基于科學計算思維與創新能力培養的教學探索

孫文杰　李睿　段繼豪　劉辰　元振毅

［摘 要］培養多元化、綜合型人才是新工科建設的基本要求，其中科學計算思維與實踐創新能力的培養是重要的舉措之一。文章以機械設計制造及其自動化專業的必修課C語言程序設計為研究對象，認真全面地剖析了該課程現行教學模式中存在的問題與相應原因，基于“學生為主、教師為輔”的教學理念并綜合新工科與本專業培養要求，提出了一系列切實可行的課程改革方法，以期達到提升課程教學質量、培養具有科學計算思維與實踐創新能力人才的目標。

［關鍵詞］C語言程序設計；科學計算思維；實踐創新能力；課程改革

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

伴隨著第四次工業革命的到來，為了滿足國家戰略發展的新需要，著力提升國家核心競爭力，以培養卓越工程師為核心的“新工科”建設應運而生[1]，與傳統工科不同，新工科更加注重培養學生積極的批判性思維、敏銳的發展眼光以及有效的創新思維與能力[2]。其中程序設計能力是工科學生今后在科學研究與工程實踐中開展科學計算、數據分析以及系統設計等相關工作的基本要求[3]，與數學、物理等基礎學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。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、表達能力強和較高移植性等突出優點而被廣泛用于系統與應用軟件的開發，是高等院校培養學生科學計算思維與實踐創新能力的一門必修課程[4]。

但在目前的C語言程序設計課程教學中，教師往往照本宣科、不重視學生程序設計思維與實踐創新能力的培養，部分學生課堂被動式聽講、學習興趣缺乏、獨立思考與自主學習意識淡薄，面對抽象枯燥的基本概念、煩瑣易錯的數據類型以及復雜靈活的語法結構容易產生畏難與抵觸心理[5-6]，這些問題嚴重影響了課程的教學效果以及專業人才培養的質量。開展C語言程序設計課程的教學探索與改革創新，不僅可以分析當前教學實踐中存在的問題并找出有效的解決辦法，而且能夠為后續其他課程的教學實踐與改革提供理論基礎與實戰經驗，同時對于培養學生良好的學習習慣、科學的思維方式以及實踐創新能力具有重要的現實意義。

一、傳統教學模式存在的問題

機械設計制造及其自動化專業作為西安理工大學（以下簡稱我校）首批國家級一流本科建設專業，自開辦以來始終以堅持培養高素質應用型工程技術人才為目標，其中培養學生正確使用信息技術工具對機械裝備制造領域復雜工程問題進行分析、計算與設計是畢業要求的重要評價指標，因此C語言程序設計課程一直都是本專業一門重要的公共基礎課程。為了落實課程思政教育與國家一流專業建設整體要求，C語言程序設計課程調整了原有的教學大綱與教學任務，開課學期由第二學期調整為第一學期，總學時調整為40學時（其中講課學時28學時、上機實驗12學時），選課人數300余人，授課老師均由本學院專業教師擔任；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%）綜合評定產生。

在近幾年的教學實踐中發現，學生對于C語言程序設計課程的學習整體存在興趣不濃、熱情不高、通過率偏低等問題，而這些問題也直接影響了學生對于其他課程的學習，因此分析上述問題對于提高課程教學質量勢在必行，同時也為制定有效可行的解決方案提供可靠依據。經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）基礎知識薄弱、課程目標不清、學習動力不足

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

此外，很多學生不清楚機械專業為何需要學習程序設計語言，程序設計對于后續的專業課程學習有何幫助，既然需要學習編程語言為何不選用Python、C++等流行語言，而學習相對古老和過時的C語言。這些問題導致學生在學習本課程時往往積極性不高、學習興趣淡薄，甚至有個別學生因此產生厭學放棄的不良情緒，這不僅嚴重影響本課程的教學質量與效果，而且很容易讓學生形成不良的學習習慣。

（二）自主學習欠佳、實踐創新脫節、學習維度不高

部分學生對于C語言程序設計課程的學習依然是被動式的，除了課堂聽講與上機實驗之外很少對課程內容進行溫習與總結，課程作業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慣。

C語言程序設計是一門理論與實踐并重的課程，學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，但部分學生除了必備的上機實驗外并沒有其他的編程實踐。學生上機實踐時，往往都參照教材，對于與課程例題或課本習題相似的題目，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的變量定義，缺乏對問題的系統分析以及對所學知識的整合與變通。一些學生在程序調試過程中遇到編譯錯誤時缺乏自我探索，習慣于依靠老師的輔導，并錯誤地認為只要死記硬背不需實踐訓練也能學好這門課程。

