OBE 理念下程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革探索

盧 瑾，任宏亮

（浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

0 引 言

2016 年6 月2 日，我國(guó)正式加入《華盛頓協(xié)議》（以下簡(jiǎn)稱《協(xié)議》）。《協(xié)議》倡導(dǎo)以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)三大教育理念，要求從培養(yǎng)目標(biāo)到畢業(yè)要求，從畢業(yè)要求到課程體系，再到教學(xué)落實(shí)、評(píng)價(jià)與反饋，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施。作為基本要求，培養(yǎng)目標(biāo)必須符合教育的基本定位，按照《協(xié)議》，本科主要是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題(Complex Problems)的能力[1]。復(fù)雜工程問(wèn)題必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過(guò)分析才可能解決，這就要求理論教學(xué)必須包括足夠深入的基本原理，而且要使學(xué)生學(xué)會(huì)“分析”和“使用”的典型思想和方法，從而使學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)（基礎(chǔ)理論和專門知識(shí)）以及分析問(wèn)題的能力。

培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力”必須通過(guò)整個(gè)“培養(yǎng)體系”實(shí)現(xiàn)，不能狹義化為參加一個(gè)具體復(fù)雜工程的開(kāi)發(fā)，甚至僅僅依靠畢業(yè)設(shè)計(jì)、綜合實(shí)踐等一兩個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，這種能力的獲得并非是一蹴而就，而應(yīng)該是一個(gè)持續(xù)貫穿幾個(gè)學(xué)期、循序漸進(jìn)的過(guò)程。程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的目的是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)分析和解決問(wèn)題的基本過(guò)程和思路,它是一門典型的計(jì)算思維課程，也是計(jì)算思維能力培養(yǎng)的重要內(nèi)容，該課程教學(xué)實(shí)施中要特別注重實(shí)踐，要使學(xué)生通過(guò)實(shí)踐確實(shí)感受和領(lǐng)悟計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解的基本方法和思維模式[2-3]。然而，以往程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過(guò)程卻很容易陷入語(yǔ)言表達(dá)形式的誤區(qū)，理論課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)合度不高，相關(guān)課程的集成度也不高，基于OBE 教學(xué)理念，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，結(jié)合課程特性，將培養(yǎng)的能力進(jìn)行分解，落實(shí)到培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，為解決上述問(wèn)題提出可行的解決方法。

1 基于OBE的程序設(shè)計(jì)教學(xué)體系整體構(gòu)架

3P 教學(xué)模型將教學(xué)按時(shí)間節(jié)點(diǎn)可以分成前提（Presage）、過(guò)程（Process）和結(jié)果（Product）3 個(gè)階段，學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建指向預(yù)期學(xué)習(xí)成果，并協(xié)調(diào)教學(xué)與評(píng)估活動(dòng)，要求學(xué)生成為教與學(xué)共同體中的主動(dòng)學(xué)習(xí)者[4]。在學(xué)習(xí)活動(dòng)發(fā)生之前識(shí)別和確定預(yù)期學(xué)習(xí)成果，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供直接的目標(biāo)期待，同時(shí)也為教師教學(xué)方法選擇提供必要參考，該教學(xué)模型倡導(dǎo)的正是以學(xué)生為中心基于成果的教育（Outcomes Based Education，OBE）基本理念[5]。

根據(jù)程序設(shè)計(jì)教學(xué)的特點(diǎn)和OBE 教學(xué)理念的指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力和程序設(shè)計(jì)實(shí)踐能力為主要教學(xué)目標(biāo)[6]，建立如圖1 所示基于3P 模型的程序設(shè)計(jì)教學(xué)體系。教學(xué)活動(dòng)概括為學(xué)生、教師、情境之間的互動(dòng)及其在前提、過(guò)程及結(jié)果3 個(gè)階段的相互關(guān)系，將各要素之間形成眾多彼此相連的反饋環(huán)。分析學(xué)生因素，包括先驗(yàn)知識(shí)、學(xué)習(xí)觀、學(xué)習(xí)方式以及自身能力等，關(guān)注不同學(xué)生的差異性，為學(xué)生創(chuàng)造和維護(hù)積極有效的學(xué)習(xí)環(huán)境，從學(xué)習(xí)的角度進(jìn)行課程設(shè)計(jì)和組織，創(chuàng)建教與學(xué)的活動(dòng)，通過(guò)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和改錯(cuò)型實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)淺層學(xué)習(xí)，再結(jié)合綜合型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)深化[7]，鼓勵(lì)和支持學(xué)生選擇個(gè)性化學(xué)習(xí)方法，主動(dòng)參與探究復(fù)雜問(wèn)題并提出解決方案，并采用形成性評(píng)量和成效檢驗(yàn)方法對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行考核，提供評(píng)估、診斷、反饋和改進(jìn)措施，完善教學(xué)目標(biāo)。

