學(xué)科交叉背景下基于OBE理念和UbD教學(xué)設(shè)計(jì)模式的C程序設(shè)計(jì)教學(xué)改革探索

摘 要 為解決非計(jì)算機(jī)專業(yè)C程序設(shè)計(jì)課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，提出“1+2+3+X”課程改革思路，圍繞C程序設(shè)計(jì)課程目標(biāo)，結(jié)合OBE理念和UbD教學(xué)設(shè)計(jì)模式，從學(xué)生專業(yè)、課程思政和以賽促學(xué)三個(gè)關(guān)鍵維度進(jìn)行課程深化與提升，并采用過程化考核方式，推動交叉學(xué)科專業(yè)的C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 OBE理念；C程序設(shè)計(jì)；UbD教學(xué)設(shè)計(jì)模式；課程思政；以賽促學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0086-04

0 引言

在數(shù)字化時(shí)代，許多非計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域受益于計(jì)算機(jī)編程技能，例如醫(yī)學(xué)信息專業(yè)可以使用編程處理大量的基因數(shù)據(jù)，測控技術(shù)可以使用編程高效、實(shí)時(shí)地對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和控制等[1]。C程序設(shè)計(jì)不僅是計(jì)算機(jī)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是機(jī)器人工程、機(jī)械工程、智能制造等新工科專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)必修課，旨在培養(yǎng)學(xué)生的編程技能，提高學(xué)生的邏輯思維能力，拓寬學(xué)生的就業(yè)道路，增強(qiáng)學(xué)生的科技素養(yǎng)。

1 課程目標(biāo)

C程序設(shè)計(jì)課程目標(biāo)分為知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)和思政目標(biāo)四個(gè)層級，旨在培養(yǎng)新工科應(yīng)用型人才。

1.1 知識目標(biāo)

理解程序設(shè)計(jì)的基本概念和面向過程的程序設(shè)計(jì)思想，了解C編程語言的基本語法、數(shù)據(jù)類型、控制結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識，熟悉常用的C語言庫函數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)學(xué)函數(shù)等，并能夠正確使用這些函數(shù)。

1.2 能力目標(biāo)

能夠編寫簡單的C程序，包括基本的輸入輸出、數(shù)據(jù)處理和邏輯控制等，學(xué)會調(diào)試和優(yōu)化程序，能夠發(fā)現(xiàn)并修正程序中的錯(cuò)誤，提高程序的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，具備運(yùn)用所學(xué)C語言知識和程序設(shè)計(jì)技術(shù)分析與解決本專業(yè)復(fù)合工程問題的能力。

1.3 素質(zhì)目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生的編程思維和邏輯思維能力，培養(yǎng)良好的代碼規(guī)范和編程風(fēng)格，增強(qiáng)創(chuàng)新意識，鼓勵學(xué)生通過實(shí)踐和創(chuàng)新，提高預(yù)測、分析和實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的能力，提升解決問題的耐心和毅力，培養(yǎng)應(yīng)對挑戰(zhàn)的積極態(tài)度。

1.4 思政目標(biāo)

積極培育社會主義核心價(jià)值觀，踐行中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育，樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀；樹立正確的勞動觀念，切實(shí)提升心理素質(zhì)，增強(qiáng)干事創(chuàng)業(yè)的信心。

2 傳統(tǒng)C程序設(shè)計(jì)教學(xué)中存在的問題

2.1 學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊

C程序設(shè)計(jì)開課學(xué)期為大一下學(xué)期，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識、編程基礎(chǔ)和動手能力上存在較大差異：一部分學(xué)生中學(xué)期間開設(shè)有計(jì)算機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)課程，受家庭環(huán)境或個(gè)人愛好等影響，開課前已具備一定的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、編程思維、科技素養(yǎng)等；還有一部分學(xué)生所在地區(qū)教學(xué)資源落后，中學(xué)沒有開設(shè)計(jì)算機(jī)課程，對計(jì)算機(jī)的理解僅僅停留在上網(wǎng)聊天等[2]。

2.2 學(xué)生對編程有畏難情緒

編程對于初學(xué)者來說較為困難，尤其是涉及復(fù)雜的語法和算法時(shí)，由于編程思維的欠缺，非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生可能對編程產(chǎn)生畏難情緒，缺乏學(xué)習(xí)動力和興趣。另外，計(jì)算機(jī)專業(yè)教師可能使用較多的專業(yè)術(shù)語和技術(shù)語言，而非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生可能對這些術(shù)語不太熟悉，會在課堂上感到困惑，難以理解教學(xué)內(nèi)容。

2.3 缺乏思政教育

在傳統(tǒng)的C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，通常更側(cè)重教授技術(shù)和編程知識，強(qiáng)調(diào)實(shí)用性，缺少對學(xué)生思想政治教育的關(guān)注，很少涉及與計(jì)算機(jī)倫理、社會責(zé)任和法律規(guī)定相關(guān)的問題[3]。此外，計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展帶來一系列的倫理和社會問題，如隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)安全、算法偏見等。傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)課程未必為學(xué)生提供足夠的機(jī)會去討論和思考這些問題，從而缺乏對于科技發(fā)展背后的思想和倫理層面的關(guān)注。