此外，本課程選定的實驗上機題目大多來源于教材，對于學生的考查往往局限于某個特定的知識點，缺乏綜合性與創新性，學生雖然可以通過模仿課堂習題完成上機任務，但無法有效培養綜合編程能力，更難以培養解決實際科學問題的能力。這種扁平化、低維度的學習導致學生在課程結束后只達到了對C語言程序設計課程基本知識與原理的理解要求，無法達到靈活應用、創新發展的高層次要求。

（三）教學模式單一、考核方式傳統、學習延續性差

傳統的多媒體教學雖然可以保證授課內容的完備性和系統性，但枯燥無味的基礎知識講解，無法調動學生的積極性與主動性；教師與學生難以利用課堂與有限的上機環節進行有效互動，導致學生課堂參與度不高；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，及時解決學生在課外學習中遇到的問題，這些問題都導致了教師無法全面、有效地掌握學生的實際學習情況。此外，授課內容完全依賴課程教材，缺乏與課外知識的聯系和拓展，學生無法了解課程知識與工程實踐之間的聯系，教學形式與內容單一、死板。

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

通過以上分析發現，當前C語言程序設計課程教學中存在的問題主要在于師生對于新工科建設背景下人才培養要求的認識不足，以及對高等教育中對“以學生為本”的教育理念理解不夠，而這些問題的存在不僅嚴重影響了課程教學質量與效果，而且阻礙了對學生科學計算思維以及實踐創新能力的培養，同時也對學生其他課程的學習產生了負面影響。因此，分析本課程目前所存在的教學問題，并制定一系列行之有效的改革實踐方法來確保后續的高質量教學是刻不容緩的，更是新工科人才培養與國家一流專業建設的基本要求與任務。

二、課程改革與實施措施

教學實踐環節是一個師生融合、師生共進、教學相長的過程，任何教學問題的出現都與教師和學生密不可分，因此基于上述關于課程教學問題的剖析與研究，結合我校機械設計制造及其自動化專業培養目標，以“學生為主、教師為輔”的教學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，構筑學習新動力

針對學生基礎知識薄弱的問題，在課程初期結合實際教學情況，安排與課程相關的計算機基礎知識講座并提供課外學習資料，幫助學生了解基本的計算機相關知識；采用現場演示的方法，對于課程編程所需的DevC++或XCode等主流編譯環境進行細致講解，從軟件的下載、安裝、設置、使用等方面進行逐步演示與輔導，并針對一些常見的調試錯誤進行演示。

C語言雖然是一門相對古老的計算機編程語言，但其與硬件優良的兼容性使得C語言在一些系統軟件與應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語言的基礎上拓展開發而來的[8]，日常生活中的安卓系統、Windows操作系統均離不開C語言的身影，因此選擇C語言作為程序設計能力培養的編程語言并不是落后的選擇，而是科學合理的。雖然機械設計制造及其自動化專業是培養機械裝備制造領域的技術人才，但隨著數字化、智能化、集成化機械裝備與系統的發展，從智能制造、無人工廠再到數字孿生等方面無不與程序設計緊密相連；根據專業培養方案的要求，后續的單片機與嵌入式系統、計算機數控技術、機器人技術基礎等課程都對學生的編程能力具有一定要求，因此機械專業開設C語言程序設計課程非常必要且意義重大。

通過上述措施一方面幫助學生建立課程必備的計算機基本知識體系，另一方面讓學生正確認識本課程開設的必要性與重要性，結合專業培養方案使學生產生強烈的學習興趣與動力，并激勵學生刻苦鉆研、迎難而上，學好程序設計以便今后為國家建設貢獻力量。

（二）立體學習、實踐創新，搭建學習新維度

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

加強實踐創新教育，以實踐教學促進理論教學，著力提升學生程序設計的綜合能力。實驗上機題目分級設置，通過驗證型題目、設計型題目、綜合型題目，循序漸進、由淺入深來激發學生的實踐創新能力[9]。其中驗證型題目用于考查學生對基礎知識以及編譯環境的熟悉程度；設計型題目則要求學生模仿課堂經典實例，建立科學計算的思維模式，培養學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性、復雜性問題考查學生是否能對所學知識進行融會貫通、擴展與升華，培養學生科學計算思維以及實踐創新能力。

除了課程規定的實驗教學外，應該以項目為引導，以任務為驅動，開展形式多樣的課后拓展練習，并將實踐項目貫穿教學過程的始終，例如選擇以ACM?ICPC國際大學生程序設計競賽題目作為訓練項目，結合輕量且功能強大的集成開發工具Lightly建立學習小組，鼓勵學生相互交流、集思廣益、協同合作完成指定項目；選用浙江大學開發的PAT計算機程序設計能力考試系統，要求學生在該平臺上進行編程訓練，并鼓勵學生參加該平臺統一組織的在線考試。