圖1 基于3P 模型的程序設(shè)計(jì)教學(xué)體系

2 程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革

2.1 培養(yǎng)路線設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)作為非計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課程主要集中在大學(xué)前兩年，教學(xué)培養(yǎng)路線設(shè)計(jì)如圖2 所示。一年級(jí)期間側(cè)重基礎(chǔ)語(yǔ)言學(xué)習(xí)，掌握語(yǔ)言的基本應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)小型程序設(shè)計(jì)解決基本的計(jì)算問(wèn)題；二年級(jí)側(cè)重編程思想訓(xùn)練以及程序框架學(xué)習(xí)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的形式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大型程序進(jìn)行知識(shí)強(qiáng)化，達(dá)到用程序能解決本專業(yè)的復(fù)雜工程問(wèn)題的目的。

圖2 培養(yǎng)路線

2.2 培養(yǎng)目標(biāo)細(xì)化

培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，旨在培養(yǎng)管理和創(chuàng)新能力、溝通和協(xié)作能力、研究和實(shí)踐能力等，根據(jù)程序設(shè)計(jì)課程定位于基礎(chǔ)性、入門型的特征，培養(yǎng)目標(biāo)可總結(jié)為設(shè)計(jì)實(shí)踐能力、計(jì)算思維能力、自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等4 個(gè)方面。

根據(jù)我國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，畢業(yè)要求應(yīng)能支撐培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成，將能力目標(biāo)進(jìn)行分解和細(xì)化成各個(gè)小目標(biāo)，融入程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，并與工科畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)，見(jiàn)表1。一年級(jí)是對(duì)程序的初步接觸，上學(xué)期主要是面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)教學(xué)；下學(xué)期為面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)教學(xué)，能力培養(yǎng)上側(cè)重理論知識(shí)掌握、計(jì)算思維的初步形成、開(kāi)發(fā)工具的熟悉以及編程習(xí)慣的養(yǎng)成，在綜合問(wèn)題的解決上掌握對(duì)問(wèn)題的分析能力和建立團(tuán)隊(duì)協(xié)作的雛形；二年級(jí)則是在掌握足夠深入的基本原理的基礎(chǔ)上，融合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新知識(shí)體系，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域和學(xué)科的內(nèi)容，要求學(xué)生學(xué)會(huì)“分析”和“使用”的典型思想和方法，教學(xué)內(nèi)容上包含多因素、多技術(shù)，鼓勵(lì)學(xué)生突破單種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)程序的局限，學(xué)會(huì)選擇和折中、借鑒和綜合，學(xué)習(xí)從全局的角度考慮問(wèn)題。短學(xué)期旨在強(qiáng)化并拓展所學(xué)知識(shí)，側(cè)重加強(qiáng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中的文獻(xiàn)查閱、問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)方案確定、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等實(shí)踐操作，提高自身綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

表1 培養(yǎng)目標(biāo)細(xì)化

2.3 教學(xué)案例設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)按由易到難的原則，分為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、改錯(cuò)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)4 種類型，實(shí)驗(yàn)分配貫穿多個(gè)學(xué)習(xí)階段，以提升各項(xiàng)能力，見(jiàn)表2。驗(yàn)證型和改錯(cuò)型實(shí)驗(yàn)側(cè)重基本語(yǔ)法、常規(guī)算法、編程工具使用以及編程規(guī)范化培養(yǎng)等方面，同時(shí)確保不同基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，如簡(jiǎn)單三角形圖形打印、課程成績(jī)排序等。綜合型實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)的綜合應(yīng)用，是知識(shí)內(nèi)化為學(xué)生計(jì)算思維能力與自主學(xué)習(xí)能力的關(guān)鍵步驟，串聯(lián)已學(xué)的知識(shí)用于分析解決具體問(wèn)題，如賬戶管理小程序、簡(jiǎn)易計(jì)算器等設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生整體觀建立，包括對(duì)創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力以及自主學(xué)習(xí)能力都提出要求，從而提升學(xué)生解決具體問(wèn)題和實(shí)際專業(yè)應(yīng)用方面的綜合能力。

