程序設(shè)計課程中學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)研究

梁建坤 翟菲 鄭小松 王海慧 佟歐 翟玉萱 李定遠(yuǎn)

關(guān)鍵詞：計算機程序設(shè)計；混合式教學(xué)；自主學(xué)習(xí)能力；學(xué)習(xí)積極性

1 課題背景及研究內(nèi)容

計算機程序設(shè)計基礎(chǔ)是高等學(xué)校面向非計算機專業(yè)開設(shè)的公共基礎(chǔ)課程[1]，難度較大學(xué)計算機基礎(chǔ)更大。由于近年來各高校普遍存在基礎(chǔ)課程學(xué)時壓縮的問題[2-3]，使得該課程的授課進度加快，從而進一步增加了課程難度。由于大一的學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)專業(yè)課程，導(dǎo)致利用編程語言解決學(xué)生所學(xué)專業(yè)實際問題的應(yīng)用很少；加之程序設(shè)計課程的內(nèi)容相對抽象枯燥，導(dǎo)致諸多高校的相關(guān)教師在各級教學(xué)研討會的交流中普遍反映學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低[4]、對今后學(xué)習(xí)和工作的實際幫助效果不理想等問題。

按照OBE（Outcome Based Education，能力導(dǎo)向教育）的培養(yǎng)要求，為了培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，作為遼寧省計算機程序設(shè)計省級精品課程、省級跨校選修課程的負(fù)責(zé)單位十多年來沈陽藥科大學(xué)持續(xù)進行了相關(guān)教學(xué)改革的探索，先后主持了多項相關(guān)省部級教改課題。多年的改革實踐表明，在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下通過混合式教學(xué)模式，在大一階段著力重點培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實現(xiàn)從中學(xué)階段的“填鴨式學(xué)習(xí)”模式到大學(xué)階段“自主學(xué)習(xí)”模式的轉(zhuǎn)變、培養(yǎng)學(xué)生自身的學(xué)習(xí)興趣，才是真正的解決之道[5]，正所謂“興趣才是最好的老師”[6]。

2 建議的方法措施

2.1 前期成果展示——提前畫餅

很多教師由于感覺課時緊張，第一節(jié)課開篇就從枯燥的程序語法開始講起，這種做法看似節(jié)省了時間，但是會讓學(xué)生感覺該課程枯燥無聊，感覺只是因為它是學(xué)校安排的課程不得不學(xué)而已。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低，課堂上不認(rèn)真聽、不積極思考，課外更不會主動學(xué)習(xí)，最終的結(jié)果反而適得其反。

建議的方法是第一節(jié)課開篇先講該專業(yè)為什么要學(xué)程序設(shè)計這門課，展示教師自己的科研團隊利用程序設(shè)計為本專業(yè)解決過的實際問題、展示往屆學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中完成的用于解決學(xué)習(xí)和生活中實際問題的綜合案例作品、展示教師指導(dǎo)往屆學(xué)生在課外利用程序設(shè)計參與各類計算機設(shè)計大賽獲得的成果等。不但讓學(xué)生知道自己的專業(yè)領(lǐng)域研究離不開程序設(shè)計，而且有信心通過本課程的學(xué)習(xí)自己也能達到期望的水平，從而激發(fā)學(xué)生自身的學(xué)習(xí)興趣，只有課內(nèi)配合教師認(rèn)真學(xué)習(xí)、課外積極自主學(xué)習(xí)才能真正解決學(xué)時有限的問題。

