程序設計課程中學生自主學習能力培養研究

梁建坤 翟菲 鄭小松 王海慧 佟歐 翟玉萱 李定遠

關鍵詞：計算機程序設計；混合式教學；自主學習能力；學習積極性

1 課題背景及研究內容

計算機程序設計基礎是高等學校面向非計算機專業開設的公共基礎課程[1]，難度較大學計算機基礎更大。由于近年來各高校普遍存在基礎課程學時壓縮的問題[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。由于大一的學生還沒有學習專業課程，導致利用編程語言解決學生所學專業實際問題的應用很少；加之程序設計課程的內容相對抽象枯燥，導致諸多高校的相關教師在各級教學研討會的交流中普遍反映學生的學習興趣低[4]、對今后學習和工作的實際幫助效果不理想等問題。

按照OBE（Outcome Based Education，能力導向教育）的培養要求，為了培養學生的自主學習能力、激發學生的學習興趣，作為遼寧省計算機程序設計省級精品課程、省級跨校選修課程的負責單位十多年來沈陽藥科大學持續進行了相關教學改革的探索，先后主持了多項相關省部級教改課題。多年的改革實踐表明，在“互聯網+”環境下通過混合式教學模式，在大一階段著力重點培養學生的自主學習能力、實現從中學階段的“填鴨式學習”模式到大學階段“自主學習”模式的轉變、培養學生自身的學習興趣，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，第一節課開篇就從枯燥的程序語法開始講起，這種做法看似節省了時間，但是會讓學生感覺該課程枯燥無聊，感覺只是因為它是學校安排的課程不得不學而已。學生的學習興趣低，課堂上不認真聽、不積極思考，課外更不會主動學習，最終的結果反而適得其反。

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

2.2 案例式教學——不斷刺激

采用案例式教學，針對重要知識點設計與實際生活和學習相關的案例。首先，通過將實際問題轉換為數學模型，培養學生的計算思維能力，而非機械地學習零散、枯燥的知識點。其次，盡管這些案例是經過簡化的問題（實際問題的核心知識點），但也都包含需求分析、概要設計、詳細設計、編碼、測試和調試等環節，從而培養學生利用所學知識解決實際問題的綜合應用能力。第三，讓學生意識到學有所用，以便于在長期的日常教學中不斷激發學生的學習興趣。例如學習算數運算符時，不要簡單給出一堆毫無意義的枯燥算術表達式，讓學生覺得為了做題而做題，可以結合近期世界范圍內發生的大地震讓學生利用P波和S 波的速度差，求解分析并討論觀測站發出的地震警報對不同距離城市的預警效果；學習三角函數時可以讓學生繪制指定旋轉角度的五角星，為后續繪制標準國旗奠定基礎；學習列表時可以讓學生對身份證號碼進行合法性校驗，以解決網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，無法作為教學案例或綜合作業。首先由于功能復雜課堂內講不完；其次如果放到前幾章布置任務由于新知識點太多此時學生不會做，如果放到最后章節布置任務由于臨近期末學生忙于復習又沒有時間完成。

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，不同章節完成對應的模塊，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；在選擇結構章節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；在列表章節結合循環結構完成身份證號碼前17位的加權計算、判斷校驗位是否合法的模塊；在字典章節構建以ID中前6位為key、對應地區名為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；在文件章節通過文件操作，實現完整出生地字典的構建模塊；在GUI設計章節將前面利用CLI實現的程序改為GUI界面實現；在程序打包和發布章節完成將GUI格式的程序發布為可以在其他計算機直接運行的exe格式的模塊，至此經過7步功能分解整個案例就全部完成了。

2.4 混合式教學——學有所依

在“互聯網+”環境下采用線上線下混合式教學方式。在線下課堂教學過程中，通過案例式教學教師分析講授案例涉及的知識點以及相關重點難點；本章的其他知識點由學生利用線上精品課程平臺自主學習，在章節測試中對所有知識點進行考查，從而實現學時不足的情況下保證教學質量的目標。由于線上教學平臺不受課時的嚴格限制，因此課程內容和教學形式可以靈活多樣，除了核心知識點的講解外還可以包括相關知識的擴展，通過圖文、音頻、視頻等形式讓學習變得更輕松，提升學生的學習興趣。

2.5 翻轉課堂——保持互動

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

首先，針對下節課的案例布置適量任務，讓學生思考該案例在實際應用中的需求分析、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，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軟件隨機提問，避免學生走神溜號、充分做好前面章節的復習工作。這些做法看似浪費了課堂時間，由于充分調動了學生的課下自主學習時間，不但可以保證教學進度，而且由于學生的主動參與還可以提升學習效果。

