工程教育認證背景下的問題驅動C 語言課程教學方法改革

陳 光，邱 天，吳小潤

（南昌航空大學信息工程學院 江西 南昌 330063）

1 C 語言課程特點

C 語言具有面向過程、性能優異、跨平臺等特點，是工科類專業的一門基礎課，是許多高級編程語言的基礎，也是大學生進行軟件課程設計的高級編程語言之一[1-3]。因此，掌握好C 語言對于工科類專業的學生具有重要意義。

一方面，C 語言中的許多知識點是其他一些高級語言的基礎。例如，數據類型、運算符和表達式、關系運算和邏輯運算、程序結構如分支結構和循環結構等，這些重要的概念在如Matlab、Python 等語言當中都是類似的。另一方面，C 語言中的結構化編程方式為學習其他高級語言也奠定著非常重要的基礎。例如，在C 語言當中，使用函數將程序模塊化，能夠使程序清晰明了，便于調試。其中，涉及局部變量、全局變量、參數傳遞等概念。而這些概念和編程方式在其他許多高級語言當中也是通用的。掌握好C語言，學生學習其他高級語言就會容易許多。此外，C 語言也是開發基于單片機、STM32、ARM等的嵌入式系統的常用編程語言。因此，C 語言課程通常被安排在大學一年級開課，培養學生的計算機編程思維，教會他們如何設計和實現程序，為學生后續學習其他高級語言和相關的軟硬件課程奠定基礎。

2 工程教育認證背景下的C 語言教學要求

工程教育認證倡導的是以學生為中心的成果導向的教學理念，強調的是學生學到了什么，而非教師教了什么[4]。對于課程教學而言，特別是軟件類課程，要求學生學習完成后，能夠運用該軟件或編程語言，來解決實際的工程問題[5-8]。這對于傳統的以傳授知識的教學方式是一種重大的轉變。C 語言是工程領域的核心編程語言之一，通過對C語言的學習，能夠讓學生建立堅實的編程基礎、掌握實際的應用技能，培養學生對于工程問題的興趣，為將來在工程領域的發展奠定基礎。因此，C 語言的教學方式對學生將來從事實際工程項目的能力有著重要的影響。

對于C 語言課程而言，則需要改變以往的僅以知識點進行授課的方式，而需要以提高學生解決實際工程問題的能力為目標，進行課程教學的調整。特別是，C 語言課程的知識點較為零散細碎，學習起來比較枯燥。而C 語言課程作為工科類專業的基礎課，往往開在大學一年級。對于低年級的學生來說，本身對編程語言就很陌生，容易產生畏難情緒，影響學習效果。因此，如何將這些知識點進行融合貫穿的講解，是一個值得思考的問題。

實際上，在C 語言課程教學中的許多知識點，都能夠體現工程教育的特點。單一的教授語法，學生很難領會其中的工程意義。但是，如果在教學過程中，教師能夠將知識點的講解聯系到實際的工程問題，這不僅能提高學生的學習興趣，還對于學生理解如何使用編程語言解決工程問題有很大的幫助。

在學習分支結構這個知識點時，教師可以通過一個分支結構在解決實際的工資支付的案例中的應用來進行講解。例如可以首先提出這樣一個問題：“公司對于員工工資的發放需要根據員工的日常表現來進行定量發放。對勤奮努力的員工將給予激勵，而對于懈怠的員工，在工資方面將進行一定的扣除。某公司員工的工資計算方式如下：每月的工資按照工作時間發放，每月工作時間正常在120 和160 個小時之間。正常的工作時數，按每小時80 元發放。工作時間超過160 個小時的，超過部分每小時增發20%，工作時間低于120 個小時的，每小時扣發10%。請編寫一個程序，根據員工的工作時間，計算應發工資。”圍繞著這個問題，學生既能知道學習分支結構有什么意義，提高了學習興趣，掌握了C語言中分支結構這個知識點，還能夠讓學生理解到這個問題中所包含的經濟學內涵，對于學生提高經濟決策和項目管理的能力都有所裨益。