2.2 案例式教學(xué)——不斷刺激

采用案例式教學(xué)，針對重要知識點設(shè)計與實際生活和學(xué)習(xí)相關(guān)的案例。首先，通過將實際問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，而非機械地學(xué)習(xí)零散、枯燥的知識點。其次，盡管這些案例是經(jīng)過簡化的問題（實際問題的核心知識點），但也都包含需求分析、概要設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、編碼、測試和調(diào)試等環(huán)節(jié)，從而培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際問題的綜合應(yīng)用能力。第三，讓學(xué)生意識到學(xué)有所用，以便于在長期的日常教學(xué)中不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如學(xué)習(xí)算數(shù)運算符時，不要簡單給出一堆毫無意義的枯燥算術(shù)表達式，讓學(xué)生覺得為了做題而做題，可以結(jié)合近期世界范圍內(nèi)發(fā)生的大地震讓學(xué)生利用P波和S 波的速度差，求解分析并討論觀測站發(fā)出的地震警報對不同距離城市的預(yù)警效果；學(xué)習(xí)三角函數(shù)時可以讓學(xué)生繪制指定旋轉(zhuǎn)角度的五角星，為后續(xù)繪制標(biāo)準(zhǔn)國旗奠定基礎(chǔ)；學(xué)習(xí)列表時可以讓學(xué)生對身份證號碼進行合法性校驗，以解決網(wǎng)上錄入錯誤身份證號碼的問題等；對于軟件測試必須掌握最基本的邊界值分析法、等價類劃分法，對于軟件調(diào)試必須掌握最基本的斷點法、回溯法。

2.3 功能分解——逐步完善

在各級教學(xué)交流會上，很多教師反映能夠解決實際問題的案例通常涉及的知識點較多，無法作為教學(xué)案例或綜合作業(yè)。首先由于功能復(fù)雜課堂內(nèi)講不完；其次如果放到前幾章布置任務(wù)由于新知識點太多此時學(xué)生不會做，如果放到最后章節(jié)布置任務(wù)由于臨近期末學(xué)生忙于復(fù)習(xí)又沒有時間完成。

建議的方法是第一作為課程案例需要對問題進行簡化，只保留核心知識點；第二將案例進行功能分解，不同章節(jié)解決不同的知識點，通過模塊化方式完成整個案例。也就是說，不同章節(jié)完成對應(yīng)的模塊，功能逐步完善，等最后一個模塊完成時整個案例也就完成了。

例如：身份證號碼（ID） 校驗這個案例。在字符串操作的章節(jié)可以完成出生日期的信息提取、身份證長度判斷、字符類型的合法性判斷等葉子模塊的功能；在選擇結(jié)構(gòu)章節(jié)完成年齡合法性判斷、出生日期的合法性判斷、性別判斷等模塊的功能；在列表章節(jié)結(jié)合循環(huán)結(jié)構(gòu)完成身份證號碼前17位的加權(quán)計算、判斷校驗位是否合法的模塊；在字典章節(jié)構(gòu)建以ID中前6位為key、對應(yīng)地區(qū)名為value的出生地字典，完成對ID 前6位進行合法性校驗，如果校驗通過檢索其出生地模塊；在文件章節(jié)通過文件操作，實現(xiàn)完整出生地字典的構(gòu)建模塊；在GUI設(shè)計章節(jié)將前面利用CLI實現(xiàn)的程序改為GUI界面實現(xiàn)；在程序打包和發(fā)布章節(jié)完成將GUI格式的程序發(fā)布為可以在其他計算機直接運行的exe格式的模塊，至此經(jīng)過7步功能分解整個案例就全部完成了。

2.4 混合式教學(xué)——學(xué)有所依

在“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下采用線上線下混合式教學(xué)方式。在線下課堂教學(xué)過程中，通過案例式教學(xué)教師分析講授案例涉及的知識點以及相關(guān)重點難點；本章的其他知識點由學(xué)生利用線上精品課程平臺自主學(xué)習(xí)，在章節(jié)測試中對所有知識點進行考查，從而實現(xiàn)學(xué)時不足的情況下保證教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。由于線上教學(xué)平臺不受課時的嚴(yán)格限制，因此課程內(nèi)容和教學(xué)形式可以靈活多樣，除了核心知識點的講解外還可以包括相關(guān)知識的擴展，通過圖文、音頻、視頻等形式讓學(xué)習(xí)變得更輕松，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.5 翻轉(zhuǎn)課堂——保持互動

目前很多課堂教學(xué)中存在的問題是：教師感覺課時有限，只顧一味地講解知識點向前趕進度，與學(xué)生的互動太少，看起來似乎節(jié)省了時間；其實由于學(xué)生受傳統(tǒng)填鴨式學(xué)習(xí)方式的影響，只是默默地被動聽講，導(dǎo)致興趣喪失，課上學(xué)習(xí)效率低、課下不愿主動學(xué)的問題。建議采用翻轉(zhuǎn)課堂，課堂上充分發(fā)揮學(xué)生的主動參與度，課下調(diào)動學(xué)生的主動學(xué)習(xí)積極性，從而提高學(xué)習(xí)效率、彌補學(xué)時不足的問題。