2.4 缺少學(xué)科交叉思維的培養(yǎng)

非計(jì)算機(jī)專業(yè)的C程序設(shè)計(jì)課程一般是由計(jì)算機(jī)專業(yè)教師主講，他們可能更傾向于從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度講授C程序設(shè)計(jì)課程，強(qiáng)調(diào)編程語言的基本概念和技術(shù)細(xì)節(jié)。而非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生可能更關(guān)注如何將編程技能應(yīng)用到自己的專業(yè)領(lǐng)域，希望能夠從跨學(xué)科的視角理解編程的應(yīng)用和意義。缺乏實(shí)際應(yīng)用場景及學(xué)科交叉思維會使得教學(xué)內(nèi)容無法與學(xué)生的專業(yè)背景融合，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的專業(yè)背景脫節(jié)。

3 課程改革思路

3.1 OBE理念

OBE（Outcome-Based Education）指的是基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育，其核心思想是以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，而不是以教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)時(shí)間或教學(xué)方法為導(dǎo)向[4]。它是一種教育理念和教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和目標(biāo)。OBE的核心理念是將學(xué)生的學(xué)習(xí)成果作為教學(xué)的中心，以確保學(xué)生在完成學(xué)習(xí)過程后達(dá)到特定的目標(biāo)和能力[5]。

3.2 UbD教學(xué)設(shè)計(jì)模式

UbD（Understanding by Design）教學(xué)設(shè)計(jì)模式全稱為理解為先的教學(xué)設(shè)計(jì)模式，是美國當(dāng)代教學(xué)改革專家格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）和杰·麥克泰（Jay McTighe）提出的一種教學(xué)設(shè)計(jì)模式[6]。它強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)單元教學(xué)時(shí)，運(yùn)用引導(dǎo)性問題幫助學(xué)生從解釋、釋義、應(yīng)用、洞察、移情和自知六個(gè)維度達(dá)到深入持久的理解[7]。該模式包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、教學(xué)評價(jià)、教學(xué)活動三個(gè)階段，旨在促進(jìn)學(xué)生有意義地學(xué)習(xí)。

3.3 “1+2+3+X”改革思路

為解決上述C程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的問題，本研究擬融入“1+2+3+X”課程改革思路：“1”是指圍繞一門基礎(chǔ)必修課C程序設(shè)計(jì)課程目標(biāo)；“2”是指結(jié)合OBE理念和UbD教學(xué)設(shè)計(jì)模式；“3”是指從學(xué)生專業(yè)、課程思政、以賽促學(xué)三個(gè)維度進(jìn)行課程拔高；“X”是指課程考核方式為過程性評價(jià)。改革思路示意圖如圖1所示。

4 具體改革措施

4.1 結(jié)合學(xué)生專業(yè)設(shè)計(jì)課程案例

教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合學(xué)生專業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)案例或者實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)展和深化學(xué)生對C程序設(shè)計(jì)課程的理解，按照“學(xué)習(xí)目標(biāo)—教學(xué)評價(jià)—教學(xué)活動”三階段逆向設(shè)計(jì)。首先，制定學(xué)習(xí)目標(biāo)時(shí)結(jié)合學(xué)生專業(yè)，要求學(xué)生能將C程序設(shè)計(jì)課程的知識結(jié)合專業(yè)課完成項(xiàng)目，確定達(dá)到持久理解的預(yù)期目標(biāo)；其次，以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，根據(jù)預(yù)期目標(biāo)設(shè)置教學(xué)評價(jià)，包括教師評價(jià)、學(xué)生評價(jià)、競賽加分等；最后，設(shè)計(jì)教學(xué)活動次序，列出主要教學(xué)活動。

通過結(jié)合不同專業(yè)的知識，C程序設(shè)計(jì)課程可以作為一個(gè)橋梁，連接計(jì)算機(jī)學(xué)科與其他學(xué)科，有助于培養(yǎng)學(xué)生的交叉學(xué)科思維，讓學(xué)生能夠更好地理解不同領(lǐng)域之間的聯(lián)系和相互影響。利用專業(yè)知識設(shè)計(jì)的教學(xué)案例通常涉及實(shí)際問題的建模和解決，學(xué)生在分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這些案例的過程中，能學(xué)會如何運(yùn)用編程技能解決實(shí)際問題，感受到編程不僅僅是理論上的知識，還是能夠解決實(shí)際問題、提高工作效率的工具。此外，結(jié)合專業(yè)的教學(xué)案例鼓勵學(xué)生從不同角度思考問題，提出創(chuàng)新性的解決方案，這種教學(xué)方式有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力，讓學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮編程技能的優(yōu)勢，提升學(xué)生在求職過程中的吸引力。