因此，對C 語言實施教學方法改革，在C 語言教學中運用問題驅動的方式培養學生的實際編程技能和解決問題的能力，圍繞著問題來進行知識點講解和對學生能力的培養，具有非常實際的教學意義。

3 問題驅動的C 語言課程教學改革方法

C 語言課程的教學改革有多種方法，比如基于課程設計的教學方法、提高互動性的教學方法、利用網絡資源的教學方法等。根據對當前工程教育認證的理解，本文提出了一種以問題驅動的C 語言課程教學改革方法。其中，教學改革的重點在于以解決實際問題為導向，整個教學過程都是圍繞著解決一個實際問題而進行的。首先，教師通過布置一個問題案例，布置預習問題時，會將該問題中將涉及本節課程中的主要知識點列出，讓學生進行預習并查閱資料。然后，在課程中，首先隨機抽取學生進行提問，讓學生回答有關案例知識的預習情況，發現其中的主要誤區。再進行知識點和問題的講解，并重點解釋學生所存在的主要誤區。課程結束后，由學生撰寫最終的解決方案，提交完整的程序代碼。然后，教師對學生的作業或報告進行批閱，并給出反饋意見。在整個教學過程中，貫穿著不同層次的教學評價方式。在每一個小章節的課程教學結束后，通過一些小的選擇題或者填空題來進行知識點測試，通過編程題進行應用能力測試。而在學期末，將通過期末考核對學生的學習情況進行綜合考查，根據考核結果可以知道本課程目標的達成情況，并根據課程目標達成情況來進行后續的教學改進。整個教學改革的設計框架如圖1 所示。

圖1 C 語言課程教學流程圖

為了更好地闡述教學改革方法，以下將說明教學流程。在循環結構中，涉及幾種循環控制結構，包括for 循環、while 循環和do while 循環。教師針對循環結構這個知識點，提出如下問題：“電子商務如淘寶、京東等電子商務平臺在銷售市場中占據了重要的比例，其中一個重要的環節就是快遞運輸問題。如何進行交通運輸優化，對于成本核算具有重要意義。現假定有三種不同車型，其中，A 型車載重量為18 噸，B型車載重量為25 噸，C型車載重量為31噸。現有100 輛車，需載貨500 噸，請問，需A、B、C 型貨車各多少輛？”

這個問題是一個在快遞業中非常實際的成本優化問題，對于學生認識如何使用軟件編程語言來解決工程問題有很好的幫助，整個課程教學將圍繞該問題進行。課程教學的流程如圖2 所示。

圖2 課堂教學示意圖

第一步：布置預習練習。

教師在上一次課的末尾布置下一次課的預習任務。布置預習任務時，先大概跟學生講解一下該問題的意思，并列出該問題所涉及的主要知識點，讓學生對該問題進行資料查閱。對于上述例子，所涉及的主要知識點為循環控制，C 語言中循環結構包括for 循環、while 循環和do while 循環。之后，教師提出幾個問題讓學生進行思考。在該問題中，需要學生思考的問題有：①循環控制有哪幾種方式？②該問題應當如何進行數學建模？③該數學建模可以采用哪幾種循環方式來進行編程實現？學生則根據教師提出的問題進行調研，并做好預習報告。

第二步：課堂中講解。

由于在上一次課程的末尾已經將本次課的知識點和問題提出，因此，在本次課程上課之前，需要對學生的預習情況做一個大概的檢查。教師通過提問的方式，隨機抽取幾位同學，針對提出的幾個問題，檢查學生的預習情況，同時也便于發現學生在預習過程中，對問題的理解誤區。接下來，教師將圍繞著上述問題來展開知識點的講解。講解完后，將知識點應用于問題的解決上，使學生能夠充分理解如何運用知識點來解決工程問題，以及在工程問題中所包含的項目管理和經濟決策的內涵。