首先，針對下節(jié)課的案例布置適量任務(wù)，讓學(xué)生思考該案例在實際應(yīng)用中的需求分析、解決該問題采用的算法或思路，課堂隨機安排人員匯報，匯報結(jié)果記為平時課堂成績；其次，案例之外的知識點需要通過線上平臺自學(xué)，下次課前10分鐘進行無紙化測試；第三，在授課過程中遇到重要的歷史知識點，隨時通過課堂管理系統(tǒng)軟件隨機提問，避免學(xué)生走神溜號、充分做好前面章節(jié)的復(fù)習(xí)工作。這些做法看似浪費了課堂時間，由于充分調(diào)動了學(xué)生的課下自主學(xué)習(xí)時間，不但可以保證教學(xué)進度，而且由于學(xué)生的主動參與還可以提升學(xué)習(xí)效果。

2.6 階梯制綜合作品任務(wù)——魚躍龍門

建議整門課程針對不同專業(yè)設(shè)計3～4個解決實際問題的綜合案例，教師給出核心功能，引導(dǎo)學(xué)生思考其在實際應(yīng)用中更加完善的功能需求，通過分組匯報得到較為完整的需求分析。考慮到不同學(xué)生的發(fā)展目標(biāo)不同、能力不同、興趣不同，可以設(shè)定階梯制任務(wù)，學(xué)生根據(jù)自己的實際情況選擇不同的層級。這樣既可以避免有的學(xué)生面對綜合任務(wù)望而卻步，也可以鼓勵精英式學(xué)生的進一步自由發(fā)揮。

例如思政元素案例“繪制代表世界和平手拉手的奧運五環(huán)”。入門級為能夠繪制出上排并列3個、下排并列2 個、顏色正確的五環(huán)示意圖，考查學(xué)生利用turtle繪圖時抬落筆、定位、畫圓等基本能力，最高得分60；基礎(chǔ)級在入門級的基礎(chǔ)上，要求五環(huán)的嵌套關(guān)系準(zhǔn)確，考查學(xué)生精準(zhǔn)定位繪制圓弧的能力，最高得分80；進階級在基礎(chǔ)級的基礎(chǔ)上，要求自行檢索奧運五環(huán)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，繪制出圓環(huán)半徑、邊框?qū)挾取A環(huán)間距、上下排行距均精準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)奧運五環(huán)圖案，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、嚴(yán)謹(jǐn)求實的能力和精神，最高得分100。在2023年春季學(xué)期最終上交的作品中選擇這三個層級的比例分別為1.29%、27.95%、70.76%，如圖1 所示。結(jié)果表明絕大部分學(xué)生對繪制標(biāo)準(zhǔn)的奧運五環(huán)具有濃厚的興趣，樂于通過自主學(xué)習(xí)的方式自行收集資料完成有實際意義的任務(wù)。

再如身份證號碼校驗。目前各網(wǎng)站通常只提供針對長度的校驗，如果用戶錄錯了一位或幾位，系統(tǒng)不會提示錯誤，這將導(dǎo)致網(wǎng)上看病預(yù)約成功、醫(yī)院現(xiàn)場身份證校驗不通過導(dǎo)致無法看病；甚至網(wǎng)上報名、考試、下發(fā)證書都“正常”，找工作時被用人單位以證書中身份證號碼與本人不符而被認(rèn)定為假證的情況發(fā)生，因此提供更為精準(zhǔn)的輔助校驗功能具有重要的現(xiàn)實意義。任務(wù)的第1層級為正確判斷用戶錄入的ID長度是否合法、ID號碼的最后1位（校驗位）是否正確，最高得分65；第2層級在第1層級基礎(chǔ)上，增加對出生日期的合法性校驗（避免未來人、超級壽星、4月31日/2月30日等非法日期），并匯報出生日期和性別（供用戶檢查參考），最高得分75；第3層級在第2層級基礎(chǔ)上，增加對前6位地區(qū)碼的校驗功能，并匯報出生地信息，最高得分85；第4層級在第3層級基礎(chǔ)上，增加GUI圖形界面設(shè)計功能，最高得分95；第5層級在第4層級基礎(chǔ)上，增加程序打包發(fā)布exe格式運行文件的功能，最高得分100。最終選擇五個層級的人數(shù)分布如圖2所示，結(jié)果顯示選擇完成所有課堂講授知識點的人數(shù)為48.57%，自學(xué)GUI完成圖形化界面設(shè)計的人數(shù)為26.77%，自學(xué)打包發(fā)布徹底完成整個任務(wù)的人數(shù)為8.22%。選擇課外自主學(xué)習(xí)的總?cè)藬?shù)合計為34.99%，超過三分之一，由此表明以上措施對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力具有顯著的成效。