機(jī)器人工程專業(yè)設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的機(jī)器人控制系統(tǒng)，使用C語言編寫程序控制機(jī)器人的運(yùn)動，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等，并結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障功能；機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)編寫C程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)械零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并輸出零件的幾何尺寸和形狀信息，通過輸入不同的參數(shù)，生成不同尺寸的零件模型；電氣工程專業(yè)編寫C程序控制嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電路的控制和調(diào)節(jié)功能，并通過C程序?qū)崿F(xiàn)電路故障診斷和自動化測試功能；醫(yī)學(xué)信息專業(yè)利用C語言開發(fā)一個(gè)簡單的醫(yī)療數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)的錄入、查詢和統(tǒng)計(jì)功能，并編寫C程序處理醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，如圖像增強(qiáng)、分割、特征提取等，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析和挖掘算法，幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷和治療決策；測控技術(shù)專業(yè)搭建測控硬件平臺，設(shè)計(jì)一個(gè)基于C語言的測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和控制等。

4.2 課程思政

思政教育是課程教育的重要一環(huán)。首先，明確C程序設(shè)計(jì)課程的思政教育目標(biāo)和能力；其次，以學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)成果為中心，結(jié)合思政目標(biāo)設(shè)置思政教學(xué)評價(jià)；最后，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境、提供豐富的學(xué)習(xí)資源、引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考和討論等方式，幫助學(xué)生更好地理解和接受思政教育的內(nèi)容，提升學(xué)生的思想政治素養(yǎng)和綜合能力。

同時(shí)，課程教學(xué)大綱中融入思政教育的相關(guān)內(nèi)容與要求，增強(qiáng)教師課程思政意識，積極踐行課程思政改革，梳理中國計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史，結(jié)合社會熱點(diǎn)時(shí)事和學(xué)生日常行為，挖掘蘊(yùn)含于專業(yè)課程中的思政元素，完善課程思政案例和教學(xué)設(shè)計(jì)方案，無痕融入課堂教學(xué)，增加思政元素融入課程教學(xué)的比例，提升課程育人功能。課程思政主要融入點(diǎn)如表1所示。

4.3 以賽促學(xué)

為了培養(yǎng)學(xué)生的編程思維和邏輯思維，增強(qiáng)實(shí)踐動手能力和合作精神，課程不僅將“藍(lán)橋杯”軟件和信息專業(yè)人才大賽、ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽等計(jì)算機(jī)類競賽引入課堂，還融入學(xué)生專業(yè)與編程相關(guān)的競賽，如世界機(jī)器人大賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、中國人工智能大賽等。

在課程設(shè)計(jì)中，教師團(tuán)隊(duì)結(jié)合課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)一些基于課程知識點(diǎn)并具備一定挑戰(zhàn)性和趣味性的編程挑戰(zhàn)或競賽任務(wù)，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題，提升編程技能。此外，定期組織校內(nèi)編程競賽，并設(shè)立不同的難度級別，以適應(yīng)不同水平的學(xué)生，鼓勵學(xué)生積極參與。對于在競賽中表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生，給予課程加分或證書等獎勵。每次競賽結(jié)束后，教師和學(xué)生都進(jìn)行總結(jié)與反思，分析競賽中的成功與失敗原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為下一次競賽做好準(zhǔn)備。同時(shí)，將競賽中的優(yōu)秀作品和解題思路進(jìn)行分享與交流，讓更多的學(xué)生受益。

4.4 過程性評價(jià)

課程采用過程性評價(jià)和期末上機(jī)考試相結(jié)合的辦法進(jìn)行考核。其中，過程性評價(jià)占總成績的50%，包括在線預(yù)習(xí)、課堂表現(xiàn)、作業(yè)評價(jià)、階段測驗(yàn)、線下實(shí)驗(yàn)評價(jià)等，鼓勵學(xué)生投入更大精力專注于平時(shí)的學(xué)習(xí)和價(jià)值觀塑造，促進(jìn)學(xué)生動手能力、實(shí)踐技能的培養(yǎng)和思想素質(zhì)的培育。

5 結(jié)束語

教學(xué)改革是一個(gè)持續(xù)不斷的過程，需要在實(shí)踐中不斷探索與完善。本文圍繞交叉學(xué)科背景下C程序設(shè)計(jì)教學(xué)改革展開深入探討和實(shí)踐，對OBE理念和UbD教學(xué)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行理論分析，在C程序設(shè)計(jì)教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，深刻認(rèn)識到跨學(xué)科融合對于提升學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新思維至關(guān)重要。在教學(xué)改革過程中，結(jié)合具體的教學(xué)實(shí)踐情況不斷調(diào)整和優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，取得較大的成績。然而，實(shí)踐中還存在一些問題和挑戰(zhàn)，如教師素質(zhì)、課程資源等方面的不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。在未來的研究中應(yīng)繼續(xù)探索跨學(xué)科教育的路徑，不斷改進(jìn)教學(xué)方法和內(nèi)容，以期為推動我國高等教育質(zhì)量提升、培養(yǎng)更加符合社會需求的人才作出更大的貢獻(xiàn)。

6 參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目來源：河南省本科高校課程思政樣板課程“C程序設(shè)計(jì)B”（教高〔2022〕400號）。

作者簡介：李娜，講師；常萬軍，副教授；劉丹，教授。