基于知識(shí)圖譜重構(gòu)的“一體兩翼”模塊化教學(xué)實(shí)踐
——以C語言程序設(shè)計(jì)課程為例

何 凱，陳 湛，孔維廣，葉 鵬，胡新榮

（武漢紡織大學(xué) 計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，湖北 武漢 430200）

0 引言

為深入貫徹中共二十大對(duì)高等教育培養(yǎng)人才的要求，應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部提出了新工科建設(shè)和《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》。新工科建設(shè)要求高校培養(yǎng)能夠滿足產(chǎn)業(yè)需求、能夠解決復(fù)雜工程問題的具備實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、素質(zhì)高的復(fù)合型人才［1］。一流課程建設(shè)是人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵［2］。在新工科和“雙一流”建設(shè)背景下，堅(jiān)持以產(chǎn)出導(dǎo)向（Outcome Based Education，OBE）為理念，以學(xué)生為中心，以課程思政為導(dǎo)向、以計(jì)算思維能力培養(yǎng)核心，深入探究計(jì)算機(jī)類程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革，提升教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量，是課程建設(shè)過程中需要不斷關(guān)注和解決的問題［3］。C 語言程序設(shè)計(jì)課程是理論性、實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，也是培養(yǎng)學(xué)生編程能力的基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)編程課程非常重要。本文以C 語言程序設(shè)計(jì)為例，探討其課程改革實(shí)踐，為其他程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考。

1 相關(guān)研究

面對(duì)新需求和新技術(shù)的出現(xiàn)，為提高程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了深入的教學(xué)改革研究。文獻(xiàn)［4-7］從新工科及OBE 理念對(duì)程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的新要求出發(fā)，改革課程教學(xué)模式和教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。一流人才培養(yǎng)落腳點(diǎn)在于課程建設(shè)，文獻(xiàn)［8-10］按照金課的要求和“兩性一度”建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，從教學(xué)模設(shè)計(jì)、教學(xué)資源、教學(xué)方法、考評(píng)機(jī)制建設(shè)等方面進(jìn)行了探索與實(shí)踐。課程思政是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的重要舉措，也是課程改革的新方向。文獻(xiàn)［11-13］從專業(yè)知識(shí)、計(jì)算思維等方面融合課程思政，既提高學(xué)生的專業(yè)知識(shí)和能力，又培養(yǎng)他們的社會(huì)主義核心價(jià)值觀。文獻(xiàn)［14-15］通過開展混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，以提高教學(xué)效果。文獻(xiàn)［16］提出項(xiàng)目式教學(xué)方法，旨在提高學(xué)生實(shí)踐能力。文獻(xiàn)［17］以知識(shí)圖譜方式構(gòu)建理論知識(shí)，幫助學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)。文獻(xiàn)［18］以課堂教學(xué)為切入點(diǎn)，提出由傳統(tǒng)單向滿堂灌的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變成“教學(xué)做合一”的教學(xué)模式改革。目前，針對(duì)高級(jí)程序設(shè)計(jì)課程開展了一系列教學(xué)建設(shè)與探索實(shí)踐，但仍然存在一些問題待解決：①課堂教學(xué)模式還是偏以教師、教材和課堂為中心，向以學(xué)生為中心的轉(zhuǎn)變不夠深入；②課程知識(shí)概念和語法繁多、運(yùn)算符和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富、功能強(qiáng)大而靈活，學(xué)生難以形成知識(shí)體系，不利于培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的計(jì)算思維；③教師對(duì)課程思政理解不夠深入，課程思政與專業(yè)知識(shí)的融合不夠恰當(dāng)，存在沒有時(shí)間開展課程思政或者將在課堂上講授人生感悟當(dāng)作課程思政。與現(xiàn)有教學(xué)改革方法不同，本文以O(shè)BE 理念為導(dǎo)向，將知識(shí)圖譜與程序設(shè)計(jì)教學(xué)進(jìn)行融合，構(gòu)建清晰系統(tǒng)的課程知識(shí)體系并培養(yǎng)計(jì)算思維，加強(qiáng)實(shí)踐和思政教學(xué)，形成“理論—實(shí)踐—思政”全面的課程培養(yǎng)模式。