通過立體式學習、團隊協作交流實踐以及娛樂式創新練習，激發學生的創新思維，提高學生程序設計的綜合實踐能力，使學生處于形式多樣、內容豐富、寓教于樂的多維度學習氛圍中。

（三）多元促教、綜合考評，建立課程新標準

改變以往“教師為主、學生為輔”的教學模式，充分尊重學生在教學活動中的主體位置，將教師的主導性教學轉換為引導性教學。積極開展翻轉教學法（例如引入雨課堂[10]），將學生的被動強迫式學習調整為主動探索性學習，鼓勵學生積極參與課堂教學環節，推動教師與學生在教學中產生互動，讓學生在教中學、教師在學中教，充分調動學生學習的積極性與主動性，增強學生的融入感與體驗感，實現“師生促教、教學相長”的課堂效果。精簡教學內容，建立課程知識圖譜，將課程中零散繁多的知識點融入經典實例的講解中。程序設計課程的教學不僅是技術與知識的傳授，更是思維模式的培養與塑造[11]，教師應在傳授學生課程基本知識與原理的同時引導學生形成一種正確的程序設計思想，使學生真正實現對知識的融會貫通，從而達到學以致用的效果。

開展以問題為導向的啟發式教學，通過制造懸念或形成認知上的“沖突”，啟發學生的學習興趣，讓學生積極參與教學內容的講述過程中，從而提高學生認識問題和解決問題的能力。例如以 “數據在函數間的傳遞”為引入點，激發學生學習形數與實數二者區別的興趣。針對學生理解較為困難的知識點，可采用情景案例教學，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生理解“指針”的本質是地址，并以“使用指針交換兩個數”為例來讓學生體會“指針”的內涵與使用。

改變現有的課程考核方式，弱化期末筆試環節，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，嚴格執行課外實踐項目、課程筆記在課程總成績中的量化指標，調整現行筆試環節中的題型與內容，增加具有綜合性、挑戰性、創新性的開放新題目。上機實驗考核不再以實驗報告為主，而是充分考慮學生在編程過程中算法設計能力、調試編譯能力的體現，課程作業采用分組協作的方式，使每位同學都參與不同題目的訓練，并制定嚴格的作業抄襲處罰制度，確保學生通過課程作業、課堂筆記、實驗上機、課后實踐四個環節真正達到課程教學的目標要求。

以多元化的教學模式以及“學生為主導、教師為輔助”的教學理念，通過合理有效的綜合考評體系，建立評價課程教學質量與效果的新標準，從而為學生提供一份科學、合理、有效的學習指南。

三、結語

本文針對機械設計制造及其自動化專業必修課C語言程序設計課程現狀，認真剖析并反思了當前教學實踐中遇到的問題及對應的原因，并基于“以學生為主體”的教學理念，結合新工科背景下的人才培養要求，針對教學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質量與效果，實現培養學生科學計算思維與實踐創新能力的課程目標，同時為其他課程的教學實踐改革提供新思路與新方法。

［ 參 考 文 獻 ］

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[3] 宋友.面向大類工科專業的程序設計課程教學改革[J].中國大學教學，2018（11）：47-50.

[4] 黃群.C語言程序設計課程教學設計探討[J].計算機教育，2010（5）：78-81.

[5] 王云，郭華麗，李伯飛.情境教學模式在“C語言程序設計”中的應用研究[J].中國教育信息化，2012（5）：64-66.

[6] 張立敏，吳濤，吳東.地方高校程序設計能力現狀分析與對策研究：以嶺南師范學院為例[J].中國教育信息化，2018（8）：76-79.

[7] 蔣正鋒.應用型高校C語言程序設計課程教學改革研究[J].教育教學論壇，2020（41）：167-168.

[8] 魯紅英，肖思和，孫淑霞.“C/C++語言程序設計”課程教學改革與實踐[J].計算機教育，2013（7）：95-98.

[9] 劉光蓉.以計算思維能力培養為導向的C程序設計實驗教學[J].實驗技術與管理，2013，30（1）：154-156.

[10] 王帥國.雨課堂：移動互聯網與大數據背景下的智慧教學工具[J].現代教育技術，2017，27（5）：26-32.

[11] 沈軍.程序設計語言類課程的教學思路研究[J].高等工程教育研究，2001（1）：79-81.

［責任編輯：雷 艷］