(chuàng)新，搭建學(xué)習(xí)新維度

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)已無法滿足當(dāng)前的教育教學(xué)形勢，C語言的課程教學(xué)內(nèi)容多、課程學(xué)時少，通過課堂有限的時間講授所有內(nèi)容存在一定的難度，因此需要引導(dǎo)學(xué)生建立多元化、網(wǎng)格化、個性化的立體式學(xué)習(xí)思維。要求學(xué)生在課堂聽講時做好課程筆記，鼓勵學(xué)生充分利用在線教育平臺（例如網(wǎng)易公開課、大學(xué)慕課、C語言網(wǎng)）、圖書館數(shù)據(jù)庫等網(wǎng)絡(luò)資源來拓展課程內(nèi)容，教師通過課程研討會、面對面集體答疑、線上一對一輔導(dǎo)等交流方式幫助學(xué)生答疑解惑，通過微信群、QQ群等社交平臺鼓勵學(xué)生在課后探討交流、分享經(jīng)驗，讓學(xué)生在熱烈與輕松的互動交流中學(xué)習(xí)并鞏固知識，教師也可以據(jù)此直接全面地了解學(xué)生學(xué)習(xí)中的困難與問題。

加強實踐創(chuàng)新教育，以實踐教學(xué)促進(jìn)理論教學(xué)，著力提升學(xué)生程序設(shè)計的綜合能力。實驗上機題目分級設(shè)置，通過驗證型題目、設(shè)計型題目、綜合型題目，循序漸進(jìn)、由淺入深來激發(fā)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力[9]。其中驗證型題目用于考查學(xué)生對基礎(chǔ)知識以及編譯環(huán)境的熟悉程度；設(shè)計型題目則要求學(xué)生模仿課堂經(jīng)典實例，建立科學(xué)計算的思維模式，培養(yǎng)學(xué)生分析問題并解決問題的能力；而綜合型題目力圖通過系統(tǒng)性、復(fù)雜性問題考查學(xué)生是否能對所學(xué)知識進(jìn)行融會貫通、擴展與升華，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)計算思維以及實踐創(chuàng)新能力。

除了課程規(guī)定的實驗教學(xué)外，應(yīng)該以項目為引導(dǎo)，以任務(wù)為驅(qū)動，開展形式多樣的課后拓展練習(xí)，并將實踐項目貫穿教學(xué)過程的始終，例如選擇以ACM?ICPC國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽題目作為訓(xùn)練項目，結(jié)合輕量且功能強大的集成開發(fā)工具Lightly建立學(xué)習(xí)小組，鼓勵學(xué)生相互交流、集思廣益、協(xié)同合作完成指定項目；選用浙江大學(xué)開發(fā)的PAT計算機程序設(shè)計能力考試系統(tǒng)，要求學(xué)生在該平臺上進(jìn)行編程訓(xùn)練，并鼓勵學(xué)生參加該平臺統(tǒng)一組織的在線考試。

通過立體式學(xué)習(xí)、團隊協(xié)作交流實踐以及娛樂式創(chuàng)新練習(xí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生程序設(shè)計的綜合實踐能力，使學(xué)生處于形式多樣、內(nèi)容豐富、寓教于樂的多維度學(xué)習(xí)氛圍中。

（三）多元促教、綜合考評，建立課程新標(biāo)準(zhǔn)

改變以往“教師為主、學(xué)生為輔”的教學(xué)模式，充分尊重學(xué)生在教學(xué)活動中的主體位置，將教師的主導(dǎo)性教學(xué)轉(zhuǎn)換為引導(dǎo)性教學(xué)。積極開展翻轉(zhuǎn)教學(xué)法（例如引入雨課堂[10]），將學(xué)生的被動強迫式學(xué)習(xí)調(diào)整為主動探索性學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)生積極參與課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，推動教師與學(xué)生在教學(xué)中產(chǎn)生互動，讓學(xué)生在教中學(xué)、教師在學(xué)中教，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性，增強學(xué)生的融入感與體驗感，實現(xiàn)“師生促教、教學(xué)相長”的課堂效果。精簡教學(xué)內(nèi)容，建立課程知識圖譜，將課程中零散繁多的知識點融入經(jīng)典實例的講解中。程序設(shè)計課程的教學(xué)不僅是技術(shù)與知識的傳授，更是思維模式的培養(yǎng)與塑造[11]，教師應(yīng)在傳授學(xué)生課程基本知識與原理的同時引導(dǎo)學(xué)生形成一種正確的程序設(shè)計思想，使學(xué)生真正實現(xiàn)對知識的融會貫通，從而達(dá)到學(xué)以致用的效果。

開展以問題為導(dǎo)向的啟發(fā)式教學(xué)，通過制造懸念或形成認(rèn)知上的“沖突”，啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生積極參與教學(xué)內(nèi)容的講述過程中，從而提高學(xué)生認(rèn)識問題和解決問題的能力。例如以 “數(shù)據(jù)在函數(shù)間的傳遞”為引入點，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)形數(shù)與實數(shù)二者區(qū)別的興趣。針對學(xué)生理解較為困難的知識點，可采用情景案例教學(xué)，例如在講授“指針”概念的時候，可以使用“門牌號”“教室”等直觀情景概念幫助學(xué)生理解“指針”的本質(zhì)是地址，并以“使用指針交換兩個數(shù)”為例來讓學(xué)生體會“指針”的內(nèi)涵與使用。

改變現(xiàn)有的課程考核方式，弱化期末筆試環(huán)節(jié)，加強過程化考核力度，提高課堂互動與實驗上機在總成績中的比重，嚴(yán)格執(zhí)行課外實踐項目、課程筆記在課程總成績中的量化指標(biāo)，調(diào)整現(xiàn)行筆試環(huán)節(jié)中的題型與內(nèi)容，增加具有綜合性、挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性的開放新題目。上機實驗考核不再以實驗報告為主，而是充分考慮學(xué)生在編程過程中算法設(shè)計能力、調(diào)試編譯能力的體現(xiàn)，課程作業(yè)采用分組協(xié)作的方式，使每位同學(xué)都參與不同題目的訓(xùn)練，并制定嚴(yán)格的作業(yè)抄襲處罰制度，確保學(xué)生通過課程作業(yè)、課堂筆記、實驗上機、課后實踐四個環(huán)節(jié)真正達(dá)到課程教學(xué)的目標(biāo)要求。

以多元化的教學(xué)模式以及“學(xué)生為主導(dǎo)、教師為輔助”的教學(xué)理念，通過合理有效的綜合考評體系，建立評價課程教學(xué)質(zhì)量與效果的新標(biāo)準(zhǔn)，從而為學(xué)生提供一份科學(xué)、合理、有效的學(xué)習(xí)指南。

三、結(jié)語

本文針對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)必修課C語言程序設(shè)計課程現(xiàn)狀，認(rèn)真剖析并反思了當(dāng)前教學(xué)實踐中遇到的問題及對應(yīng)的原因，并基于“以學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，結(jié)合新工科背景下的人才培養(yǎng)要求，針對教學(xué)過程中的不足制定了詳盡可行的探索性改革方法，以此來提高本課程的教學(xué)質(zhì)量與效果，實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)計算思維與實踐創(chuàng)新能力的課程目標(biāo)，同時為其他課程的教學(xué)實踐改革提供新思路與新方法。

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［責(zé)任編輯：雷 艷］