2 C語言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革思路與實(shí)踐

針對(duì)上述重點(diǎn)問題，結(jié)合新生特點(diǎn)及學(xué)情，設(shè)計(jì)課程知識(shí)頂層框架圖，構(gòu)建課程知識(shí)圖譜。在教學(xué)過程中，圍繞課程知識(shí)體系，開展設(shè)計(jì)型、綜合性實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，并根據(jù)教學(xué)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)的反饋信息對(duì)課程教學(xué)加以改進(jìn)。

2.1 課程教學(xué)目標(biāo)

通過對(duì)計(jì)算機(jī)類專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的核心特征進(jìn)行深入分析，培養(yǎng)目標(biāo)概括為3 個(gè)方面：以夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)為目標(biāo)的知識(shí)傳授；以提升學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力為目標(biāo)的能力培養(yǎng)；以塑造價(jià)值觀與安全觀、強(qiáng)化責(zé)任感與使命感的素質(zhì)培養(yǎng)。①知識(shí)目標(biāo)：能夠區(qū)別C 語言程序設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)表示和存儲(chǔ)的方法，闡釋C 語言程序設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)處理的流程和結(jié)構(gòu)，使用程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和算法解決工程問題；②能力目標(biāo)：熟練使用C 語言資源和編程工具；養(yǎng)成計(jì)算思維和持續(xù)學(xué)習(xí)能力，并運(yùn)用計(jì)算思維分析工程實(shí)際問題，解決復(fù)雜程序設(shè)計(jì)問題，能獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)，并獲取新知識(shí)、新技能、新方法；③素質(zhì)目標(biāo)：采取“知識(shí)—情感—意志—信念”的思政教育線教學(xué)設(shè)計(jì)理念，鍛煉培養(yǎng)學(xué)生奮發(fā)學(xué)習(xí)、科技報(bào)國的熱情和不畏困難的堅(jiān)毅品格。

2.2 重構(gòu)課程內(nèi)容知識(shí)圖譜體系，培養(yǎng)計(jì)算思維

設(shè)計(jì)塔式知識(shí)結(jié)構(gòu)頂層圖，構(gòu)建知識(shí)體系。C 語言課程包含152 個(gè)知識(shí)模塊，知識(shí)點(diǎn)分散、邏輯性差。為了避免這種情況，按照程序設(shè)計(jì)思想，將課程內(nèi)容分為3 個(gè)層次，有利于學(xué)生理解課程教學(xué)內(nèi)容及各知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，建立良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。C 語言知識(shí)頂層總體框架如圖1所示。

Fig.1 C language curriculum knowledge top-level overall framework圖1 C語言課程知識(shí)頂層總體框架

構(gòu)建課程內(nèi)容知識(shí)圖譜，將C 語言課程中分散的知識(shí)點(diǎn)用知識(shí)圖譜的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和表示，展示核心概念、知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系和知識(shí)的整體結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生更好地掌握知識(shí)。C 語言知識(shí)圖譜如圖2所示。

Fig.2 C language knowledge graph圖2 C語言知識(shí)圖譜

基于重難點(diǎn)知識(shí)構(gòu)建局部知識(shí)圖，加深理解。圖3 是分支結(jié)構(gòu)中switch 和if對(duì)比知識(shí)圖。

Fig.3 Branch switch and if compare knowledge graph圖3 分支switch和if對(duì)比知識(shí)圖

思政元素與知識(shí)圖譜的各知識(shí)節(jié)點(diǎn)緊密融合，可以充分引起學(xué)生共鳴，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動(dòng)力。課程團(tuán)隊(duì)會(huì)定期開會(huì)研討教學(xué)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)和挖掘思政元素［5］，如圖4所示。

Fig.4 The mapping relationship between expertise and ideological and political elements圖4 專業(yè)知識(shí)與思政元素的映射關(guān)系

2.3 優(yōu)化課程內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法

通過多年實(shí)踐，探索出“一體兩翼”的培養(yǎng)模式（見圖5）：構(gòu)建以課程內(nèi)容模塊為主體的知識(shí)體系，輔以課外賽練實(shí)踐和基礎(chǔ)能力提升的實(shí)踐教學(xué)。