2.6 階梯制綜合作品任務——魚躍龍門

建議整門課程針對不同專業設計3～4個解決實際問題的綜合案例，教師給出核心功能，引導學生思考其在實際應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。考慮到不同學生的發展目標不同、能力不同、興趣不同，可以設定階梯制任務，學生根據自己的實際情況選擇不同的層級。這樣既可以避免有的學生面對綜合任務望而卻步，也可以鼓勵精英式學生的進一步自由發揮。

例如思政元素案例“繪制代表世界和平手拉手的奧運五環”。入門級為能夠繪制出上排并列3個、下排并列2 個、顏色正確的五環示意圖，考查學生利用turtle繪圖時抬落筆、定位、畫圓等基本能力，最高得分60；基礎級在入門級的基礎上，要求五環的嵌套關系準確，考查學生精準定位繪制圓弧的能力，最高得分80；進階級在基礎級的基礎上，要求自行檢索奧運五環標準規范，繪制出圓環半徑、邊框寬度、圓環間距、上下排行距均精準的標準奧運五環圖案，培養學生自主學習、嚴謹求實的能力和精神，最高得分100。在2023年春季學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。結果表明絕大部分學生對繪制標準的奧運五環具有濃厚的興趣，樂于通過自主學習的方式自行收集資料完成有實際意義的任務。

再如身份證號碼校驗。目前各網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，系統不會提示錯誤，這將導致網上看病預約成功、醫院現場身份證校驗不通過導致無法看病；甚至網上報名、考試、下發證書都“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定為假證的情況發生，因此提供更為精準的輔助校驗功能具有重要的現實意義。任務的第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層級基礎上，增加對前6位地區碼的校驗功能，并匯報出生地信息，最高得分85；第4層級在第3層級基礎上，增加GUI圖形界面設計功能，最高得分95；第5層級在第4層級基礎上，增加程序打包發布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分布如圖2所示，結果顯示選擇完成所有課堂講授知識點的人數為48.57%，自學GUI完成圖形化界面設計的人數為26.77%，自學打包發布徹底完成整個任務的人數為8.22%。選擇課外自主學習的總人數合計為34.99%，超過三分之一，由此表明以上措施對激發學生的學習興趣、培養學生的自主學習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、不同方向、不同興趣的學生具有解決不同實際問題的需求，選擇適當的編程語言可以更加高效地工作。鑒于Python語言擁有功能強大、領域廣泛、數量眾多的功能庫，可大幅減少數據處理的代碼量，建議學校整體范圍內優先選用Python語言。此外，為滿足不考研、沒有大量科研數據進行高級處理分析任務、只需要利用Excel高效辦公學生的需求，建議提供VBA編程語言；針對需要動態網站開發的學生，建議提供C#語言。這些語言的課程建議同時開設，學生根據自己的需求隨便選擇。

2.8“ 1+X”擴展——極限誘惑

多年與專業領域教師合作的科研工作經歷表明，醫藥領域相關專業的學生學習程序設計語言在專業研究中最重要的三大需求為大數據分析、數據可視化、利用網絡爬蟲從互聯網中獲取相關研究數據。為了能夠讓計算機程序設計這門基礎課更好地為專業服務，借助“互聯網+”環境在承建的遼寧省跨校選修一流課程網絡教學平臺中，在Python通識課程的基礎上增加了大數據分析、數據可視化、網絡爬蟲三個專業擴展模塊，每個模塊包含2～3個典型專業案例。每名學生可以根據自己制定的未來專業發展方向和興趣任選其中1個模塊進行課外自主學習，并至少完成其中1個案例。目的是提高學生的自主學習能力、培養學生利用Python的第三方功能庫解決相應專業問題的意識，激發學生課外尤其是利用假期主動自主學習更多解決專業問題的興趣，為后期專業課程的學習和科研奠定基礎。結果顯示，期末提交完成的案例數量達到兩個及以上的學生占比47.26%，有意愿假期學習更多擴展模塊和案例的學生占比69.71%。表明學生對于具有明確實際應用價值的知識點更愿意花費時間進行自主學習。

3 結束語

綜上所述，通過多種改革方法的聯合應用可以較大程度地激發學生的學習興趣，培養學生的自主學習能力。通過案例式教學和綜合作品任務相結合，可以使學生達到學以致用、培養計算思維能力、提升其解決專業實際問題的技能，最終實現OBE的培養目標。采用本教學改革模式以來展示出了良好的教學效果，學生的學習興趣、實踐能力、科研創新能力得到了顯著提升。近五年來，計算機程序設計課程的授課教師指導本科生參加大學生創新創業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；指導本科生參加省級以上各類計算機設計大賽獲一等獎3項、二等獎8項、三等獎14項；指導本科生獨立或參與教師科研發表論文7篇；獲得學生和教學督導對該課程的教學效果評價全部為優秀。