以上述問題為例，以下簡要介紹圍繞該問題的課程講解流程。首先，教師隨機抽取學生提問，檢查學生的預習情況。然后，就該問題進行分解講解。先講述該問題應當如何進行數學建模，例如，在該問題中，需要滿足兩個條件，一個條件是A、B、C 型車的總和是100 輛，另一個條件是要載的貨物總重量為500 噸。因此，要滿足這兩個條件，需要使用到的知識點是if 條件語句。條件語句的知識點在循環結構之前已講解過。A、B、C 型貨車各多少輛？為了回答這個問題，需要對A、B、C三種車型都進行0 到100之間的掃描，因此，要用到循環語句。根據這個問題引出本節課程要講解的知識點——循環結構。然后據此展開對循環結構知識點的講解。講解完后又回到該問題，說明如何使用循環結構的知識點來解決該問題，并布置課后作業，讓學生應用循環結構完成完整的程序代碼。通過該問題，不僅能使學生掌握循環結構這個知識點，還能讓學生領會如何使用編程語言工具對實際工程問題進行表述、建模、求解，以及最后解決這類工程問題。

第三步：課后學生完成問題，提交作業。

經過課堂講解后，所有學生都應當根據所學習到的內容來給出解決該問題的完整方案和程序代碼，并提交作業或報告，以提高學生的表達能力。而教師則需要及時批改學生的作業和報告，并根據批改情況進行反饋。在下一次課前，教師需要把該問題的完整程序答案分發給學生，并在下一次課中針對學生存在的一些共性問題進行講解反饋。

上述過程僅以一個例子來說明如何圍繞著一個知識點，運用問題驅動的方式進行講解，從而提高學生解決工程問題的能力。而對于更復雜一些的問題，需要綜合多個知識點來解決的問題，教師可以采取分組的方式，幾位學生一起合作來完成一個問題。在C 語言課程的教學中，對于綜合類型的問題，可以三到四名學生一組，來完成這類綜合類的問題，可以模擬實際的工作環境，分配不同的角色給學生，例如項目管理者、代碼編寫者、功能測試者等，要求學生召開團隊會議，討論項目的進展、遇到的問題，討論下一步的工作計劃等，通過這種方法來提高學生的團隊合作能力。

第四步：教學評價。

在經過一個完整的教學流程后，教師需要對教學效果進行一個教學評價。我們將采取多層次測試的方式進行評價。第一層次，也是最基本的考核層面，要強調知識點的掌握。因此，每個章節都會給出一些選擇題和填空題，它們覆蓋了本章節重要知識點，以達到較為全面地考核學生對知識點的掌握程度。同時，通過學生做題的情況，也能夠發現學生容易出錯的問題點。第二層次，要考查學生的應用能力。在掌握知識點的基礎上，學生還需要能夠應用這些知識點去解決一些實際問題，這也是本教改的一個初衷。因此，每個章節還會給出幾道程序題。這些程序題除綜合了應用相關知識點，還會結合實際應用場景。例如，如前所述，應用分支結構來解決公司的激勵性工資支付問題。這樣，一方面能夠考核學生應用知識點的能力，另一方面，還能考查學生將其應用到解決實際問題的能力情況。第三層次，則是綜合考評，主要由期末考核來體現。期末考核不僅涉及單個章節的內容，還會綜合應用于多個章節的內容，特別是在編程題中，需要綜合應用不同知識點才能解答。通過上述三個層面的考核，能夠較為全面地考查學生掌握該課程的情況。特別是在工程教育認證的背景下，這種多層次考核的方式能夠較為清晰地看出學生對于每個課程目標的達成情況，以便于對后續教學內容進行調整與改進。

4 結束語

工程教育認證所倡導的教學方式是當前大學生教育方式的重大改革，涉及所有課程的授課方式的轉變，要求教師在授課過程中秉承以學生為中心，目標導向和持續改進的理念，做出授課方式的改變。C 語言教學本身也面臨一些問題，比如：學生背景的差異、學生的學習動力、如何聯系實際進行應用、教師教學水平的差異等。為了更好地滿足學生的需求，解決這些問題也需要改進教學方法。所以在這種背景下，本文提出的以問題驅動的C 語言課程教學方法改革，通過提出一個實際的工程問題來進行課程知識點的講解，能夠讓學生理解如何使用高級編程語言進行工程問題的表述、建模與求解，培養學生解決工程問題的能力，以及溝通表達、項目管理和團隊合作等能力。