Fig.5 "One body and two wings" cultivation mode圖5 “一體兩翼”的培養(yǎng)模式

（1）課程按照課前準(zhǔn)備、思政案例導(dǎo)入、理論講解、案例教學(xué)、課內(nèi)小組編程練習(xí)、思維導(dǎo)圖總結(jié)、課后實(shí)踐和討論7 個(gè)環(huán)節(jié)展開課堂和實(shí)踐教學(xué)。其中，理論教學(xué)采取“講練結(jié)合、精選案例、課堂翻轉(zhuǎn)”的課堂教學(xué)方法；實(shí)踐教學(xué)采取“任務(wù)驅(qū)動(dòng)、內(nèi)容分層、過程考核”的實(shí)踐教學(xué)方法。課前，根據(jù)教學(xué)知識(shí)線布置學(xué)習(xí)任務(wù)，引入教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)案例；課堂上，開展啟發(fā)式教學(xué)，設(shè)計(jì)遞進(jìn)關(guān)系案例進(jìn)行教學(xué)互動(dòng)，遵循“照寫—仿寫—改寫—編寫”的“做中學(xué)“思路；課后，布置拓展案例和課后任務(wù)，強(qiáng)化課程內(nèi)容，如圖6所示。

Fig.6 Teaching process（while knowledge point for example）圖6 教學(xué)過程（以while知識(shí)點(diǎn)為例）

（2）采取小班情境授課，貫徹知行合一理念，實(shí)施差異化教學(xué)。①機(jī)房講練授課方式，注重教學(xué)案例的基礎(chǔ)性和趣味性，激發(fā)學(xué)生程序設(shè)計(jì)興趣；②搭建在線實(shí)踐平臺(tái)，精心組織實(shí)踐教學(xué)，拓展學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)；③關(guān)注學(xué)生個(gè)體差異，分層次分配實(shí)踐任務(wù)，提升學(xué)生實(shí)踐能力及效果。

2.4 改進(jìn)課程評(píng)定方式，注重教學(xué)評(píng)價(jià)反饋

（1）課程評(píng)定更注重對(duì)學(xué)習(xí)過程、能力和素質(zhì)、課程目標(biāo)達(dá)成度的評(píng)價(jià)。考核內(nèi)容組成和比例如表1所示。

Table 1 Total score composition表1 成績組成

課前自學(xué)表現(xiàn)是對(duì)學(xué)生課前預(yù)習(xí)完成情況的綜合評(píng)價(jià)，包括預(yù)習(xí)內(nèi)容完成率、自測題答題情況等；課堂表現(xiàn)是對(duì)學(xué)生理論課堂的綜合評(píng)價(jià)，包括互動(dòng)測驗(yàn)參與情況、課堂活躍度等；課堂輔導(dǎo)訓(xùn)練是對(duì)學(xué)生輔導(dǎo)完成案例訓(xùn)練情況的評(píng)價(jià)；課后自主訓(xùn)練是對(duì)學(xué)生具有挑戰(zhàn)度問題解決情況的評(píng)價(jià)；期末考試為學(xué)習(xí)效果檢驗(yàn)的綜合集中評(píng)價(jià)。考試均采用機(jī)考形式進(jìn)行，題型均為求解問題所需編程能力有關(guān)的程序題，覆蓋課堂教學(xué)和課后教學(xué)全部內(nèi)容。

（2）通過批改作業(yè)、課后答疑、網(wǎng)絡(luò)溝通、問卷調(diào)查、期中座談等多種形式了解學(xué)生情況，總結(jié)存在的問題，并進(jìn)行教學(xué)反思，以改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 教學(xué)改革實(shí)踐成效與建議

3.1 教學(xué)改革實(shí)踐成效

3.1.1 教學(xué)效果

教學(xué)效果主要體現(xiàn)在如下方面：①近3 年學(xué)生的期末考試平均成績、實(shí)驗(yàn)平均成績以及大作業(yè)平均成績都在逐年提高，學(xué)生平均代碼量超過3 000 行，2022 年課程目標(biāo)達(dá)成度均超過0.8，如圖7 所示；②在各類程序設(shè)計(jì)類比賽中取得明顯進(jìn)步，參與人數(shù)和獲獎(jiǎng)人數(shù)逐年上升，國家級(jí)項(xiàng)目增長明顯，其中2022 年參加程序設(shè)計(jì)類比賽232 項(xiàng)，國家級(jí)競賽15 項(xiàng)；③在C 語言課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)期中出現(xiàn)松懈和投入時(shí)間減少的情況得到改善，學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力得到改善和加強(qiáng)。