表2 實(shí)驗(yàn)案例示意

詳細(xì)的任務(wù)分配（見(jiàn)表3）：一年級(jí)上學(xué)期主要學(xué)習(xí)掌握面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)思路，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以基本語(yǔ)法和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為主，競(jìng)賽題目與等級(jí)考試題目引入可以滿足能力各個(gè)層次的同學(xué)的需求；一年級(jí)下學(xué)期掌握面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢W(xué)會(huì)簡(jiǎn)單的問(wèn)題需求分析以及小型程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；二年級(jí)開(kāi)設(shè)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、VC++應(yīng)用程序編程和Java 等課程，對(duì)程序設(shè)計(jì)思維的要求提高，也增加了圖形界面設(shè)計(jì)的要求，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言也不再作為限制，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)，研究探索的能力。到短學(xué)期的課程設(shè)計(jì)階段，引入專業(yè)相關(guān)的工程實(shí)際問(wèn)題或者當(dāng)前社會(huì)的熱門課題，引導(dǎo)鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)各種渠道調(diào)查研究，對(duì)目前現(xiàn)有的算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，鼓勵(lì)改進(jìn)和創(chuàng)新，并展示成果，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力、終身學(xué)習(xí)的能力和溝通協(xié)作能力。

表3 任務(wù)分配說(shuō)明

2.4 評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)貫穿學(xué)生2 年的學(xué)習(xí)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)成績(jī)僅作為每學(xué)期對(duì)應(yīng)課程成績(jī)的組成部分，所以每個(gè)學(xué)期均獨(dú)立計(jì)算，但都采用“成果+行程考評(píng)”的綜合評(píng)價(jià)模式。一年級(jí)以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為主，每學(xué)期組織1～2 次分組的實(shí)驗(yàn)討論課程，以小組為單位對(duì)分配到的課題從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹的環(huán)節(jié)。二年級(jí)基本以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主，最后的綜合項(xiàng)目將引導(dǎo)學(xué)生從分組開(kāi)始，選題、分工、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、答辯到提交結(jié)項(xiàng)書(shū)貫穿項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的全流程。結(jié)合學(xué)生在每個(gè)階段、每個(gè)任務(wù)中的各方面學(xué)習(xí)情況以及最后設(shè)計(jì)任務(wù)的完成情況，對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。

學(xué)生每個(gè)階段所達(dá)到的能力與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)見(jiàn)表1，以表中教學(xué)目標(biāo)為基準(zhǔn)對(duì)比計(jì)算出學(xué)生考核成績(jī)，結(jié)合項(xiàng)目結(jié)果評(píng)定形成整體評(píng)價(jià)。評(píng)定分為教師評(píng)價(jià)和組間互評(píng)形式，分別占70%和30%。教師評(píng)價(jià)包括教師依據(jù)實(shí)踐整個(gè)過(guò)程的思考、代碼編寫、算法設(shè)計(jì)以及項(xiàng)目總結(jié)等各種形式檢測(cè)學(xué)生的程序設(shè)計(jì)能力，其中項(xiàng)目成果評(píng)價(jià)占50%，過(guò)程考核評(píng)價(jià)占30%；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示、答辯檢驗(yàn)學(xué)生的表達(dá)能力和臨場(chǎng)應(yīng)變能力，占教師評(píng)價(jià)的20%。組間互評(píng)包括教師組織學(xué)生自評(píng)，組長(zhǎng)評(píng)價(jià)來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和項(xiàng)目管理能力，分別占組間互評(píng)分的50%。每次的評(píng)定結(jié)果與教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)反饋來(lái)的學(xué)生情況對(duì)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行修改和完善。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于OBE 理念，結(jié)合程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的特性，將學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的綜合能力的培養(yǎng)目標(biāo)分解并落實(shí)到教學(xué)環(huán)節(jié)，將課程貫穿學(xué)生在校的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段，制定課程目標(biāo)并對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)按照難易程度進(jìn)行分類，根據(jù)課程內(nèi)容和任務(wù)要求采取對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)方案，根據(jù)評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)的修訂和完善，這樣形成教學(xué)系統(tǒng)的閉環(huán)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的引入促進(jìn)了學(xué)生綜合能力的提升，也為其他課程的教學(xué)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)，從近些年的課外活動(dòng)表現(xiàn)來(lái)看，學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的信心逐漸提高，參加課外各項(xiàng)科技競(jìng)賽及項(xiàng)目的低年級(jí)學(xué)生人數(shù)明顯增多，有部分同學(xué)將項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)課程中的項(xiàng)目功能進(jìn)一步擴(kuò)充改善，參加競(jìng)賽并取得佳績(jī)。新的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系對(duì)于所在學(xué)院開(kāi)展相關(guān)課外科技競(jìng)賽具有良好的促進(jìn)作用，同時(shí)大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，推進(jìn)學(xué)生各項(xiàng)能力的培養(yǎng)，真正成為課程的最大受益者。