2.7 提供合適的編程語言——提供利器

工欲善其事必先利其器，不同專業(yè)、不同方向、不同興趣的學(xué)生具有解決不同實際問題的需求，選擇適當(dāng)?shù)木幊陶Z言可以更加高效地工作。鑒于Python語言擁有功能強大、領(lǐng)域廣泛、數(shù)量眾多的功能庫，可大幅減少數(shù)據(jù)處理的代碼量，建議學(xué)校整體范圍內(nèi)優(yōu)先選用Python語言。此外，為滿足不考研、沒有大量科研數(shù)據(jù)進行高級處理分析任務(wù)、只需要利用Excel高效辦公學(xué)生的需求，建議提供VBA編程語言；針對需要動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)的學(xué)生，建議提供C#語言。這些語言的課程建議同時開設(shè)，學(xué)生根據(jù)自己的需求隨便選擇。

2.8“ 1+X”擴展——極限誘惑

多年與專業(yè)領(lǐng)域教師合作的科研工作經(jīng)歷表明，醫(yī)藥領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計語言在專業(yè)研究中最重要的三大需求為大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲從互聯(lián)網(wǎng)中獲取相關(guān)研究數(shù)據(jù)。為了能夠讓計算機程序設(shè)計這門基礎(chǔ)課更好地為專業(yè)服務(wù)，借助“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境在承建的遼寧省跨校選修一流課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中，在Python通識課程的基礎(chǔ)上增加了大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、網(wǎng)絡(luò)爬蟲三個專業(yè)擴展模塊，每個模塊包含2～3個典型專業(yè)案例。每名學(xué)生可以根據(jù)自己制定的未來專業(yè)發(fā)展方向和興趣任選其中1個模塊進行課外自主學(xué)習(xí)，并至少完成其中1個案例。目的是提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、培養(yǎng)學(xué)生利用Python的第三方功能庫解決相應(yīng)專業(yè)問題的意識，激發(fā)學(xué)生課外尤其是利用假期主動自主學(xué)習(xí)更多解決專業(yè)問題的興趣，為后期專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和科研奠定基礎(chǔ)。結(jié)果顯示，期末提交完成的案例數(shù)量達到兩個及以上的學(xué)生占比47.26%，有意愿假期學(xué)習(xí)更多擴展模塊和案例的學(xué)生占比69.71%。表明學(xué)生對于具有明確實際應(yīng)用價值的知識點更愿意花費時間進行自主學(xué)習(xí)。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過多種改革方法的聯(lián)合應(yīng)用可以較大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。通過案例式教學(xué)和綜合作品任務(wù)相結(jié)合，可以使學(xué)生達到學(xué)以致用、培養(yǎng)計算思維能力、提升其解決專業(yè)實際問題的技能，最終實現(xiàn)OBE的培養(yǎng)目標(biāo)。采用本教學(xué)改革模式以來展示出了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實踐能力、科研創(chuàng)新能力得到了顯著提升。近五年來，計算機程序設(shè)計課程的授課教師指導(dǎo)本科生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的項目逐步增加，獲得國家級、省級項目的比例大幅提升；指導(dǎo)本科生參加省級以上各類計算機設(shè)計大賽獲一等獎3項、二等獎8項、三等獎14項；指導(dǎo)本科生獨立或參與教師科研發(fā)表論文7篇；獲得學(xué)生和教學(xué)督導(dǎo)對該課程的教學(xué)效果評價全部為優(yōu)秀。