Fig.7 Teaching effect data comparison圖7 教學(xué)效果數(shù)據(jù)比較

此外，還體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：①搭建在線實(shí)踐平臺(tái)，提高學(xué)生學(xué)科競賽和實(shí)踐創(chuàng)新競爭力；②師生共創(chuàng)1024工作室、信息安全等10 余個(gè)學(xué)習(xí)社團(tuán)或俱樂部，校企共建校內(nèi)外實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地，增強(qiáng)學(xué)生雙創(chuàng)意識(shí)。

3.1.2 學(xué)生反饋

近3 年該課程教學(xué)獲得學(xué)生的高度評(píng)價(jià)，團(tuán)隊(duì)成員評(píng)教結(jié)果顯示多人次位于學(xué)院前10%。學(xué)生們普遍反映，他們學(xué)習(xí)的畏難情緒減少，學(xué)習(xí)自主性較之前有了大幅改觀，編程能力得到較大提升。同時(shí)，課程目標(biāo)達(dá)成較好，對(duì)課程的參與度和滿意度均有明顯提高。

畢業(yè)生也反映，該課程對(duì)就業(yè)幫助大，用人單位對(duì)該專業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力給予了高度贊賞，團(tuán)隊(duì)多名成員獲得校級(jí)教學(xué)質(zhì)量優(yōu)秀獎(jiǎng)。

3.2 相關(guān)建議

雖然課程改革已取得一定成效，但仍存在一些問題亟待解決，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐提出建議如下：

（1）基于OBE 理念，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法和手段。借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀的教學(xué)方法，針對(duì)本專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)，采用以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)過程管理科學(xué)化、學(xué)情數(shù)據(jù)分析精細(xì)化，打通“學(xué)習(xí)反饋—內(nèi)容組織—教學(xué)目標(biāo)”之間的反向聯(lián)系。

（2）建設(shè)高水平的混合式教學(xué)教師團(tuán)隊(duì)。完善課程團(tuán)隊(duì)成員動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，建立教學(xué)綜合評(píng)價(jià)機(jī)制和教師持續(xù)學(xué)習(xí)機(jī)制，確保團(tuán)隊(duì)成員跟蹤并貫徹執(zhí)行新的教學(xué)理念。

（3）建立定性與定量相結(jié)合的課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)模型。定性與定量相結(jié)合的達(dá)成度評(píng)價(jià)和分析機(jī)制有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)課程教學(xué)中存在的問題和改進(jìn)的方向，增加評(píng)價(jià)工作透明度。

（4）提出基于PDCA 循環(huán)（Plan 改進(jìn)計(jì)劃、Do 執(zhí)行、Check 檢查和Act 處理）模型的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制。建立規(guī)范、穩(wěn)定、配套的課程建設(shè)制度體系，包括團(tuán)隊(duì)工作計(jì)劃、分工合作機(jī)制、持續(xù)的課程目標(biāo)達(dá)成度分析與改進(jìn)機(jī)制等，在此基礎(chǔ)上建設(shè)基于PDCA 流程的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，以保證課程教學(xué)效果。確保先進(jìn)的教學(xué)理念得到貫徹落實(shí)，建立形成性評(píng)價(jià)機(jī)制。

4 結(jié)語

經(jīng)過多年的探索實(shí)踐，創(chuàng)建“一體兩翼”的課程體系培養(yǎng)模式，堅(jiān)持立德樹人，突出“以學(xué)生為中心”，注重理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合。利用知識(shí)圖譜重構(gòu)知識(shí)體系，提高教學(xué)效果；使用模塊化教學(xué)手段，挖掘課程思政元素，突出素質(zhì)培養(yǎng)；貫徹實(shí)施“講練結(jié)合、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、分層實(shí)踐”的教學(xué)模式。同時(shí)，充分利用現(xiàn)代技術(shù)手段提高教學(xué)效果，搭建實(shí)踐訓(xùn)練平臺(tái)，注重能力培養(yǎng)；以任務(wù)驅(qū)動(dòng)，案例教學(xué)為導(dǎo)向，精心設(shè)例，循序善誘，啟迪思維，提升學(xué)生的參與感和積極性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索精神和思維創(chuàng)新能力；組織模塊測試、注重學(xué)習(xí)過程的多元考核和評(píng)價(jià)，持續(xù)改進(jìn)。本文提出的培養(yǎng)模式和教學(xué)方法已在C 語言程序設(shè)計(jì)教學(xué)中進(jìn)行了幾個(gè)教學(xué)周期的實(shí)踐，獲得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生解決實(shí)際復(fù)雜問題的工程應(yīng)用能力得到有效提高。